超聲波水位計觀測值的系統(tǒng)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(shè)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(hù)而被大多數(shù)水文站使用，但建設(shè)水位測井費用昂貴或建設(shè)困難使其使用受到限制。近年來，我省先后引進(jìn)壓力式水位計、超聲波水位計等，經(jīng)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(jié)束。通過4個月的比測結(jié)果分析，首先肯定了此儀器的觀測精度，但觀測結(jié)果存在系統(tǒng)誤差，應(yīng)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(zhì)的區(qū)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(nèi)其誤差不大于3 cm。

當(dāng)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(jù)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(zhì)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(zhèn)，是輝發(fā)河水系三統(tǒng)河中游控制站，該站建于1955年。位置東經(jīng)126°09'，北緯42°27'。該流域位于我省中東部低山丘陵區(qū)，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(shè)水池，池底高程為98.50 m，在允許測量范圍內(nèi)。信號電纜地埋接入室內(nèi)。

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(jìn)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(jìn)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(jié)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(jié)論:

(1)共有15個測點水位差值大于0.04 m，最大誤差達(dá)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(dǎo)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(zhǔn)確，但存在系統(tǒng)誤差。觀測時隨時調(diào)整超聲換能傳感器的高程，消除系統(tǒng)誤差，可測得較準(zhǔn)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(nèi)存儲的觀測資料仍然存在系統(tǒng)誤差。從6月18日8時至7月17日20時系統(tǒng)偏大0.01 m;7月18日2時至8月12日20時系統(tǒng)偏大0.02 m;8月13日2時至8月19時20時系統(tǒng)偏大0.01 m;8月20日8時至9月21日20時無系統(tǒng)誤差;9月22日至9月30日系統(tǒng)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(guān)。原始資料輸出后，做相應(yīng)處理，所得資料較為接近真值，各項統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 各項統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié)論與建議

使用先進(jìn)的水位觀測儀器，是水文發(fā)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(jīng)常與水尺做對比觀測，校正傳感器高程，能夠減少系統(tǒng)誤差的影響，準(zhǔn)確記錄高程變換時間。若這些問題能夠解決，才能真正發(fā)揮該儀器的先進(jìn)性。