声学水位计

声学水位计是非接触式测量，它使用声波测量井深，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。

设备简介

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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