非接觸式水位計校準(zhǔn)裝置的研制與應(yīng)用

史占紅，戚珊珊，林 儀，郝 寧，周川辰

（水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

水位監(jiān)測是水文監(jiān)測中最基本的監(jiān)測要素之一。常用的水位測量儀器有浮子式、壓力式、超聲波、雷達(dá)等水位計。浮子式水位計結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確性好，價格低廉，在國內(nèi)水文測站大范圍使用，但需配建水位測井。近年來，隨著國家防汛防旱工作對中小河流水文監(jiān)測的要求不斷提高，水位測量傳感器也由早期的簡單型、單一型發(fā)展為數(shù)字型及智能型。近幾年從國外引進(jìn)的雷達(dá)水位計等非接觸式水位計，技術(shù)成熟，測量精度高，易安裝，而且不受環(huán)境、地理的限制，因此在水利行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，目前國內(nèi)非接觸式水位計的各類產(chǎn)品也迅速發(fā)展[1]。

作為水位要素的測量儀器，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性對國家防汛減災(zāi)及實行最嚴(yán)格的水資源管理等工作都具有非常重要的意義。目前對于浮子式、壓力式水位計的實驗室校準(zhǔn)最常使用的是十米水位試驗臺，十米水位試驗臺一般由水位測井、給排水和標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)等組成，通過升降水位測井內(nèi)的水位模擬水位計的實際工作場景，并由高精度水位測量系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)水位數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)水利、交通、海洋等行業(yè)都已建有該類型檢測裝置。

十米水位試驗臺可對浮子式、壓力式水位計進(jìn)行有效的校準(zhǔn)，但對非接觸式水位計的校準(zhǔn)有一定的局限性。一般測井內(nèi)徑為 1.2 m，測量有效高度為 10 m，可適應(yīng)波束角α≈ 6° 以內(nèi)的非接觸式水位計。然而，水文系統(tǒng)中常用的雷達(dá)及超聲波水位計的波束角多為 12°，以 10 m 有效測量范圍計算，所需最小測井內(nèi)徑D= 10×tan 6°×2 ≈ 2.1 m，十米水位試驗臺顯然無法滿足其校準(zhǔn)需求。為保證非接觸式水位計測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性，研制一種新型的非接觸式水位計校準(zhǔn)裝置（以下簡稱新型校準(zhǔn)裝置）是十分必要的。

1 非接觸式水位計測量誤差的分析

非接觸式水位計的工作原理是，利用波的反射作用，通過反射時間及波速計算出水位計探頭與水面的距離，根據(jù)現(xiàn)場水位基值，得到測量水位數(shù)據(jù)。距離計算公式為

式中：Z為水位計探頭至水面距離；v為聲波、電磁波或光波的傳輸速度；t為水位計探頭發(fā)出到接收回波的時間。

根據(jù)超聲波、電磁波、激光 3 種波的傳播特性，電磁波與激光的波速穩(wěn)定，基本不受外界氣候因素的影響；超聲波波速受氣溫、相對濕度和大氣壓力等外界環(huán)境因素影響較大，經(jīng)試驗及實際應(yīng)用證明，氣溫是影響測量精度的最主要因素，由此產(chǎn)生的聲速變化量約為 7%?，F(xiàn)有的超聲波水位計需要同時進(jìn)行溫度測量，用來修正水位值。但超聲波水位計內(nèi)部的溫度測量點(diǎn)無法完全表征聲波測量路徑的平均氣溫，對于 10 m 量程的測量，如果溫度測量誤差為 1℃，引起的水位誤差可達(dá) 2 cm[2]。

非接觸式水位計的安裝水平度也是造成測量誤差的重要因素，安裝時應(yīng)盡量確保水位傳感器發(fā)射波束與水面垂直。如安裝不當(dāng)或由于環(huán)境因素（如大風(fēng)）致水位計支架擺動，使水位計產(chǎn)生傾角θ，則會對水位的測量產(chǎn)生一定的誤差。安裝誤差示意圖如圖1 所示，當(dāng)水位計發(fā)生傾斜時，測量值為Z1，而實際的垂直距離為Z0，兩者之間的誤差 ΔZ為

圖1 安裝誤差示意圖

當(dāng)水位計量程為 10 m，發(fā)生 5° 傾角時，可以計算，測量誤差最大將達(dá)到 3.8 cm，且測量范圍增大，測量誤差將會更大[3]。

此外非接觸式水位計波速角如果過大，易受到周邊障礙物的干擾，也會造成水位測量的不準(zhǔn)確[4]。

2 新型校準(zhǔn)裝置的研制

研制的新型校準(zhǔn)裝置工作原理示意圖如圖2 所示。新型校準(zhǔn)裝置保持被測量水面不變，通過改變被校準(zhǔn)水位計與測量水面的相對位置，在各測量點(diǎn)比較被校準(zhǔn)水位計測量輸出值與真實位置之間的差異，從而獲得被校準(zhǔn)水位計的測量誤差。

圖2 新型校準(zhǔn)裝置工作原理示意圖

新型校準(zhǔn)裝置主要由數(shù)據(jù)采集與控制、升降、數(shù)據(jù)測量、人機(jī)界面、視頻監(jiān)視等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間的工作接口如圖3 所示。

圖3 新型校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.1 數(shù)據(jù)采集及控制子系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集平臺用于采集被校準(zhǔn)水位計的測量數(shù)據(jù)及校準(zhǔn)平臺的真實位置數(shù)據(jù)，從硬件設(shè)計上保證不同儀器接口的可連接性。針對模擬信號輸出的儀器，采用 A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行連接；針對數(shù)字信號輸出的儀器，可通過 RS-485 和 232 等接口進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)采集平臺具有測量數(shù)據(jù)采集、分析處理、檢測報表生成等功能，數(shù)據(jù)采集傳輸方案如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)示意圖

控制系統(tǒng)由人機(jī)操作界面（電腦或觸摸屏）向可編制控制器（PLC）發(fā)出控制指令，由 PLC 控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，使檢測平臺沿直線導(dǎo)軌上升或下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定位置時，采集被校準(zhǔn)水位計測量值及平臺位置真實值，從而完成一個設(shè)定點(diǎn)的校準(zhǔn)，通過重復(fù)這些操作，即可得到一系列檢測點(diǎn)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)控制邏輯如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)控制邏輯圖

2.2 數(shù)據(jù)測量子系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)測量子系統(tǒng)為被校準(zhǔn)水位計提供量值溯源標(biāo)準(zhǔn)。新型校準(zhǔn)裝置選用的工作標(biāo)準(zhǔn)器為磁柵位移傳感器，測量長度L= 10 m 時，磁柵位移傳感器的標(biāo)稱測量誤差為 ±（ 25 + 20 ×10）μm = ± 0.225 mm。

對新型校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)傳感器的比對測試采用經(jīng)檢定過的 20 m 標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺，標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺通過國家計量院檢定，最大允許誤差為 ±0.33 mm[5]。比對測試結(jié)果如表 1 所示。

由表 1 可知，在 0～10 m 范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺與磁柵尺比對誤差最大值為 0.7 mm，新型校準(zhǔn)裝置運(yùn)行定位精度優(yōu)于 0.5 mm，回差不超過 0.1 mm，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差為 0.05 mm，各項精度指標(biāo)能夠滿足對非接觸式水位計的校準(zhǔn)要求。

表1 比對測試結(jié)果 mm

2.3 升降子系統(tǒng)設(shè)計

升降子系統(tǒng)基座框架選用 100 mm × 100 mm 的工業(yè)鋁型材，安裝前使用重錘線建立豎直平面，安裝完成后，進(jìn)一步使用激光準(zhǔn)直儀調(diào)?；蚣艿拇怪倍取?/p>

升降子系統(tǒng)選用齒輪齒條傳動方式，該傳動方式能保證校準(zhǔn)平臺在上下傳動過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)，且可承受的載荷較大。選用的直線導(dǎo)軌移動時摩擦力小，只需極小的動力即可驅(qū)動，滑塊內(nèi)的滾珠可降低運(yùn)行軌道接觸面的磨損，長時間維持高定位精度。校準(zhǔn)平臺最大可達(dá)到 2 m/min 的升降速度，和傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式相比較，可極大提高校準(zhǔn)工作的效率。

3 新型校準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

新型校準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）新型校準(zhǔn)裝置有效測量范圍為 0～10 m；

2）新型校準(zhǔn)裝置最大允許誤差不超過 1 mm；

3）最大升降速率不小于 60 cm/min；

4）適應(yīng)最大波速角為 15°；

5）具有模擬量（4～20 mA）和數(shù)字量（RS-232，RS-485）等信號接口；

6）適用水位計類型為超聲波、雷達(dá)、激光等非接觸式水位計。

4 新型校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用

4.1 對激光水位計的校準(zhǔn)應(yīng)用

實驗人員選用的激光水位計的光學(xué)測距傳感器型號為 AMS 300i 40，標(biāo)稱測量范圍為 200～40 000 mm，絕對測量精度為 2 mm，供電電壓為 DC（18～330）V。實驗人員將被檢水位計安裝于校準(zhǔn)平臺上，在 10 m校準(zhǔn)范圍內(nèi)升降 1 個來回，每 500 mm 作為 1 個校準(zhǔn)點(diǎn)，得出激光水位計各個校準(zhǔn)點(diǎn)的測量誤差。激光水位計的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表 2 所示。

表2 激光水位計校準(zhǔn)數(shù)據(jù) mm

由表 2 可知，在 0～10 m 范圍內(nèi)，用新型校準(zhǔn)裝置對標(biāo)稱精度為 2.0 mm 的激光水位計進(jìn)行校準(zhǔn)試驗，最大誤差值為 1.9 mm，校準(zhǔn)結(jié)果表明激光測距儀精度符合產(chǎn)品指標(biāo)要求。

4.2 對雷達(dá)水位計的應(yīng)用測試

實驗人員選用的雷達(dá)水位計型號為 SEBAPuls 20 型，標(biāo)稱測量范圍為 0～35 m，測量精度為± 2 mm，輸出 4～20 mA 電流信號，校準(zhǔn)方法與激光水位計一樣，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表 3 所示。

由表 3 可知，在 0～10 m 范圍內(nèi)，用新型校準(zhǔn)裝置對標(biāo)稱精度為 2 mm 的雷達(dá)水位計進(jìn)行校準(zhǔn)試驗，結(jié)果表明雷達(dá)水位計的精度不能滿足產(chǎn)品標(biāo)稱指標(biāo)要求，但校準(zhǔn)數(shù)據(jù)滿足 GB/T 27993—2011《水位測量儀器通用技術(shù)條件》規(guī)定的 1 cm 精度指標(biāo)要求[6]。

通過對非接觸式水位計的校準(zhǔn)應(yīng)用，驗證了新型校準(zhǔn)裝置性能穩(wěn)定，操作簡便快捷，能很好地滿足非接觸式水位計的實驗室校準(zhǔn)工作。與原水位計檢測系統(tǒng)相比，新型校準(zhǔn)裝置的測試精度由原檢測系統(tǒng)的約 3.0 mm 提高到 0.5 mm，回程誤差也大大降低，同時工作效率也提高了 1 倍，由原來校準(zhǔn)所需 5～6 h 時間，減少到 2～3 h 時間。

表3 雷達(dá)水位計校準(zhǔn)數(shù)據(jù) mm

5 結(jié)語

圍繞現(xiàn)有非接觸式水位計測量技術(shù)和誤差的分析，完成了對非接觸式水位計校準(zhǔn)裝置的研制工作。新型校準(zhǔn)裝置創(chuàng)新了非接觸式水位計的校準(zhǔn)模式，由常規(guī)的被校準(zhǔn)儀器不動，水位升降的模式改為保持水面不動，被校準(zhǔn)儀器升降的模式。新型校準(zhǔn)裝置能夠適應(yīng) 15° 以內(nèi)的波束角，基本滿足行業(yè)內(nèi)主流應(yīng)用的非接觸式水位計的校準(zhǔn)。新型校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)精度在 1 mm 以內(nèi)，較傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式 3 mm的精度有了很大的提高。同時新型校準(zhǔn)裝置大大提高了校準(zhǔn)工作效率，能很好地滿足非接觸式水位計的實驗室校準(zhǔn)工作。新型校準(zhǔn)裝置的研制成功，為行業(yè)內(nèi)大量應(yīng)用的非接觸式水位計的校準(zhǔn)提供了新的手段。新型校準(zhǔn)裝置目前僅針對非接觸式水位計的校準(zhǔn)，今后將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索新的途徑，使之能夠適應(yīng)浮子式水位計的校準(zhǔn)工作，為水位測量儀器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提供技術(shù)保障。