提高超声波水位传感器测量精度的方法VIP免费

第31卷第4期⒛11年8月水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGYⅤo1.31No.4Aug,2011提高气介式超声波水位计测量精度的探讨黄新建,周五一(浙江省水文局,浙江杭州310009)摘要:分析了影响气介式超声波水位计水位测量精度的各种因素,提出了消除这些影响因素的对策措施。其中,对超声波水位计测量回波因距离、反射角和发射面的变化带来的误差进行了分析,提出了一种利用数字采样技术对超声波测量回波前沿进行分析补偿来提高测量精度的方法。采用该技术的气介式超声波水位计在回波信号强弱变化时,数据重复性明显提高,使较短时间的采样就可获得较好测量精度,适合野外功耗要求小而采用间歇工作的方式。关键词:超声波水位计;坝刂量精度;误差分析中图分类号:P335文献标识码:A文章编号:1000-085π2011lO4-0071-05水位。声波脉冲发射过程中换能器机械惰性占用了一定的传输时间,使靠近超声波换能器的一小段区域内声波不能被接收,这个区域称为盲区。盲区大小不会影响盲区外的测量,因此与测量精度无关。探头由于气介超声波水位计价格低廉、安装方便、无需测井、与水质状态无关而在水位测量中被广泛应用。特别是在容易淤积的河道、海岸和不易建设水位测井的地方,更能显示出它的优势。由于气介式水位计通过气、水两种媒介测量水位,因此对测量精度的环境影响因素较单一介质要多、要复杂。本文分析了这些影响因素,并就如何消除其影响进行了探讨。1测量原理超声波水位计利用声波传播的特点来进行水位测量,超声波探头(换能器)发出一个超声波脉冲,并检测它被水面的反射回波。声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比,其关系为:图1超声波水位计水位测量示意图Fig.1Themeasurementoftheultrasonicwaterlevelgauge2影响测量精度的因素与对策从公式(2)可知,影响超声波水位计水位测量精度的主要因素是声速与传播时间,除此之外受风浪影响产生水位波动等也会造成测量误差。2.1空气温度因素声音在空气中的传播速度y不是常数,它与温度收稿E彐期:2010-I1-02作者简介:黄新建(1%3-),男,浙江温州人,高级工程师,从事水文遥测、观测设备的研发、建设、维护等工作。周五一(19~s3→,男,浙江临海人,教授级高工,从事水文测报系统研发等工作。E-mai⒈zlooks@163c【,mL=C÷式中:L为探头到被测水面的距离(m);C为声速(m·sd);r为声波的传播时间(s)。由于超声波行程是从探头到水面再返回探头,所以实际距离需除以2。当探头的安装高度为fr时(见图1),水位z可以用下列公式表达:豕〃Z^或圣〃￡手(2)因此,只要能准确测量距离E,就可以得到准确的水文第31卷有关,其公式为:/=331.45+0.607T(3)式中:Γ为声音传播途径中的空气温度(℃)。从式中可知若在10m的距离中,温度误差1度可造成约1.Stim的测量误差。因此,利用公式(2)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内,温度测量的分辨率应达到0.1度。有一种方法可以使测量与温度无关,就是在探头前L1的位置设置一个水位传感器水位标定针,如图2所示。那么被测距离可以用下式表示:△午莎⑷式中:J1为超声波到标定针L1位置的传输时间(s);J是超声波到被测水面(水位)的传输时间(s)。由于超声波传播距离与时间成正比,所以L汕等于莎1饣。此种方法对标定针L1的测量要求很高。如果标定针设在0.5m处,那么L1的测量误差5mm,在10m的水面测量误差就会达到10cm。由于集成电路技术的发展,精确测量温度变得越来越容易,所以现在较少使用这种方法。探头图2水位传感器水位标定针示意图Fig2Thecalibrationneedleforwaterlevelsensor2.2水面波动因素由于使用超声波水位计测量通常不建水位测井,因此,测量易受风浪、船行波等的影响。起伏的水面不但使水位变化,而且使超声波的反射方向发生改变,从而减弱超声波回波信号,如图3所示。一般由风浪引起的水位变化均有周期性,利用这一特点可以采用在一定时间内,多次采样后求平均来图3水面有波浪时超声波反射情况Fig3Ultrasonicwaverenecti。n。fwatersulface使测量值接近真值。采样的时间越长,采集的数据越多则测得水位越精确。为了消除船行波等造成水面不规则升降变化的影响,也可以将采样的数据进行排序,去掉最大和最小的一部...