SEBAPULS雷達水位計的誤差分析及水位的自動化校準

郭秋歌 王小遠

摘 要：在明渠流量計算中，水位精度要求高，水位觀測數(shù)據(jù)必須及時更新。這對水位觀測數(shù)據(jù)的及時性和有效性提出了較高的要求，傳統(tǒng)的人工測量已經(jīng)不能滿足當前需求。本文以德國希貝SEBAPULS雷達水位計為例，采用目標實時校準法，分析雷達水位計測量誤差來源并進行校驗，并通過編程將水位計測量值傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的遠程傳輸及自動化處理。

關鍵詞：雷達水位計;目標實時校準法;PLC上位機;比測分析

中圖分類號：P335.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0079-03

Abstract： In the open channel flow calculation， the water level accuracy is required to be high， and the water level observation data must be updated in time. This puts high demands on the timeliness and effectiveness of water level observation data， and traditional manual measurement can no longer meet current needs. This paper took the German SEBAPULS radar water level gauge as an example， adopted the target real-time calibration method， analyzed the source of the radar water level gauge measurement error and performed verification， during which the measured value of the water level gauge was transmitted to the upper computer through programming， so as to realize the remote transmission and automatic processing of water level data.

Keywords： radar water level gauge;target real-time calibration method;PLC upper computer;comparison analysis

明渠流量測定和計算對防洪抗旱有著重要的作用，其中，水位測定是明渠流量計算的一個關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的水位測定方法主要有速度-面積法、水壩和水槽法、動船法等[1]。傳統(tǒng)方法通常通過人工現(xiàn)場測量完成，這使得數(shù)據(jù)的及時性和有效性面臨巨大考驗。近年來，隨著雷達水位計、超聲波水位計在水利工程應用上的廣泛普及，越來越多的水利工作者采用水位計觀測數(shù)據(jù)代替人工觀測數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)水利工程的智能化管理。有研究[2-3]通過比較測量法分析驗證，給出雷達水位觀測數(shù)據(jù)可作為正式水位觀測數(shù)據(jù)的依據(jù)，實現(xiàn)誤差允許范圍內(nèi)水位數(shù)據(jù)的自動化處理，提高工作效率，改善黃河上游水文站的水位測報條件。趙安林等[4]利用雙目標實時校準法，抵消由聲速引起的誤差，從而減小整個水位計的測量誤差，使雷達水位觀測數(shù)據(jù)能夠更準確地代替正式水位觀測數(shù)據(jù)。

德國希貝SEBAPULS雷達水位計是一種高精度的非接觸式水位測量儀器，其突出的優(yōu)點是實現(xiàn)非接觸測量，安裝方便，利用電磁波探測距離，不受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風沙等環(huán)境因素的影響，可直接測量自然河道水位，實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的遠程傳輸及自動化處理。此外，SEBAPULS雷達水位計具有水位跟蹤速度快、非接觸測量以及受風、沙、溫度和漂浮物的影響小的特性，很適合在黃河中上游溫差大的常年無封凍河段上使用。本文以德國希貝SEBAPULS雷達水位計為例，通過編程將其測得的水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC上位機[5]，并采用目標實時校準法[4]對雷達水位計測量的誤差來源進行分析、校驗，從而實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的遠程傳輸及自動化處理。

1 工作原理

雷達水位計也叫水位雷達，是利用電磁波探測目標的電子設備。它主要用于水文監(jiān)測、污水處理和防洪預警等。雷達水位計的主要測量原理是雷達水位傳感天線發(fā)射電磁波脈沖，其在空氣介質(zhì)中傳播，遇到水面，在界面處將產(chǎn)生反射，部分電磁能被反射至發(fā)射源。經(jīng)測定，電磁波在水位計和水面之間往返傳播的時間為[T]，由于電磁波的傳播速度[C]是個常數(shù)，因此人們可以測出水位計與水面之間的距離[H]。

2 測量方法

如圖1所示，本研究利用雷達水位計測量水位[h水位]。假設閘底板的高度為[h閘底板]，水位計桿底端到閘底板的高度為[h1]，水位計掛桿長為[L]，水位計自身長為[h2]，水位計掛桿底端到閘面的距離為[Δ]。下面采用雙目標實時校準法，對雷達水位計測量的水位[h水位]與水尺測量的水位[h水尺]進行比較，以修正水位[h水位]，完成水位測量。其具體過程如下：利用水準儀測出[h閘底板]、[h1]、[L]、[h2]和[Δ];計算[h水位=PLC-10 000-A×0.00 15-h閘底板]，其中，[PLC=h閘底板+h1+L-h2+Δ]，[A]為雷達水位計輸出值;通過水尺測量水位[h水尺];采用雙目標實時校準法校準[h水尺]和[h水位]。

3 誤差分析

本研究利用雷達電磁波傳播反射原理設計地水位計，其測量精度高低取決于對影響因素的處理方法。此外，電磁波往返傳播時間[T]是另一個主要的影響因素。趙安林等[4]利用超聲波測量發(fā)射源至液面的距離[H]，通過雙目標實時校準法修正了測距，采用石英晶體器件減小時間[T]的誤差。本文先通過水準儀測出水位[h水尺]，再利用雷達水位計輸出值[A]，通過小節(jié)2方法計算出水位值[h水位]，最終校準[h水尺]和[h水位]。采用本文的測量方法能夠避免時間[T]帶來的誤差，更精確地得到測量數(shù)據(jù)。

影響因素的處理方法主要涉及水位計探頭到液面距離[H]的處理。一般來講，風、沙、溫度和漂浮物對雷達水位計的影響可以忽略不計，水位計安裝的位置（探頭傾斜、安裝桿傾斜）是一個比較大的影響因素。本文重點分析兩種對參數(shù)[H]影響較大的情形并給出校準方案。

假設水位計橫桿和探頭安裝無誤，如圖1所示，則有水位計[h水尺=h水位]。

情形一：雷達水位計探頭安裝不理想，產(chǎn)生偏差角[θ]，如圖2所示。

水位計探頭安裝時，其與水位計橫桿的夾角為[θ]，如圖2所示，由于產(chǎn)生了偏差角度，要使[h水尺=h水位]，人們需要修正[h水位=PLC-10 000-A×0.00 15×sinθ-h閘底板]。

情形二：雷達水位計橫桿安裝不理想，產(chǎn)生偏差角[θ]。

同理，人們需要修正[PLC=h閘底板+h1+L-lcosθ-h2][+Δ]，其中，[l]是橫桿的長度。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

本文以南小堤、彭樓兩處作為驗證點，利用水準儀測出[h閘底板]、[h1]、[L]、[h2]和[Δ]。下面對水尺測量出來的水位[h水尺]與雷達水位計測出的水位[h水位]進行比測，水尺測量出來的水位[h水尺]表示人工水位，雷達水位計測出的水位[h水位]表示自動水位，比測結(jié)果如圖4、圖5、圖6和圖7所示，統(tǒng)計誤差如表1所示。

經(jīng)過校準后，自動水位顯示的讀數(shù)曲線與人工水位顯示的讀數(shù)曲線基本一致，但并沒有完全重合，這是因為受環(huán)境（風、沙、溫度、漂浮物）的影響，水位計產(chǎn)生小幅度波動。此外，人工水位的小數(shù)點后的數(shù)值是通過人工估讀出來的，可能會造成5 cm以內(nèi)的偏差。渠道水位在一天中是連續(xù)變化的，而人工水位只在一天當中特定的離散時間點讀取，與自動水位（通過PLC采集記錄并求出不同時間段的水位）相比，會產(chǎn)生一定的誤差。這也是產(chǎn)生誤差的另一個重要因素，總體說來，自動水位可靠性更高。

通過表1可以看出，在15 m變幅范圍內(nèi)，SEBAPULS雷達水位計測定誤差小于或者等于±4 cm的保證率為90%，誤差小于或等于±2 cm的保證率為67.5%。無誤差的保證率達到22.5%。其精度指標達到了水文測驗規(guī)范要求，證明了自動水位值的有效性和科學性。

5 結(jié)論

本文利用德國希貝SEBAPULS雷達水位計，采用目標實時校準法對雷達水位計測量誤差來源的幾種重要情景進行探究，并給出校驗方法，開展誤差分析。數(shù)據(jù)分析顯示，其精度滿足水文測驗規(guī)范要求。最后通過編程將水位計測量值傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的遠程傳輸及自動化處理。

參考文獻：

[1]徐俊林，陳紅勛，馬崢.明渠流量的研究現(xiàn)狀和進展[C]//第十六屆全國水動力學研討會.2002.

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[3]權(quán)雄章，郭云杰，劉文洲.SEBAPULS20型雷達水位計在民和水文站的比測分析及應用[J].甘肅水利水電技術，2010（1）：11-12.

[4]趙安林，白東義.HW-1000型非接觸式超聲波水位計測量誤差分析與檢驗[J].水利水電技術，1995（7）：2-5.

[5]楊濤，王笑.PLC S7-300在前湖水閘控制系統(tǒng)中的應用[J].江西水利科技，2011（3）：211-213.