[科普中国]-声学水位计

简介

声学水位计采用非接触式测量，通过发射声波测量井深，这种仪器不需要任何事先粗略探测深度的设备，可以在任何测量中得到精确、快速的结果。该设备重量轻，体积小，功能多，操作简便。1用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。

声学水位计可以应用在任何场合，无论探井的井壁是金属、聚氯乙稀、岩石、还是弯曲的深井或者正在工作中的水泵。

工作原理声学水位计系采用声管传声、应用空气声学回声测距原理来进行水位测量的新型水位测量仪器。由收发共用声学换能器发射一声脉冲、声波经声管传声遇水界面产生反射，反射波由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，计算出声学换能器发射面至水面的距离，依据声学换能器安装基准面及水位零点得到水位值。

技术参数测量范围： 0～8 m

准确度： 1cm

工作方式： 每6min采集一组数据，每次采样1min，

取样频率：1次/s。

数据输出： LCD显示，显示潮时、潮高。

数据打印： TPup微型打印机，打印潮时、潮高，正点数据加打*号

数据存储： FLASH存贮器，可存两个月的数据。

接口方式： RS-232C串行接口。

环境温度：

-5～50 ℃(探头部分)

0～40 ℃(主机部分)

仪器电源：220V；50Hz（或直流12V1V，仪器可交直流自动转换）

数据传输：可进行无线或有线的远距离传输并实现水位监测联网自动化。2

误差来源空气温度因素的影响声音在空气中的传播速度ν不是常数，与温度有关，因此进行水位测量，必须准确测量温度，并保证温度传感器准确地感应环境空气温度。若要把测量精度控制在厘米级内，温度测量的分辨率应达到0.1摄氏度。2

水面波动因素的影响由于气介式超声波水位计无需测井、安装方便，因此容易受风、船行引起的浪波等影响。起伏的浪波不但使水位变化，而且改变超声波回波的方向，减弱超声波回波信号。

利用由风引起波浪的水位变化均有周期性这一特点，可以采用在一定时间内多次采样后求平均值，使测量值接近真值。采样的时间越长，采集的数据越多，测得的水位越精确。为了消除由船行驶引起的波浪造成水面的水位不规则变化的影响，可以将采样数据排序，去掉最大和最小的一部分数据，取中间数据的平均值。用这种“中间平均法” 可以有效防止一些测量干扰。在水位变化比较平缓的地方，可以采用控制水位变化率的方法来进行滤波。例如每次采样数据水 位变化只允许 1 cm，多次采样后的数据就等于或接近真实水位，可以减少一些随机干扰。2

计时准确性的影响测量水位实际就是测量声波从探头发出到达水面，再从水面反射回到探头的时 间，这个传播时间的测量精度实际反映了水位测量精度，前述影响测量精度的因素采用适当的措施和方法比较容易解决，但对超声波的回波进行准确的计时却比较困难，影响因素有工作频率与探头的通频带宽度、门限电平与检测方法、干扰鉴别等。超声波探头的信号响应时间(信号前沿的上升时 间)类似于1个蓄能电路的充、放电过渡过程，因此要缩短该过程就需要加宽探头与电路的通频带。但是探头受材料、工艺等限制，通频带一般很窄。而电路通常希望有较强的抗干扰能力，也不希望有很宽的通频带，因此需要采用其他方法来解决。2

误差消除当超声波探头与电路确定后，对同一信号电平的响应是一致的。因此影响测量精度的信号前沿与信号的电平有关。一般通过以下几种方法 减少测量误差:

放大整形通过对接收回波的放大，可以使 信号前沿变陡，上升时间缩短，明显减少幅度变化 带来的误差影响，这是许多超声波设备中常用 的方法。但这种方法有明显的缺点，即放大有用信 号的同时，也放大了干扰与噪声。当干扰与噪声的 电平达到门限电平时，会使得检测电路难以分辩真实超声波测量回波，因此要合理地选择放大倍数与 控制门限电平。另外在实际应用中还需考虑回波信 号随距离增加而衰减等因素才能获得较好效果。3

稳定回波信号如果使接收的回波信号电平 被稳定于 1 个固定值，那么也就固定了回波信号上 升时间，这样也就消除了这种测量误差。美国 KAB 公司生产的超声波水位计就采用了这种方法。但这 种方法缺点是设备从搜索到锁定测量回波需要一定 的时间，对于定时间隙开机(野外设备为了节能) 的工作方式不太适用。另外为了保证设备不锁定到 干扰信号(如堤岸等)，对安装有较高要求。3

回波信号前沿分析用计算前沿上升时间 的方法进行不同回波信号电平的补偿，其补偿的前 提条件是假设获取的信号前沿是线性的。回波信号 的上升、下降沿与电容充放电类似，是1条指数曲线。但在信号电平1/2下(上升沿)近似直线(三角 函数也类似)。因此，信号采样在此区间可视条件基本成立。用上述方法使回波的计时准确性与回波信号电平无关，达到消除因回波信号的大小不同而产生的误差。为使补偿准确就应保持信号电平远大于前沿采样电平，为此应在信号采样中读取该回波信号电平最大值，以判断补偿是否控制在规定的范围之内。3