超聲波水位計觀測值的系統誤差分析

曲忠艷，曲 鑫，王 穎

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

測量水位的儀器很多，水文測驗中常用的水位測量設備有水尺、接觸式水位測量裝置(水位測針、懸錘式水位計)、浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計等。

由于浮子式水位計簡單可靠，精度高，易于維護而被大多數水文站使用，但建設水位測井費用昂貴或建設困難使其使用受到限制。近年來，我省先后引進壓力式水位計、超聲波水位計等，經過幾年的對比觀測分析，超聲波水位計觀測精度較高，操作簡單，并且造價低廉，今后會有更多水文站將使用超聲波水位計觀測水位。

樣子哨水文站于2004年5月安裝了某型超聲波水位計，對比觀測于5月27日開始，10月初結束。通過4個月的比測結果分析，首先肯定了此儀器的觀測精度，但觀測結果存在系統誤差，應引起注意。

1 超聲波水位計工作原理

超聲波水位計按照聲波傳播介質的區別可分為液介式和氣介式兩大類。氣介式水位計在10 m量程內其誤差不大于3 cm。

當聲波在空氣中傳播遇到水面后被反射，儀器測得聲波往返于傳感器到水面之間的時間，根據聲速計算距離，再用傳感器安裝高程減去其所測至水面距離即得水位。公式表示為:

式中:C為聲波在空氣中的傳播速度;t為聲波往返于傳感器至水面之間的時間;H為超聲傳感器至水面的距離;H水為水位;H傳為聲傳感器安裝高程;T為空氣介質的溫度;其中測量范圍為0.5～10.0 m;工作溫度為－25～45℃

2 測站概況

2.1 測試實踐

樣子哨水文站位于輝南縣樣子哨鎮，是輝發河水系三統河中游控制站，該站建于1955年。位置東經126°09'，北緯42°27'。該流域位于我省中東部低山丘陵區，地形地勢屬于長白山余脈，海拔高度一般在500～1 000 m之間，流域形狀呈樹葉形，集水面積為1 957 km2。

2.2 超聲波水位計的安裝

超聲換能傳感器安裝在鐵管支架上，安裝高度為106.00 m，下方挖設水池，池底高程為98.50 m，在允許測量范圍內。信號電纜地埋接入室內。

2.3 對比觀測分析

選取6月1日－9月30日對比觀測資料進行分析，共有觀測點413組。以水尺人工觀測水位作為約定真值對超聲波水位計觀測的水位進行分析。首先編制水位對比觀測表、點繪水位過程線圖。

附圖:節選7月份水位對比過程線圖。

圖1 樣子哨水文站水位過程線圖(7月)

通過對圖表的分析，得出以下結論:

(1)共有15個測點水位差值大于0.04 m，最大誤差達0.12 m。水位大多在99.05 m以下。由于挖水池時下面是巖石，導致水池液面較小，影響了水位計在低水時的測驗精度。

(2)水位在99.05 m以上時觀測值比較準確，但存在系統誤差。觀測時隨時調整超聲換能傳感器的高程，消除系統誤差，可測得較準確測量值。但水位計只能存儲一個高程值，其它存儲值為歷次測量的水位差。觀測的水位是由傳感器高程減水位差所得，所以儀器內存儲的觀測資料仍然存在系統誤差。從6月18日8時至7月17日20時系統偏大0.01 m;7月18日2時至8月12日20時系統偏大0.02 m;8月13日2時至8月19時20時系統偏大0.01 m;8月20日8時至9月21日20時無系統誤差;9月22日至9月30日系統偏小0.01 m。這種誤差按時序由低到高再回落，可能與氣溫變化有關。原始資料輸出后，做相應處理，所得資料較為接近真值，各項統計結果見表1。

表1 各項統計結果

3 結論與建議

使用先進的水位觀測儀器，是水文發展的必然趨勢。樣子哨站于2004年5月安裝了超聲波水位計，通過4個月的對比觀測，驗證了該儀器的可靠性，使用該儀器能夠滿足水位觀測要求。由于溫度對傳感器影響較大，建議隨著溫度的變化做好傳感器高程的校核工作，經常與水尺做對比觀測，校正傳感器高程，能夠減少系統誤差的影響，準確記錄高程變換時間。若這些問題能夠解決，才能真正發揮該儀器的先進性。