超声波水位计-水文现代化与水文新技术

超声波水位计是一种把声学技术和电子技术相结合的水位测量仪器。按照声波传播介质的区别可分为液介式和气介式两大类，分别以液体（水）和空气作为声波的传播介质。

2.2.5.1　超声波水位计的工作原理

1.超声波水位计的工作原理

声波在介质中以一定的速度传播，当遇到不同密度的介质分界面时，则产生反射。超声波水位计通过安装在空气或水中的超声换能器，将具有一定频率、功率和宽度的电脉冲信号转换成同频率的声脉冲波，定向朝水面发射。此声波束到达水面后被反射回来，其中部分超声能量被换能器接收又将其转换成微弱的电信号。这组发射与接收脉冲经专门电路放大处理后，可形成一组与声波传播时间直接关联的发、收信号，同时测得了声波从传感器发射经水面反射，再由换能器接收所经过的历时t，历时t乘以波速，即可得到换能器到水面的距离，然后再换算为水位。

根据声波的传播速度C和测得的声波来回传播历时t，可用下式计算出换能器离水面的距离H：

由换能器安装高程可以得到水面高程，也就是水位值。测量控制、计算以及必须的修正、显示、记录传输等工作由测量控制仪完成。

该水位仪间断定时工作，按预定设置的时间间隔测量水位。测得水位供记录显示，或供自动测报系统应用。时间间隔可选择设置，一般还具备超声波声速修正和防水面起伏的多次水位测值平均功能。

2.超声波水位计的组成

不论是气介式还是液介式，超声波水位计都应包括换能器、超声发收控制部分、数据显示记录部分和电源。将换能器和发收控制部分以及数据处理的一部分制作在一起，构成超声传感器，更便于应用于气介式超声水位计。也有些产品是一个整体结构的。所有产品都有标准数据输出接口，可用于自动化系统。

（1）换能器。液介式超声波水位计一般采用压电陶瓷型超声换能器，其频率一般在40～200k Hz之间选择；而气介式超声波水位计一般采用静电式超声换能器，其频率一般在数十k Hz。两者的功能均是作为水位感应器件，完成声能和电能之间的相互转换。为了简化机械结构设计和电路设计，并减小换能器部件的体积，通常发射与接收共用一只超声换能器。

（2）超声发收控制部分。超声发收控制部分与换能器相结合，能自动受控发射并接收超声波，从而形成一组与水位直接关联的发收信号。其发射部分主要功能应包括：产生一定脉宽的发射脉冲从而控制超声频率信号发生器输出信号，实现将一定频率、一定持续时间的大能量信号加至换能器。其接收部分主要功能应包括：从换能器两端获取回波信号，将微弱的回波信号放大，实现把回波信号处理成一定幅度的脉冲信号。高性能的超声发收控制部分应具备自动增益控制电路，使近、远程回波信号经处理后能取得较为一致的幅度。

（3）超声传感器。超声传感器是将换能器、超声发收控制部分和数据处理的一部分组合在一起的部件。它既可以作为超声波水位计的传感器部件，与该水位计的显示记录仪相连；又可以作为一种传感器与通用型数传（有线或无线）设备相连。

典型的超声传感器除了具备超声发收及控制部分的功能外，一般应具备：声速自动补偿功能；取多次测量平均值功能；将处理后的数据传送给二次仪表（显示记录仪或通用型数传设备）的功能。为了实现以上功能，超声传感器应是带微处理器的一种智能型传感器，使得此传感器可以接收设置，自动工作，取得水位数据。也可以受自动化系统控制，接收到遥测终端机命令信号后，即开机工作。

（4）显示记录仪。显示记录仪作为超声波水位计的数据显示、存储或打印终端。对于液介式仪器来说，由于只有换能器安装在水下，通过信号电缆与室内部分相连，所以该类仪器一般把其余部分均组合在显示记录仪中。也就是说，液介式仪器的显示记录仪还应该包含上述超声传感器具备的所有功能。但由于换能器与其发收电路部分之间的信号电缆不宜过长（100m之内为宜），因此常常把发收部分也并入传感器部分，这样可把传感器和显示记录仪放置在不同处，以便用于站房离水体较远的测量。显示记录仪主要功能如下：

1）控制功能。带有超声发收控制功能的显示记录仪应能定时控制超声传感器使其投入工作，然后接收传感器传送回来的数据。

2）数据显示存储功能。仪器能将测量得的水位数据处理成某基面以上的水位值加以显示，并以某种规定的格式进行存储。

3）通信功能。显示记录仪这方面的功能可能用于三个方面：一是通过电缆通信控制换能器工作，和接收换能器的测得信号；二是将储存在记录器内的水位数据记录由某种方式自动读出；三是将当时的水位或水位的变化值提供给遥测终端机应用。这些功能往往是同时存在的。

4）其他功能。包括人工预置参数功能、电源控制功能等。控制发送部分和记录显示部分常常结合在一起，它们的功能也是同时存在的。

3.超声波水位计的类型

换能器安装在水中的，称为液介式超声波水位计；而换能器安装在空气中的，称为气介式超声水位计，后者为非接触式测量。

2.2.5.2　超声波水位计的结构

1.气介式超声波水位计

现以一种国产的非接触超声波水位计为例，说明其工作原理、仪器组成等内容。

（1）工作原理。非接触超声波水位计以空气作为超声波的传播媒介，主要用于河流、水库、湖泊、渠道或水工建筑物的水位自动测量、记录、报警。也可在水情自动测报系统中配套使用。一种非接触超声波水位计外形如图2.19所示。

图2.19　一种非接触超声波水位计外形图

（2）主要技术指标。内容包括对超声波水位计的基本技术要求和一种典型的国产非接触超声波水位计的技术性能。

1）对超声波水位计的基本技术要求。①一般参数。水位测量范围。液介式：0.5～5m，0.5～10m（或更大）；气介式：0.8～5m，0.8～10m；水位分辨力：0.5cm、1.0cm；水位盲区：液介式不大于0.5m，气介式不大于0.8m；传感器耐压：不小于405k Pa（液介式）。②水位准确度。测量准确度：10m水位内不大于±2cm、±3cm（以静水面或固定基面为反射体）；重复性误差和再现性误差：为准确度的0.5倍和1.5倍；温度—声速补偿误差：在0～＋40℃范围内，补偿不完善引起的误差不超过准确度的1.5倍。③使用环境。液介式水下0～40℃、记录器－10～45℃，气介式：换能器－20～＋60℃，湿度为95%RH。④可靠性要求。MTBF＞8000h。⑤信号传输要求。输出：BCD码或格雷码数字输出，或电模拟量0～5V，4～20m A输出；应配置标准输出接口；信号传输线允许长度：液介式不小于100m，气介式不小于20m。⑥其他要求。应具备温度—声速补偿功能；应具备预置测量周期功能：最短测量周期为1min，最长测量周期为24h；应具有较强的抗电磁干扰功能；应规定仪器的流速、含沙量适用范围。⑦盲区。0.5～1m（由于换能器的物理特性及仪器的电气特性，不能测到离换能器太近的信号反射，也就测不到太近的水位，这个距离称为“盲区”。对水位计来讲，可以将传感器安装得离最近水面距离大于盲区的方法来解决）。

2）一种典型的国产非接触超声波水位计的技术性能。水位测量范围：0～2m、0～10m、0～20m，可达0～40m；水位分辨力：1cm；水位盲区：安装时预留盲区距离，不影响水位测量；水位准确度：10m水位变幅时±2cm；使用环境：－10～＋50℃；信号输出：BCD码，RS232C，传感器与控制器之间传输距离不大于100m；工作周期选择：1min、6min、…、24h多档选择；具有声速实时补偿；工作频率：20～100k Hz。

这种产品系列已能适应多种水位变幅测量场合，输出接口能很方便地用于水文自动测报系统。由于这类仪器必须安装于水位测点的上方，离岸会有一段距离，因此必须考虑好从传感器到岸上的数据、信号传输问题。仪器具有有线、无线传输配套设施。

（3）仪器的组成。此典型非接触超声波水位计由安装于水位观测点用于采集水位数据的超声波水位测量端机（声传感器）和安装在站房内用于接收和处理水位数据的后置机（数据接收处理机或测量控制器）两大部分设备组成。根据测量端机与后置机之间数据传送方式的不同，有无线型机和有线型机两种设备类型。无线型气介式超声波水位计总体结构示意如图2.20所示。

图2.20　无线型气介式超声波水位计总体结构示意图

无线型水位测量端机是自报式工作方式，由自身的上电控制电路按照设置的时间间隔，定时上电工作，将所测数据通过无线数据传送设备发送给接收处理机进行水位处理。

有线型水位测量端机的上电工作由测量控制器控制，测量控制器按照所设置的上电时间间隔，通过有线方式，定时控制水位测量端机上电工作，并接收水位数据进行处理。

1）水位测量端机。水位测量端机一般和超声波传感器、温度传感器等部件一起安装于测量断面现场，用于水位数据的测量和传送，主要有以下7部分构成：

a.超声传感器。该超声传感器收发共用，它将发射机以一定的工作频率加在其上的电信号转换为机械振动的声信号，声信号在空气中传播遇到水面反射回来，传感器接收到返回的声信号，又将声信号转换为电信号，作为接收机的输入信号。它实现了电能和声能的转换，又称为换能器。本仪器主要使用频率有21k Hz、25k Hz、33k Hz、41k Hz等。

b.温度传感器。在超声波测量中，空气介质的温度对声传播速度的影响十分灵敏，对于10m量程的测量，如果温度测量误差达1℃，仅此引起的测量误差可达3.7cm。因此，必须准确无误地测量实时环境温度，得到准确的声速，以保证水位测量的精度。数字温度传感器安装在一个类似百叶箱的装置里面组成了温度传感器总成。

c.电源系统。电源系统由12V镍镉蓄电池组、太阳能电池以及充电电路、稳压电源电路等组成。

d.超声波发射接收电路。发射电路控制超声传感器将电信号变换成机械振动的声信号发射出去。超声传感器接收到返回的声信号后，又将其变换成电信号，接收电路对收到的微弱电信号进行放大和处理。

e.单片机测量与控制系统。单片机系统是整个仪器的核心，它由单片机以及外围器件和系统测量软件组成，单片机通过执行程序指挥仪器进行工作。单片机内部的计时器用作测量计时器，测量软件在发射超声信号时开始计时，收到接收机的回波信号时停止计时；温度测量软件则通过接口启动温度传感器工作并接收温度数据；由计算与数据处理软件得到水位数据；一次水位测量完成后，由软件控制值班电路使系统掉电。

f.参数输入。通过按键置入或改变测量端机的工作参数，这些工作参数都保存在值班电路的固态存储器中，不会丢失。这些工作参数有：上电工作时间间隔、站号、绝对误差修正量、温度修正参数、日最低温度等。参数输入还用于修改仪器的工作时间时钟。

g.通信控制电路与输出接口。通信控制电路用于控制数传通信机的上电和数据发射；输出接口有485、232、TTL电平、电流环等，配合通信控制电路可以方便地与各种数传端机连接，或者扩展输出作为其他用途。

2）数据接收处理机及测量控制器电路。它们由以下7部分构成：

a.数据接收。无线型的数据接收部分由接收天线、数据接收机、解调器等组成，接收机收到水位测量端机通过数据传输电台发回的水位数据，经过解调器解调将数据信号送单片机处理。有线型水位测量端机发出的数据信号通过光电耦合隔离器件经光电隔离后送到单片机的串行数据输入口。

b.电源系统。

c.固态存储。具有64K的固态数据存储容量。

d.LCD显示器。(www.xing528.com)

e.输入键盘。通过这些按键可以对数据接收处理机进行参数设置、联机通信、数据查询、打印输出等操作。

f.输出接口。有RS—485、RS—232、TTL电平等串行输出口、12位并行输出口以及0～5V模拟输出。

g.报警输出。报警输出电路由音频放大电路、喇叭等组成，用于当水位达到或超过所设报警水位时发出报警声响。

2.液介式超声波水位计

液介式超声波水位计将超声换能器安装在最低水位以下，以水为超声波的传导介质。换能器与岸上控制部分以电缆相连，传输电源和各种信号。其他结构与气介式基本一致。

开始发展的是液介式超声水位计。由于温度自动修正问题难以很好解决，这种仪器一直未在国内推广应用。超声波在水中传播性能很好，这是先发展液介式超声水位计的主要原因。缺乏灵敏的温度传感器，自动化技术落后，也因为难以处理水体中声程上的水温变化对声速的综合影响，使得液介式水位计在国内没有实质性的应用。水下安装上的困难也是一大原因。后来，温度传感器和自动化技术发展很快，同时超声换能器也提高了性能，可以很好地在空气中应用，促进了气介式超声波水位计的发展。液介式超声波水位计的发展就缓慢了。

目前国内只有个别较成熟产品，应用不多。国外一些声学流量测量系统中用ADCP、时差法测量流速的同时，采用安装在流速测量传感器上的液介式超声波水位计测量水位。

国内较成熟产品技术指标。测量范围：单级0.5～10（15m），可联级（四个换能器）达到60m量程；盲区：≤0.5m；流速：≤3.0m/s；含沙量：≤10kg/m3；水温：0～＋40℃；工作气温：－5～＋50℃（普通型）；相对湿度：≤95%（40℃）；电源：12VDC（－8%～＋10%）/36AH可充电电池；功耗：守候电流≤7.6m A（3.6V守候电池提供），静态电流≤130m A（12V工作电池提供），工作电流（平均）≤300m A（12V）；固态存储记录；接口：RS—232—C标准通信接口；水温精度：≤±0.2℃；水位分辨率：1.0cm；水位准确度：在量程范围内，误差≤±3cm的置信水平＞95%；水位重复性误差：在量程范围内，误差≤±2cm；时钟误差：≤±2min/月。

2.2.5.3　超声波水位计的安装和应用

1.超声波水位计的安装

超声波水位计的安装包括传感器、电缆和控制部分三个部件的安装。电缆和控制部分的安装与压阻式压力水位计类似。气介式超声波水位计有可能是一个整体，安装时主要应符合传感器的安装要求。

（1）气介式超声波水位计的安装。气介式超声波水位计的安装地点应选择在最低水位时仍有一定水深的水面上方。如在陡岸边，有水利建筑物可利用时，可以在岸上建立支架，在伸出的横臂上安装换能器或整个仪器。如在河滩上安装，就应在河滩上建一牢固的支架塔，在上部横梁上安装。传感器的发射接收面高出最高水位的距离应大于仪器的盲区。发射接收面同样必须保证稳定的水平，允许倾斜的程度要符合仪器的要求。一体化的气介式超声波水位计可能有记录、遥测功能，并配有太阳能电源系统和通信设施。有时还要单独安装测温传感器和其他温度声速修正设施。各种产品对这些安装都会有具体的要求。

安装在滩地上的气介式超声波水位计，它的安装支架塔会直接受到洪水的冲击，其基础和强度要充分考虑到这些因素。不管安装在何处，高出地面的安装支架必然易受雷击影响，必须考虑好防雷措施。如果条件允许，还应有遮阳挡雨的设施。

超声换能器发射的声波束会有一定的散射角度，称为波束角。波束角可能在约2°～10°之间的范围内变化，由工作频率和换能器性能而定，要从产品说明上了解波束角的数值。安装时，要保证换能器发射方向上此波束角范围内的圆锥空间内没有任何阻挡反射体。

（2）液介式超声波水位计的安装。液介式超声波水位计的传感器要安装在水下。应该按产品的要求，在水底修建符合要求的带有底脚螺丝的水泥平台或者打下符合要求的安装桩。传感器安装在底脚螺丝上，或者用专用夹具固定安装在安装桩上。传感器的发射接收面必须保证水平，倾斜度不能超过规定（一般规定是3°～5°）。发射接收面低于最低水位的距离应该大于仪器的盲区（一般是0.5m左右），以保证测量的水位不受仪器的盲区影响。传感器安装处的水流流态不能太紊乱，也不应发生淤积。

2.超声波水位计的应用

（1）仪器的现场水位测试。现场安装完毕后，应检查所有连接是否正确、安装是否牢固。按照仪器说明书提供的功能检查方法检查各功能是否正常。

测量水位，与实际水位比较，确定超声波水位计的水位测量准确性，同时确定超声波水位计传感器的基准高程。

（2）参数设置。在超声波水位计工作前要设置一些参数，如测量时间间隔、传感器基准高程、某些修正系数、工作状态、站号等。有些系数要在检查仪器功能和水位测量准确性前就输入。

（3）水位记录显示。从仪器的显示可以看到当前水位，从配有的固态存储记录可以得到水位记录过程。从遥测中心控制机，或配用的计算机中也可得到和存储水位记录。

2.2.5.4　超声波水位计的特点

1.仪器的特点

超声波水位计是无测井水位计的一种，具有无测井水位计的特点。和液介式相比较，气介式超声波水位计最大的特点是实现了非接触式测量。在测量水位时，气介式超声波水位计和水体没有接触，所有仪器部分放在空气中，带来以下明显的优点：

（1）避开了水下环境。既没有水下安装的麻烦，又可不考虑水下环境对仪器使用的影响，可以用于对流速、水质、含沙量都不加任何限制的场合。这个特点是所有压力式无测井水位计所不具备的。

（2）降低了对仪器的适用性要求。如密封耐压性要求、形状要求，设置参照反射体进行自动修正的限制等。

（3）有利于提高仪器性能。在空气中安放，有利于仪器将换能器和发收控制部分制作成一整体。空气中的环境也有利于提高仪器功能和准确性。

气介式超声波水位计主要用于不宜建井，也很难架设电缆、气管到水下的场合，例如河滩、浅水等地区。流速较大、含沙量变化大的水体宜选择非接触式测量，这是一种常被选用的仪器。

水体较深、水位变化很大的地点可以考虑应用液介式超声波水位计。选用时要考虑到水下部分的安装维护、水流影响、水位测量准确度等要求。

超声波测量仪器在测量范围上有一个“盲区”，这是因为超声波发射脉冲具有一定的脉宽，而换能器一旦受迫振动，其机械惯性将使发射波再持续一段时间才逐渐消失，即发射波束必定有一定的时间宽度。只要回波落在发射波尚未完全消失的时间区间并且又无明显的幅度优势时，接收电路就无法将其检测出来。通常称这一测量死区为“盲区”，即测量范围的下限。对于液介式仪器，其盲区指标一般小于0.5m；对于气介式仪器，一般小于0.8m。仪器的超声波工作频率越高，其盲区越小。但频率越高，超声波的穿透能力越差，能测得的水位（水深）范围会越小。所有声学仪器都存在盲区。

声速变化是影响超声波水位计测量准确度的主要因素。一般液介式仪器在10m量程内其误差不会优于2cm；气介式仪器在同样量程范围内其误差不会优于3cm。

2.超声波水位计的水位测量准确性影响因素

（1）温度影响。根据超声液位测量公式H＝CT/2，其中，声速C的变化将直接影响测量准确度。

对于液介式超声波水位计来说，水中声速主要随水温、水压及水中悬浮粒子的浓度而变化。在含沙量不大（30kg/m3以下）的江河水库中应用时，如果采用的超声波工作频率较高（200k Hz及以上），那么主要应考虑的是声速随水温的变化。对于4～35℃的水温变化范围，声速的变化量约为6%，温度变化1℃，声速变化约为0.2%。

对于气介式超声波水位计来说，空气中声速主要取决于气温、相对湿度和大气压力。根据有关资料，对于0～40℃的气温变化范围，声速的变化量约为7%，声速可用C＝331.45＋0.61t（m/s）来估算。对于10m水位量程的测量，如果温度测量误差达1℃，引起的水位误差可达2cm。对于0～100%（25℃标准大气压下）相对湿度的变化范围，声速的变化量约为0.3%；对于0～2km的海拔高程变化范围，声速约变化0.89%。这些数据说明影响空气中声速变化的主要因素是气温。

从以上分析可以看出，如果不把超声波水位计施测时段当时的声速通过直接或间接的方式测量计算出来，仅以仪器中预设的固定声速来计算水位测量值，那么仪器的测量准确度是很低的。因此，超声波水位计的测量准确度主要取决于其温度—声速自动修正措施的完善程度。而且要每变化1℃以下就要进行一次补偿。

（2）测量电路影响。超声波传感器中的测量电路本身也可能引入一些误差。它包括时钟频率的稳定度、计时电路可能有的±1个信号计数误差、回波信号强弱变化而引起的回波脉冲前沿的滞后等。一般时钟电路的频率稳定度很高，所以其影响完全可以忽略。计时电路±1个信号的计数误差也完全可以忽略。而对于因为回波信号强弱变化造成回波脉冲前沿的不同滞后程度所引起的测量误差，要加以了解。性能优良的电路能使接收电路检波器在回波信号的第一周或第二周就检出回波而生成回波脉冲的前沿。对于超声波工作频率为50k Hz的气介式仪器来说，一个周波的时间为20μs，而1cm水位变幅的时间当量约为60μs，因此滞后一个周波检出回波脉冲前沿会造成水位测量值偏大0.33cm。对于超声波工作频率为200k Hz的液介式仪器来说，一个周波的时间为5μs，而此时1cm水位变幅的时间当量约为13.5μs，即差约0.4cm。根据以上分析，说明传感器测量电路本身引起的误差与声速变化引起的误差相比还是可以忽略不计的。

（3）波浪影响。超声波水位计不需建造水位测井，直接在自然水面上测量水位。但自然水面必然有波浪影响，不易感测到正确水位。仪器要有防浪测量功能，通常是仪器应具备在每次水位施测时进行多次测量并取水位平均值的功能。

为便于处理，常将所有测次的数据按大小进行排列，去除若干个最大的和若干个最小的数据，再将留下的数据取平均值，这样处理后取得的数据应能较好地代表实际的水位，称为“中值平均法”。

由上述分析可知，影响最大的是温度对声速的影响，必须有自动修正措施。常用方法有直接测温法、固定距离参照反射法等。

1）直接测温法。这是很常用的方法。在超声换能器上，或在其近距离处单独安装一温度传感器测量水温或气温。根据测得的温度值计算得到当时的超声波速，用于计算水位值。这样，仪器就能自动实时地进行温度—声速修正。整个工作过程由仪器自动进行，也很容易实现。

此方法也有一些缺点。首先，测得的是某一点的温度，很难代表整个声程中的水、气平均温度，安装在换能器上的温度传感器更不能代表整个声程的平均温度。其次，一些其他影响因素，如湿度、气压、风、水密度、水质等影响未加考虑。

2）固定距离参照反射法。这种方法是在声程中距仪器发射面一固定距离处，设置一很小的固定反射体。此参照反射体与仪器发射面距离为Dr。实际测水位时，仪器将分别接收到该反射体和水面的回波信号。从而计测到参照反射体距离Nr和测得水位Ns。如实际水位为Ds，则，整理后得：

整个过程由仪器自动完成。此方法能修正包括温度在内的各种综合影响，修正比较完整，修正准确度也较高。在气介式仪器上设置一反射物是比较容易的，在液介式上设置参照反射体会受水流、漂浮物、附着物影响，就不太合适了。设置参照反射体的气介式水位计要注意其反射体形状、稳定性。有时要考虑其上结露、冰霜的影响。此方法用一小段声程代表全部声程，肯定优于用一点来代表。但与全部声程相比，仍有代表性问题。

2.2.5.5　超声波水位计的维护

经常检查换能器和天线（如有的话）的安装牢固性和方向准确性，检查其他部件的安装是否牢固，注意保证仪器的使用环境符合要求。检查电缆的工作状况和保护状况，连接是否可靠。

影响超声波水位计准确度的因素较多，而且温度影响很严重。虽然肯定有自动修正功能，但水位误差仍然会比较大，所以在使用中要定期校核水位。

水下的换能器发射面向上，易被沉积物覆盖。气介式的仪器装在高架上，它们还会受水草、水生物、鸟类、昆虫的遮盖、附着、筑巢影响。冬季的冰霜附着会严重影响气介式超声波水位计的工作。