水文现代化：压力式水位计新技术

压力式水位计是较早应用的无测井水位计。它通过测量水下某固定点的静水压力，即可测得这点以上的水柱高度，由此获得水位。应用较广的仪器类型是压阻式压力水位计和气泡式水位计。气泡式水位计因其测压工作方法的不同可以分为恒流式和非恒流式两种。

2.2.4.1　压力式水位计的工作原理及类型

1.压力式水位计的工作原理

相对于某一个压力传感器所在位置的测点而言，测点相对于水位基面的绝对高程，加上本测点以上实际水深即为水位。测点的静水压强为：

式中：p为测点的静水压强，g/cm2；γ为水体容重，g/cm3；H为测点水深，即测点至水面距离，cm。

推算得测点水深：　

测点水位：　

式中：HW为测点对应的水位；H0为测点的绝对高程。

当水体容重已知时，只要用压力传感器或压力变送器精确测量出测点的静水压强值，就可推算出对应的水位值。实际应用时，在水下测得的是水上大气压强与测点静水压强之和，需要自动消除或减去单独测得的大气压强。

2.压力式水位计的组成

压力式水位计的基本组成部分包括：压力传感器、引压管路（也可能包括信号及供电电缆）、岸上仪器、电源等。有的仪器需要有压气源，还要配备高压气瓶等。

压力传感器有多种形式，基本上都应用压阻式压力变送器。压阻式压力水位计的压力传感器直接在水下测量点感测水压，气泡式压力水位计的压力传感器安装在岸上仪器中，水下测量点的水压力用气管导引上来，在岸上仪器中直接测量。

引压管路是一根高质量的工程塑料通气管。在压阻式水位计中，引压管路的作用是将水上大气压引到处于水下测点的压力传感器内，使得压力传感器不受水面大气压力影响而测得正确的静水压力。气泡式水位计引压管路的作用是使仪器中的压力传感器可以在岸上测到水下测量点的静水压力。这时，由于仪器的调压功能，引压管路内的气压和水下引压管口的静水压力是相等的。压阻式压力水位计常使用其专用电缆，其中包括引压管路、信号线缆、电源线。

岸上仪器是压力式水位计的主体，起着测压、控制、压力水位转换、显示等功能。

一般都采用蓄电池供电的电源，少数气泡式水位计采用交流电源。压力式水位计还可能有避雷装置、高压气源等组成部分。

一些压力式水位计本身带有水位数据存储功能，也会留有用以遥测通信的接口，供水位数据存储和遥测用。

3.压力式水位计的主要类型

压力式水位计的发展主要是感压（引压）方式和测压传感器技术的发展，目前水文上应用的成熟产品有直接感压式（投入式）的压阻式压力水位计和间接感压式（引压式）的气泡式压力水位计。气泡式水位计因其引压方式不同可分为恒流式和非恒流式两种。

振弦式压力水位计，本来用于土工、大坝原型测量，一些新产品提高了准确度后，开始试用于水文测验。

2.2.4.2　压力式水位计的结构

压力式水位计的种类较多，现以压阻式压力水位计、气泡式压力水位计和振弦式压力水位计为例来介绍压力式水位计的结构性能。

1.压阻式压力水位计

（1）工作原理。现介绍的一种遥测压力式水位计是采用固态压阻式传感器测量水位的水文仪器，主要用于水文站的水位远传、水位显示和长期水位记录，并留有供水位遥测和水位存储记录的接口。

常用的压力传感器多为固态压阻式压力传感器，它是采用集成电路的工艺，在硅晶片上扩散电阻条形成一组电阻，组成惠斯登全电桥。由于硅晶体的压阻效应，当硅应变体受到静水压力作用后，其中两个应变电阻变大，另两个应变电阻变小，惠斯登电桥失去平衡，输出一个对应于静水压力大小的电压信号。常用的压力变送器是将上述压力传感器受压而产生的相应的电压信号，经放大、调理和电压/电流转换，最后输出一个对应于静水压力大小的4～20m A的电流信号。这些电路和压力传感器组装在一起，称为压力变送器。压力传感器和压力变送器均为产品的关键元器件。

产品对影响水位测量精度的诸因素都采取了有效的解决和克服措施，保证了整机的测量精度。如采用通气防水电缆则可克服大气压力变化对水位测量的影响；采用机械阻尼和电气阻尼措施克服了波浪对水位测量的影响；选择合理安装位置和设置护罩结构加阻尼措施减弱了流速对水位测量的影响，从而使仪器的精度性能满足使用要求。

压阻式压力水位计的功能框图如图2.11所示，各单元的基本原理及功能如下：

图2.11　压阻式压力水位计功能框图

1）稳压电源。将交流或直流供电电源转变成压力水位计工作所需要的直流电压，并使之稳定。

2）恒流源。将输入电压变换成不随负载和输入电压变化的恒定电流输出，从而使压力水位计测量值与导线长短无关，且又能减小压力传感器的温度漂移影响。

3）压力传感器。其等效电路相当于一个惠斯登电桥，它将静水压力值转换成与之对应的电压信号或电流信号输出。

4）信号调理。将压力传感器送来的电压信号或压力变送器送来的电流信号经过严格的取样、放大或衰减，使信号变成A/D电路所需要的电压信号。

5）A/D单元。模拟量到数字量的转换单元，它是将与静水压力对应的电压模拟量信号转换成与静水压力值对应的数字信号。

6）显示及编码。根据需要将静水压力对应的数字信号显示及转换成相应的并行BCD码或RS—232、RS—485串行输出。

（2）主要技术指标。压阻式压力水位计用于遥测时要符合遥测水位计的技术要求，同时要符合压力水位计标准要求的情况。压阻式压力水位计有标准接口输出，均能用于遥测。

对产品的基本技术要求。水位分辨力：0.1cm、0.2cm、0.5cm、1.0cm（此分辨力与准确度关系不大）；水位测量范围：0～5m、0～10m、0～20m、0～40m；水位变率：不小于60cm/min；水位准确度：在0～10m水位变化范围内，水位基本误差为±1cm、±2cm、±3cm三种，应充分考虑其他附加误差（详见后述）；使用环境：水下温度：0～40℃；水上环境温度：－5～50℃，95%RH；水质：有含沙量和盐度限制；可靠性要求：MTBF大于半年；信号输出要求：BCD码或标准接口；其他要求：波浪抑制功能；水体容重（含沙量、盐度）修正功能；温度修正功能；水位显示及高程零点预置功能；水下部分耐压、防水功能。

典型产品技术介绍：

典型遥测压力式水位计的技术指标：最大水位变幅：10m或20m；位准确度：2‰水位变幅±1cm；水位分辨力：1mm；传输距离：不大于2km（压力传感器至仪器本体）；水位数据输出方式：BCD码或RS—232、RS—485通信口；记录方式：××时××分#××·×××米，每日零时记录年月日（接有记录仪时）；电源：220VAC或12VDC；环境温度：－10～＋40℃，与传感器接触的水不结冰；最大耐受静水压力：130%水位允许变幅；具有综合影响的自校检功能。

典型遥测压力式水位计的水位输出数据可以直接接入遥测数传仪、卫星数据通信终端、MODEM、计算机，也可以接入各种数字式数据记录仪、固态存储器，既可用于水文自动测报系统，也可用于各种数据远传。

考虑到一些影响水位测量准确度因素的变化，主要是温度变化，仪器设置了自校调试功能。定期进行人工调试，在很大程度上保证了长期水位测量准确性。

（3）仪器结构。压阻式压力水位计由水位传感器、通气防水电缆、传输电缆、水位显示器和选配的水位存储记录仪等五部分组成，压阻式压力水位计整机图如图2.12所示。

图2.12　压阻式压力水位计整机图

在仪器上有电源接入、水位数据输出接口、压力传感器接入插座、电源开关等必备接口、按键，还有水位调校、零点水位调准按键。

2.气泡式压力水位计

气泡式压力水位计是压力式水位计的一种，其典型特征是在工作过程中要通过吹气管向水中吹放气泡，故被称为气泡式水位计。气泡式水位计的造价比压阻式压力水位计高，也较复杂。但它和被测水体完全没有“电气”上的联系，只有一根气管进入水中，从而可以避免很多干扰、影响，构成了它自己的使用特点。

气泡式水位计的工作原理与压阻式压力水位计相同，但测量静水压力的方法不一样。它是将压力传感器安装在岸上仪器内部，通过一根吹气管将吹气管口的静水压强引入岸上仪器进行测量。气泡式水位计有一根吹气管进入水中，吹气管口固定在水下某一测点处。吹气管另一端接入岸上仪器的吹气管腔（气包）。此吹气管腔连接有高压气瓶或气泵。其引压原理基于在一个密封的气体容器内，各点压强相等。也就是说：如果气水分界处正好在管口，而气体又不流动，或基本不流动（只冒气泡），那么吹气管出口处的气体压强和该点的静水压强相等，又和整个吹气管腔内的压强相等。将压力传感器的感压口置于吹气的管腔内，这样压力传感器就可直接感应到出气口的静水压强值，即可换算得到该测点位置对应的水位。

要使吹气管出口处的气体压强和该点的静水压强相等，可采用两种方法：一种是仪器内部装有自动调压恒流装置，自动适应静水压力的变化，只是慢慢均匀地放出气体，一般是一分钟冒数十个气泡。这时可以认为气体压强等于出气口的静水压强，这种方式称为恒流式气泡水位计。另一种方式是平时仪器不工作，要测量时，仪器启动气泵，使气体压强超过出气口的静水压强，然后气泵停止工作，出气口的出气很快停止，表示管内压强等于静水压强，仪器快速自动测出此压力，这种方式称为非恒流式气泡水位计。

（1）恒流式气泡水位计。以一种国外产品为例来说明，恒流式气泡水位计外形如图2.13所示。

1）工作原理。恒流式气泡水位计的典型组成示意图如图2.14所示。图中各单元作用如下：

图2.13　恒流式气泡水位计

图2.14　恒流式气泡水位计典型组成示意图

1—高压气瓶；2—阀；3—调压器；4—恒流阀；5—压力传感器；6—测得压力值输出；7—流量计；8—吹气管

a.高压气瓶。高压气源，可以用高压气瓶加充气气泵代替，这就需要增加压力继电器。当压力钢瓶内的压力达到预定压力值时它会自动将气泵的电源电路“接通”或“断开”，保证压力钢瓶内始终有一定压力的高压气源。多数恒流式气泡水位计需要用氮气供气，都只使用一个高压气瓶，不用气泵补充气体。

b.调压器。把较高的压力自动调节到需要的吹气压力值。

c.恒流阀。起到使吹气气流值恒流量的目的，并能自动恒流。

d.流量计。吹气流量指示装置。

e.吹气管。吹气管要保证具有一定的强度。

f.压力传感器。将压力转换成与之量值对应的电信号输出的装置。

工作时，气体（一般为氮气）从高压气瓶内流出，经调压阀调整为所需压力。恒流阀和流量计测得和控制气体流量。如流量超过预定值，内部控制系统会调节调压阀的压力，保证有一恒定气体流量，此气体流量会将吹气管内水体推出管外。由于气体流量只是一分钟数十个气泡，可以认为水气界面就在管口，管内气体压强等于管口静水压强。也可以这样解释：如果一个气泡也冒不出，那就说明管口水压强大于管内气体压强。相反，如果气体压强大于管口静水压强，气体将连续向外喷冒，不会形成断续的气泡。所以当只是冒气泡的时候，就可以认为吹气管内气体压强等于管口的静水压强。用压力传感器测量出吹气管腔内的气体压强就得到水下测点的静水压强。在仪器内压力传感器的背面感受大气压力，排除了大气压力变化对测量精度的影响。这一点和压阻式压力水位计是一样的。实际上，现在这两种压力水位计使用的可能都是压阻式压力传感器，只不过一个是放在水下，而气泡式水位计的压阻式压力传感器安放在岸上仪器内。

2）主要技术指标。包括对产品的基本技术要求和典型产品的技术指标两部分内容。

a.对产品的基本技术要求。对恒流式气泡水位计的基本技术要求和压阻式压力水位计基本一样。需要注意的是，应该能在蓄电池供电的情况下工作。

b.典型产品的技术指标。水位测量范围：0～15m；水位分辨力：1cm；水位变率：0～40cm/min；水位准确度：10m水位变幅内95%测点允许误差为±2cm，99%测点的允许误差为±3cm；水位记录：内存容量≥128kb；记录周期：6min（可选）；数据传输：RS—232口，有线无线传输方式；显示：时间，水位；气源：氮气，具有恒压恒流装置；耗气量：＜5m L/min；电源：12VDC±10%，值守电流＜0.5m A，工作电流＜100m A；工作环境：气温－10～＋50℃，湿度93%RH（40℃时）；水流环境：流速0～3m/s；含沙量：0～10kg/m3；波浪高度：0～10cm；输出信号线应有防雷电措施。

3）仪器结构。恒流式气泡水位计由高压气瓶、仪器、吹气管、电源等部分组成，还可能有辅助气泵等设备。高压气瓶就是普通工业气瓶。因空气中有水分，故多数使用氮气。另外，在水下管口长期冒出带有氧气的空气，会形成各种水生物的干扰。氮气干净，也很容易获得，被普遍采用。仪器部分安装在岸上，它包括调压供气部分、恒流控制部分、压力测量部分、信号处理部分、显示记录输出部分。各部分组成因各种仪器不同而不同。吹气管是一根塑料软管，外径为5～10mm，内孔孔径为3～5mm。没有任何信号线和电源线。但入水管口会有相应的水下固定设施，方便在现场水下安装时的固定。有些旧式仪器功耗较大，可能需用交流供电，较新的仪器都能用蓄电池供电。

图2.15　非恒流式气泡水位计

（2）非恒流式气泡水位计。鉴于恒流式气泡水位计存在着固有的“吹气”误差，其系统结构中调压阀、恒流阀等机械部件在野外长期运行，受季节温度的变化影响需经常调节，导致长期运行稳定性不好。又需要配用高压气瓶，使用不便。随着传感器技术的发展，逐渐研制出一种称为“非恒流式”的气泡水位计。

1）工作原理。非恒流式气泡水位计外形如图2.15所示，它与恒流式气泡水位计的测量原理基本相同，均是通过测量水体的静压来反映实际的水位。但最大的不同之处在于它省去了调压阀、恒流阀等机械部件，不用高压气瓶而用气泵直接压缩空气。在气泵出口处装单向阀，在每次测量时，由单向阀使储气罐形成高压气室，吹入气管，当气管出口处水气交换面位于气管口时，测得水体静压并转换为水位值，非恒流式气泡水位计原理如图2.16所示。

图2.16　非恒流式气泡水位计原理图

根据静水力学原理分析，当气管向水体中冒出气泡时，气室的压力大于静水压力，而只有当气水交接面位于管口时，气室内的压力才恰好等于气管口的静水压力。那么，如何来确定测得的压强值恰好是气水交接面位于气管管口时的压强值呢？由于出气管口位于水下，现有的监测及传感方式无法对此状况自动作出判断，只能根据连续测量气泡水位计高压气室中压强的变化来求得它们之间的相互关系。

首先，先假设单向阀及其以下的储气罐，压力传感器及气管均气密、不泄漏。测量水位时，气泵首先工作，它产生的高压气体“吹通”气管，在水体中形成气泡，此时测得的压强值应大于静水压。气泵自动停止工作后，单向阀关闭。储气罐和气管在水中形成高压气室。随着气泡逐渐减少，高压气室的压力也逐渐降低。直至高压气室内压力和气管口静水压相同，不冒气泡，气室内压力也不再降低。采用单片机的控制线路密集采样气室压力，可以得到自气泵停止工作到水气压平衡时整个时间内的压力室压力变化曲线，如图2.17所示。

图2.17　压力室压力变化曲线

图2.17中t0为气泵开始工作时刻，其压力为上次测量时气管中的保持压力，应小于或等于现在的静水压力；t1对应于气泵停止工作时刻，而t2则对应于气水交接面位于气管口处不再出气泡的时刻，此时测得的压力值经换算对应于水位值。t2以后短时间内气管内压力不会变化太大。

通过在不同水位下的试验，可得到一组P—t曲线，它们具有如下特点：①不同水位下P—t曲线在逼近t2时刻的形态是相似的，虽然它们的压力绝对值不同，越接近t2，其压力变化越平缓。②一般测量时间间隔之间，水位变化不太大，随水位变化的气室的压力值的变化是有限的。

由此，可以得到以下结论：①通过单片机连续采样t2时刻前后数秒的压力值，与给定的误差阈值比较可以得到接近于水位真值的压力值。也就是说，当压力基本不变时，判断此值为水位真值的压力值，并可以通过设置不同长短的采样时间和误差阈值得到不同精度的读数。②由于吹气压力足够大，在“吹通”气管后气室压力下降的时间基本一致，也可以通过统一设置一个读数等待时间来得到水位值。③t2时刻的确定由实验获得，并可调。应用上述分析与结论，就可研制非恒流式气泡水位计。

2）主要技术指标。现介绍一种国产非恒流式气泡水位计的技术指标：水位变幅：0～15m；精度：3mm（≤3m）；0.1%（3～15m）；分辨率：1mm；冲洗压力：2.5kg/cm2；电源：8～16V（DC）；工作环境：－25～60℃；0～95%RH无凝结；测量时间间隔：1～60min，可调；输出：水位显示，RS232接口。

3）仪器结构。非恒流式气泡水位计由仪器、吹气管、电源组成。仪器内有气泵、储气瓶、压力测量部分、控制及数据处理输出部分。气泵和储气瓶都是微型化的，装在仪器箱内。由电池供电使气泵定时工作，压缩空气进入储气瓶并直接吹入吹气管。压力测量部分测量气室内气体压力。控制及数据处理输出部分控制仪器运行及进行数据处理。这类气泡式水位计都使用空气，有些产品需要一个除湿容器，对空气进行除湿过滤处理。有些产品还需要用另一台控制仪器与它配套使用，但多数产品能单独应用。吹气管和恒流式气泡水位计类似，电源都是蓄电池，所用气泵功耗很低，又是间歇短时工作，耗电不多。

3.振弦式压力水位计

振弦式压力水位计依靠一根钢弦来测量压力，再计测水位，所以也称为钢弦式压力水位计。这种仪器一直用于土工大坝的各种要求不高的压力测量。近年来，由于其性能不断提高，一部分产品被认为可用于水文测验。

（1）工作原理。一根张紧的弦线，在外力作用下，会发生一种有规律的振动。如一根琴弦，调整好它的张紧程度后，在人为拨动、打击、摩擦下就会产生这根琴弦应有的振动（频率），发出它应发出的声音。这就说明一根弦线的材质、形状确定后，它的固有振动频率只和它受到的张力有关，这就是振弦式压力传感器工作原理。不过此弦索是一根特殊钢丝，而水压力则是直接作用在此钢丝上的应力。水位变化造成水下压力的改变会直接改变钢丝上的应力，从而改变了钢丝的固有振动频率。测得此频率就能测得作用在上的水压力，从而测得水位。(www.xing528.com)

用振弦式压力水位计测量水位时，要将传感器安放在最低水位以下的测点，测得此测点压力再推算水位。测量原理和前述压力式水位计完全一样。必须注意的是：测到的压力不完全是水面以下的静水压力，大气压力影响没有消除。

（2）技术性能。包括对产品的基本技术要求和典型产品的技术介绍两部分内容。

1）对产品的基本技术要求。水文测验中尚未应用这类水位计，故无技术标准提出过对这类水位计的基本要求。土工大坝仪器大量应用振弦式压力传感器，有相应的标准要求。主要指标如下：压力测量范围：0～0.16MPa、0～0.25MPa、0～0.40MPa、0～1.00MPa，或更大，相当于16m、25m、40m、100m水位；分辨力：≤0.15%FS；输出频率范围：500～1000 Hz；综合误差：不大于2.5%FS；工作环境：0～40℃；电气特性：激振电压不大于160V，输出信号振荡幅度不小于100μV。从上述要求看，与水文要求差距较大。尤其是误差，明显不能用于水文测验。但是近年来国内外技术发展很快，已经出现了一些可能应用于水文上水位测量的产品。

2）典型产品的技术介绍。国内产品发展较慢，一些国外产品和国内生产的合资产品已经将振弦式压力传感器的技术水平提高到了能用于测量水位的程度。总的来讲，技术性能已能达到以下指标：水位测量范围：最小0～0.15m，具有米级、十米级的不同档次量程，最大可达35m以上；水位分辨力：最高为0.01%FS；水位准确度：±0.1%FS；线性度：最高±0.1%FS；传输距离：＞2000m；输出频率：400～6000 Hz。能达到这些技术要求的仪器已能适用于水文测验中的水位测量。但要注意，这是能达到的最佳状态。实际上测得的水位准确度还要受到传感器的零点漂移、温度漂移、时间漂移滞后等影响。没有消除大气压力影响，会影响测得的水位准确度。

（3）仪器结构与组成。仪器由振弦式压力传感器、检测仪表、传输电缆组成。振弦式压力传感器基本结构如图2.18所示。

传感器的核心压力感测元件是一根张紧的钢弦，钢弦边有激振线圈和检振线圈。安装在水下后，检测仪表发出的激振信号通过电缆传到激振线圈，会对钢弦产生一个激振力。而钢弦只会按它此时的张紧程度所决定的频率而振动。此振动在检振线圈中产生了一个与钢弦振动频率相同的频率信号。通过电缆，检测仪表接收测量此频率，就测得了水位。

图2.18　振弦式压力传感器基本结构图

1—透水石；2—膜片；3—激振线圈和检振线圈；4—电缆；5—外壳；6—钢弦

感应水压力的过程如下：传感器端部可能装有由用多孔材料制作的透水石，它的作用是只能透水而不会让其他沙尘、泥土进入。起到了既传递水压力又不直接和水接触的目的。其实，测量自然水体的水位时，不需要这一功能。大量的振弦式压力传感器用于土工大坝的检测，使用时要埋入土内，测量地下水位压力等各种参数，才需要安装透水石。水压力作用在感压膜片上。感压膜片是一很薄的金属平板，它的一侧接受水压力，另一侧中部连接固定钢弦的一端。钢弦的另一端固定在与感压膜片牢固连接的支承筒的另一端，这一端的钢弦连接可以调整钢弦的预张力。仪器生产时，调整好钢弦的预张力，使感压膜片承受的水压力为零时钢弦的固有振动频率为f0。当此振弦式压力传感器安放在水下工作时，水压力Pi作用在感压膜片上，使感压膜片产生微小的变形（内凹），此变形减少了钢弦的应力（张紧程度），也就改变（减少）了钢弦的固有振动频率。

钢弦的固有振动频率和钢弦张紧应力之间有如下关系：

式中：f为钢弦固有振动频率；σ为钢弦张紧应力；ρ为钢弦密度；L为钢弦长度。

可推算得，钢弦固有振动频率与所测外部水压力之间的关系为：

式中：Pi为i时刻作用在感压膜片上的水压力；K为传感器系数；f0为水压力为零时的钢弦振动频率；fi为对应于Pi水压力的输出频率。

用检测仪表检测出fi，就可按式（2.5）计算出所测水压力，再推算出水位值。方法和原理与压阻式压力水位计相同。制造商会提供每一传感器的K、f0值。

检测仪表通过电缆与传感器相连，一台检测仪表可以连接多台传感器。检测仪表发出钢弦激振信号，通过激振线圈使钢弦按当时的fi振动，检振线圈感应出相同频率的感应信号，再由检测仪表接收测出的fi数值。激振线圈和检振线圈可以是同一线圈，其激振和检振工作交替间歇进行，称为单线圈间歇振荡型。也可以将激振线圈和检振线圈分开，称为双线圈连续振荡型。

传输电缆是专用的。振弦式压力传感器输送的激振电流和输出的频率信号，可以传输较长距离，对电缆要求也不高，但要注意与传感器之间的密封。

2.2.4.3　压力式水位计的安装和应用

1.压力式水位计的安装

压力式水位计基本上都安装在没有水位测井的地方，安装的主要工作是沿河岸铺设引压管路和电缆，并要将压力传感器或吹气管口正确地固定在最低水位以下，还要处理好引压管路和电缆、压力传感器的保护问题。岸上仪器应安装在仪器房或仪器棚内，应处于通风、干燥、防尘、防虫的环境内。岸上仪器可安放在工作桌面上，也可以固定在墙上，没有水平或垂直要求。

（1）压阻式压力水位计的安装。

1）传感器或变送器的安装。压力传感器或压力变送器必须安装在被测水体最低水位以下。为消除波浪影响，可安装在被测水体最低水位以下一定深度。在砂质砾石河床，可埋于砂石之中；淤泥细砂质河床，可固定安装在水下矮桩上。必须保证压力传感器安装后，感压孔不被淤沙堵塞，不能受水流和人类活动影响而发生安装高程的变动，从而增加测量误差。还必须注意，任何情况下传感器的埋深都不得超过其最大静水压力允许值，传感器切不可碰撞、跌落、敲击。感应孔不应正对水流，以免受水流动压力影响。

2）通气电缆的安装。通气电缆可埋于河床表面以下，要穿入金属防护管，既可防雷电，又可免受水流及人类活动的破坏，延长使用寿命。电缆中的通气管直径很小，它的出口必须高出历年汛期最高水位。安装时最好将其出口端向下弯一下，使出口端口向下，以免灰尘水滴等杂物进入而堵塞。除此以外，通气电缆在整个长度内都要始终保证不小于5°的向水面下斜度，不能有负的坡度，更不能盘绕，避免中间积水。

在安装过程中要保证电缆表面不被锋利物件划损，水下通气电缆与传感器的连接部位切不可承受拉力，任何情况下通气电缆的通气口都应畅通。

3）传输电缆的安装。以在金属管中穿越埋设为好，这样既防雷又起到保护作用。通气电缆中包括四芯传输电缆和一条通气管，但这种特殊电缆较贵。为了节约经费，可以在通气电缆传出水面后另接普通四芯传输电缆。在陆上传输距离较长时，可以这样连接。

水位显示器和配套的数据传输装置或存储记录装置的安装。水位显示器和配套的数字传输或存储记录装置必须安置在干燥、通气和具有良好防雨淋的室内或仪器棚内，必须保证电源供应。

（2）气泡式水位计的安装。气泡式水位计的安装要简单些，因为进入水中的不是压阻式压力水位计所用的通气电缆和压力传感器，而只是一根塑料吹气管。岸上传输的也不是信号电缆，还是这根通气管直接连接到仪器上。吹气管口也要牢固地固定在水下某测点处。管口是感压口，在安装时和水流的关系有一定要求：①吹气管口最好安装杯式孔口（钟罩），安装牢固，不会移动；②吹气管要垂直于流速，不受流速影响，管口不会发生泥沙淤积；③吹气管在铺设时不要产生急转弯，沿途要始终保证不小于5°的向水面下斜度，不能有负的坡度，更不能盘绕。

恒流式气泡水位计附有高压气瓶，还可能有较大气泵，安装工作较多。

（3）振弦式压力水位计的安装。从结构组成、技术性能上讲，用于水位测量时，振弦式压力水位计的安装方法和压阻式压力水位计基本一致。环境要求低于压阻式压力水位计。传感器耐撞击、耐超压、耐温度性都优于压阻式压力水位计。没有通气管，可能需要另外安装测量大气压强的设施。

因为误差影响因素多。在使用中要多加检测、校正。传感器是不可拆卸的，没有维护要求。

2.压力式水位计的应用

（1）仪器的现场水位测量。安装完毕后，应检查各部分连接是否正常。按仪器说明书提供的功能检查方法逐项检查功能是否正常。

压力式水位计在出厂前应该已经经过水位测量准确性检定，此检定在室内水位试验台上进行。试验方法、设备和浮子式水位计一样。

压力式水位计安装后，以及使用一段时间后都需要检测其水位测量准确性。常用的现场检定方法有两种：①与实际水位值对照比测。这种比测要在不同水位值分别进行。如有较大误差，视原因不同，调整方法也不同。如修正基面水位预置值；重新设置一些参数，如水的密度；或者修正仪器线性等都是可能的方法。②仪器自我检测。不同水位计会有不同的自校方法，按各自的说明行事。这些自校修正方法是很容易实施的，有可能的话，应该经常进行。

（2）参数设置。正式使用前，要检查已置入的水位基准值、一些需置入的参数、时间设定是否正确。

（3）得到水位记录。压力水位计可以只有水位显示及输出接口，按其输出接口特点接上记录装置或遥测远传后才能得到水位记录。带有自动记录的压力水位计，基本上都是固态存储，可以自动传输或现场读取长期存储的水位记录。

2.2.4.4　压力式水位计的特点

1.压力式水位计的特性

压阻式压力水位计的最大特点就是不需要建水位测井，可以应用于不能建水位测井和不宜建井的水位测点，也适用于一些临时观察水位的地点。它的输出是易于处理的电模拟量，或者数字量，适用于自动化测量和处理。不足之处是水位测量准确度不稳定，影响因素很多，要可靠地达到水位测验准确度要求较为困难。不过，加上定期人为校核能控制误差的漂移。使用很准确的传感器也有提高准确度的可能，但都要增加工作量和费用。传感器长期在水下处于受压工作状态，缩短了压力感应片的工作寿命，这就很难使整个仪器能长期稳定工作。水下工作电路的水下工作环境也影响了仪器稳定性。

压阻式压力水位计适用于含沙量不大的水体，水位变幅也不宜过大，不适用于河口等受海水影响盐度会变化的地点。这一切都是为了保证其水位准确度的稳定性。不宜较长时间不进行检测校核，也不应对其有很高的水位测量准确度要求，除非是使用较高级的产品。

压阻式压力水位计可以测量冰盖下的水位，但如果将传感器冻住就会损坏传感器。

在压阻式压力传感器成熟应用前，用压力天平、波纹管作为压力感应器件。那时的恒流式气泡水位计成为压力式水位计的主要类型，在国外有较好的应用，是典型的无测井水位计。随着压阻式压力传感器的出现，压力传感器做到了小型化、集成化，可以方便地安装在水下测量压力，这时大量出现压阻式压力水位计。尽管恒流式气泡水位计也使用这种压力传感器测压，但已没有明显优势。由于其结构庞大，要有供气源，限制了它的应用。不过水下部分简单仍是其明显特点。仪器都在水上，所以稳定性较好。因为没有传输电缆，所以它的防雷和抗干扰性能很好。

我国研制过恒流式气泡水位计，不够成熟，也没有应用。国内有少量进口的这类气泡式水位计。从性能上讲，如果使用气泡式水位计，应该考虑使用非恒流式气泡水位计。

非恒流式气泡水位计是间断地工作的。有预置的时间间隔，如15min一次。到时间时，仪器自动工作，气泵启动，“打通”吹气管。然后气泵停止，测得并显示当时水位，然后再等待下一测量时间的到来。这样的工作方式带来一些明显的优点：首先是间歇性工作提高了测压传感器的稳定和可靠性，会提高测量准确度。其次，经常高压吹通气管使吹气管不会淤塞，保证了工作可靠性。它不需要较大气瓶供气，也不要更换高压气瓶，给使用带来了很大方便。这类仪器都是近期研制的，采用了全面的准确度自动修正、补偿措施，自动化程度很高。所以具有高精度、高可靠性、高性能的特点，适用于绝大多数地区。非恒流式和恒流式气泡水位计都可以很方便地用于冰下水位测量，只要将气管安装在水下就行。由于水下只是一根气管，就算冻结了也没有关系，只是测不到水位，不会损坏仪器。

这类仪器已有成熟的国产产品，应用效果很好。因为较为先进，价格较高。

2.准确度分析

压阻式、气泡式压力水位计仪器本身的误差由两部分组成：一是压力传感器的误差；二是压力传感器输出信号转换成水位数字的误差。但是，影响压力水位计测量精度的因素多，涉及面广。大气压力变化，波浪、流速、含沙量的变化，水体容重变化，压力传感器（或压力变送器）的品质因素，恒流源的质量及测量电路品质等都会影响到压力式水位计的测量精度。

（1）影响压阻式、气泡式压力水位计测量精度的因素分析及处理。计有以下9种因素分析处理：

1）大气压力变化对水位测量的影响。自然界的大气压力是随时间和空间的变化而变化的。大气压力随高度的上升而成指数关系降低。在一般地面上，每上升8～10m，大气压力大约降低100Pa左右（约相当于1cm水柱压力）；自然界大气压力也随季节和天气的变化而变化。在压力水位计研制、生产和使用过程中都要充分考虑到这种因素。基本上所有的压力水位计都将其压力传感器的背压面用通气管接通大气。在使用中必须注意此连通管的畅通，不能被杂物、积水或人为地堵塞。这样，压力水位计采用的压力传感器正压面和背压面所感应到的大气压力就可即时相抵消，消除了大气压力变化给压力水位计测量精度所带来的影响。否则，会产生很大的测量误差。极少数压力水位计不使用通气管，而是同时单独用一传感器测量大气压力。增加了复杂性，但是减少了通气管内积水以及通气管本身带来的问题。

2）波浪对水位测量的影响。由于波浪的衰减作用，它不会使深水处的静水压力产生相应的波动。一般认为在3倍的平均浪高水深处的静水压力就不会产生波动。波浪会使浅水处静水压力值产生同步波动，从而使压力式水位计的测量值产生同步波动。因此在压力式水位计的研制、安装和使用中要注意波浪的影响。要适当增加其阻尼，阻尼可以是机械阻尼，也可以是电气阻尼，也可是两者都有的混合阻尼。增加的阻尼不能太强，太强会影响压力式水位计的灵敏度，也就降低了水位计对水位变率的适应程度；但也不能太弱，太弱了压力式水位计克服不了波浪的全部影响。在实际使用中，若波浪较小，其压力传感器可以浅置；若波浪较大，其压力传感器要深置，深置是克服波浪影响的可靠方法。

3）流速对水位测量的影响。动水头压力若被引入到压力式水位计的压力传感器内的感压面，将会引起水位测量值偏大；若水流流线在压力传感器外表的引压口面处产生脱离现象，就可能出现负压，会引起水位测量值偏小。因此，必须采取适当措施减小流速对水位测量的影响。首先，选用的压力传感器的引压通道必须折弯两次或两次以上；其次，压力传感器外表的引压口面必须尽量平行于水流安装；第三，压力传感器的安装位置要避开较大的流速区。这三种措施必须同时具备两项或两项以上。

4）含沙量对压力式水位计测量精度的影响。含沙量的大小及变化将可能直接影响到压力式水位计的水位测量准确度。

压力式水位计的工作原理基于式（2.1）～式（2.3）。实测水位HW与静水压强p呈线性关系，与水体的容重倒数呈线性关系，也就是说，实测水位与水体容重γ有关。对于那些极细微粒径的泥沙，若将其视作可溶性物质来计算，则泥沙含量会使水体容重改变，测点的静水压力值也发生改变。根据计算，可用下式表达：

式中：Ps为考虑含沙量影响时的静水压力；H为压力传感器安置水深；W为含沙量，即实测水体每立方米含沙量的公斤数值。

式（2.6）是在取悬移质泥沙比重为2.65g/cm3时得出的。由于泥沙并非可溶性物质，所以实际上含沙量对静水压力的影响，并没有计算值大。其中0.00062WHγ可视为由含沙量引起的静水压力变化最大附加值。从式（2.6）得出下述结论：当含沙量为零时，Ps＝γH，说明测量值无含沙量影响；当含沙量相同，压力传感器置深H越大时，Ps的附加值就越大，说明含沙量对水位测量影响越大。当置深H相同时，含沙量W越大，Ps附加值也就越大，说明含沙量对水位测量影响也越大。在实际安装使用中就可以据此来采用相关措施减少含沙量对水位测量精度的影响。在我国绝大部分江河，含沙量不高时，压力式水位计的含沙量修正问题并不重要。含沙量大时，要对压力式水位计实测水位值进行含沙量修正。含沙量变化很快、很大时，水位测量误差较大。

5）压力传感器的零点漂移对水位测量的影响。压力传感器的零点漂移是指零点温度漂移和零点时间漂移之和。零点漂移量将直接转化为水位测量误差叠加到水位值上，所以必须认真处理。首先应选用零点漂移尽可能小的压力传感器，并采用有效的温度补偿措施。但这样可能使压力传感器相当昂贵，有时甚至昂贵到用户不能接受的地步。为此，可以通过适当的定期比测，人工修正“零点安置高程”，从而有效而又较为经济地解决压力传感器的零点时间漂移和零点温度漂移的问题。否则将会产生较大的累积误差，影响使用。

6）压力传感器的灵敏度漂移对水位测量的影响。压力传感器在“恒流”供电的情况下灵敏度漂移量较小，所以应尽量采用恒流供电。在选用灵敏度漂移尽可能小的压力传感器的前提下，还可采取上述通过现场比测的方法，来适当修正“零点安置高程”，解决灵敏度漂移的问题。

7）压力传感器的品质因素及其他因素对压力式水位计测量的影响。当前大多数压力式水位计都选用扩散硅集成压阻式压力传感器或压力变送器，其线性度、迟滞、重复性误差都很小，均能达到0.1%的精度，经误差合成后应能满足要求。

8）信号传输距离的变化对测量精度的影响。一般都是采用“恒流”供电、尽量提高信号接收端输入阻抗、尽量加大导线间绝缘电阻等三项措施来克服和解决这种影响。输出信号的数字化将完全避免掉这类影响。

9）水体含盐度变化对水位测量精度的影响。被测水体含盐或含有其他可溶性物质将引起水体密度变化，从而直接影响到水位测量。被测水体密度虽大但比较稳定时，本类压力式水位计仍可使用，在使用中应加以密度修正。水体密度在大范围内变化无常的少数特殊场合，本类压力式水位计只能慎重使用。

压阻式压力传感器或变送器送出的是电流电压信号，通过A/D转换为水位数字。转换中会产生一些误差，和上述一些误差因素相比较，这个A/D转换误差是很小的，包括恒流源误差在内，可以小于0.1%。水位读出分辨力往往已做到毫米级，但并不代表测量准确度也达到了毫米级。

（2）压阻式压力水位计的测量精度。外界因素的影响，例如大气压力、波浪、流速的影响可以经适当处理后减少或消除。含沙量和盐度的影响一般用限制使用场合的方法来避免和降低影响。一些好的仪器有水密度的调整措施，不过也不能适应于含沙量和盐度多变的地点。

压力传感器本身会有零点漂移，包括温度漂移和时间漂移，以及灵敏度漂移。还有压力传感器本身的线性度、重复性、迟滞等误差。这些误差变化很大，取决于压力传感器的品质。传感器分三级，实际发展很快，压力传感器主要指标见表2.3（数据供参考）。

表2.3　压力传感器主要指标

按照误差平方和合成总误差，估算总误差

即使准确度最高的三级传感器，在长期工作时，总误差将达到0.2%加上数字转换误差。水位误差会达到水位测验允许的上限，在10m水位变幅内，误差为2～3cm。压阻式压力水位计的误差影响因素很多，误差较大。在实际应用中，需要定时人工校测调整，才能保持一定的精度。当然，也有高精度的压力传感器，但价格很贵。压力传感器长期在水下受压工作，也影响了它的工作稳定性，增加了漂移和误差。在较先进的气泡式水位计中这些问题得到了部分解决，水位准确度得到了提高。

（3）振弦式水位计的准确度分析。形成误差的因素有以下5个方面：

1）温度变化。温度变化使各种结构零件的尺寸发生变化，使得钢弦的原始长度以及随水压力而发生的长度变化产生改变，最终影响钢弦应力和振动频率。温度还会影响材料的物理性质，使各种应力变形以及振动频率特性发生变化。

2）线性误差。钢弦的振动频率应该和承压膜所受水压力呈很好的线性关系。实际上必然有线性误差。此线性关系取决于承压膜变形与所受水压力的线性关系、承压膜变形与钢弦应力的线性关系、钢弦应力和振动频率的对应关系，这些关系都有线性误差，因而传感器必然产生线性误差。

3）重复性和滞后误差。一般传感器都会有此类误差。

4）材料特性。承压膜和钢弦长期受到应力作用，会产生疲劳、变形和弹性特性，使得原有压力—频率关系发生变化。

5）工艺因素。主要是钢弦的固定特性和预应力的施加、调校问题所产生的误差，这方面的制作工艺对产品的长期稳定性影响很大。

这些误差组成中有一部分是多数仪器所共有的，有的是振弦式传感器所特有的。从各误差组成的量值来看，振弦式没有什么改进。再加上振弦式所特有的误差，它的水位准确度不会高于压阻式和气泡式压力水位计。

2.2.4.5　压力式水位计的维护

1.压阻式压力水位计的维护

使用中除了有关注意事项外，主要维护工作是检测调整水位准确度。注意事项有以下6个方面：①压力水位计的传感器在运输、安装、运行及维修过程中切不可碰撞、跌落、敲击，不可接触腐蚀性液体和气体。②通气防水电缆在任何情况下都不可承受重压，不可接触锋利物体，严防护层破损。现场安装后，不能有随水流、波浪产生移动的现象。通气电缆和压力传感器连接部位不可承受重拉力。通气管要始终畅通，且不能进水。弯曲通气防水电缆时，必须使拐角处呈圆弧状。③岸上信号传输电缆不能重压、重拉。它要始终处于地屏蔽内或避雷装置的保护区域内。④现场运行中要始终注意各部位的防雷。⑤寒冷天水面结冰，已置于水面下的压力传感器可正常运行，但此时不要轻易将其提出水面。如果传感器内有水冰冻，会造成传感器芯体损坏。⑥温度变化过大（气温变化±20℃，水温变化±10℃）的环境中要及时注意比测，发现误差偏大时也要重新比测，以便及时修正测量成果。

2.气泡式水位计的维护

使用中最重要的维护是保证供气和吹气系统的正常运转：①整个吹气引压系统中的阀门、接头、仪表都要严格耐压止漏，并定期检查；②要始终保证高压气瓶的供气气压大于需测量的最大静水压强，至少大4～5m水头；③如应用空气，要有过滤和防积水措施。

使用时，要按要求置入各种参数。由于仪器较为先进，要求置入参数也可能较多，会有测量时间间隔、水密度数据、基面高程，也许还会有单位换算等。

需要使用空气去湿过滤装置的仪器要按要求装好和定期更换或烘干干燥剂。干燥剂的失效和气路漏气是维护中最应注意的问题。

这类水位计的水位准确度较高，一般只能通过室内检测才能发现问题。在野外和人工观测水位值进行比较，也可以验证其准确性。