超声波水位计在沙港水库中运用分析

超声波水位计在沙港水库中运用分析



1超声波水位计
1.1工作原理YDZ-YL9型超声波水位计安装于被测液面上方，以空气为介质，在电子单元的控制下，探头向被测面发射一束超声波脉冲，声波遇到液面后反射，部分高能量反射回波由探头接收后转换为电信号。从超声波发射到重新被接收，其时间与探头至被测面的距离成正比；由电子单元检测记录该时间并根据当前声速（温度修正后）计算出被测距离，然后将液位高度转换为4-20MA电流信号或1-5V电压信号输出；也可通过RS485串口、Hart、GPRS等通信方式传输至后台控制中心。水位计中数据处理单元上的参数可根据实际需要设定任意测量时间间隔、存储间隔和显示间隔，可随时查阅历史水位数据，使用快捷方便；测得的水位数据通过测报软件由微机直接批量读取，整编速度快；超声波水位计的测量原理如图1所示。
1.2设备组成与技术指标前端采集与传输设备组成：YDZ-YL9型超声波水位计、测量端机、太阳能电池板、蓄电池组、超短波电台、天线及相关附件。主要技术指标见表1。
1.3主要特性水位计采用数字化信号处理技术，精度高至0.15%；具有液位、距离互换功能，电流输出零点、满度校正功能；内置自动温度补偿单元，在空气中满量程范围内无精度下降；声束发射角小于10°，能量集中；具有LED液位、RS485网络地址、温度、收发电路状态、通信波特率显示、当前测量状态指示；多种信号输出（4-20MA、RS485可选、高低报警输出）方便用户选择使用；多种输出模式（主动设定间隔输出、被动应答输出）。
1.4安装与调试水位自动测报系统由安装在前端观测点用于采集水位数据的超声波水位测量端机和安装在中心机房内用于接收和处理水位数据的通信处理机两大部分组成。系统的测量前端（包括超声波传感器、蓄电池、超短波电台和天线、立杆、其他附件等）直立安装于水库岸边测验断面6m长的钢支架上；通信处理机安装在中心机房内。前端设备的安装选址选择在水库基本水尺断面靠近主流的岸边，立杆安装的方式充分利用了原有建筑物以减少投资，能完全满足最高水位与最低死水位的观测要求。
2比测资料分析[1-6]
2.1沙港水库简介沙港水库位于荆州市荆州区川店镇西北4.2km处，坝址在川店镇三界村，拦截沙港溪流坝址以上来水面积12.78km2，总库容1416万m3，水库工程建于上世纪70年代初期，是1座担负着防洪、城市供水、灌溉等综合利用任务的中型水库。沙港水库枢纽工程由大坝、冲沙泄洪洞和灌溉输水洞等建筑物组成。大坝为均质粘土坝，长1450m，坝顶高程78.00m，宽5m；大坝由东坝和西坝组成，上游边坡1∶3.25，为预制块护坡，下游边坡为1∶2.5-1∶2.75，内平台宽15.00m，高程为61.59m；沙港水库坝址以上集雨面积12.78k㎡，主河流长4.3km，坝址上游河床平均坡降为5.4‰。，水库正常水位69.50m，相应库容775万m3，总库容超过1416万m3。水库日常为静态蓄水状态，水面清澈，水位起伏稳定，便于人工观测；该地区梅雨季节与汛期气候对水库水位涨落影响均不大：汛期时该地区洪水主要由暴雨形成，暴雨持续时间一般为24h左右，流域内年降雨量约650mm。
2.2逐时水位对比设置于沙港水库的YDZ-YL9型超声波水位计自2011年7-10月与人工观测的水位数据资料进行比对，比测水位级60.50-68.24m。采集比测数据共920个：表1、2为2011年7月8日和8月8日逐时水位实测对比数据。通过表1、2数据对比分析，可以看出24h中的不同时刻由超声波水位计测得的逐时水位与人工观测的逐时水位基本吻合，仅个别时段比测数据出现微小偏差，分析误差产生的原因主要有以下几点：①比测期间正逢降雨，水面风力较大导致波浪起伏频繁，给超声波水位计的测量和人工测量读数造成一定影响；②水面漂浮物影响了超声波水位计的测量精度；③测量期间恰逢水库开闸放水供农田灌溉，水库水位的动态下降变化较明显，对超声波水位计的测量和人工读数也造成一定影响；④人工观测也存在一定的误差。2.3结果分析为保证水位观测资料的准确性，根据《水位观测标准》的有关规定，该测点超声波水位计与校核水尺进行了3个月的比测，比测结果见表3。从表3统计的逐时水位分析，误差在+2cm的有3次，出现机率为0.33%，误差在+1cm的有51次，出现机率为5.54，误差为0的866次，出现机率为94.13%；总体看来，正负偏离微小，不存在系统偏离现象；时钟误差3个月累计为10s，系统误差为0，置信度水平95%的综合不确定度为0.26cm；根据《水位观测标准》规定的精度要求：水位观测置信度水平达95%时，综合不确定度控制在3cm范围之内，沙港水库超声波水位计2011年采集到的水位数据资料精度完全符合规定要求。
3结语
YDZ-YL9型非接触式超声波水位计具有无需建井、便于安装、自动温度补偿、观测精度高、自动摘录、自动存储转发、性能稳定及无人值守等特点；通过对沙港水库水位比测分析，该水位计采集的水位数据资料完全符合《水位观测标准》规定的精度要求。在使用中还需注意以下事项：
（1）在水位计观读范围内使用，随时检查仪器运行情况，出现故障随时排除；
（2）使用期间每日定时进行比测，霉雨期及汛期增加比测次数。自记水位与人工观测水位误差超过2cm时应及时修正；对时钟应经常校对，以确保采集资料的准确无误；
（3）水位计自记摘录应按《水位观测标准》中的要求进行摘录，应能反映水位变化过程，又能满足电算整编要求；
（4）掌握正确的维护和保养方法，延长仪器使用寿命。