基于超聲傳播時(shí)間的水位精測(cè)技術(shù)

王 旺， 劉 源， 胡鶴鳴， 謝代梁

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018; 2. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

水位是水面到參考位置的高度，是容積換算、流量測(cè)量中的重要量值之一，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐容積換算、水工模型試驗(yàn)等領(lǐng)域[1]。當(dāng)參考位置為水體底面時(shí)又被稱(chēng)為水深。

水位和水深的測(cè)量范圍依使用場(chǎng)景，測(cè)量范圍及精度需求具有一定差異。水工模型試驗(yàn)指的是水工建筑物的縮尺模型，水位變化范圍通常不超過(guò)0.5 m，對(duì)準(zhǔn)確度的需求約為 0.1 mm[2]。此外，水位也是金屬量器和工業(yè)儲(chǔ)罐的關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)，JJG 259—2005要求標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的液位管讀數(shù)分辨力應(yīng)優(yōu)于 0.1 mm[3]；對(duì)于大型儲(chǔ)罐，JJF 1698—2018中要求最大液位允許誤差為±1 mm[4]。水位和水深測(cè)量多常用于貿(mào)易交接，其測(cè)量的準(zhǔn)確程度受到人們的重視。

根據(jù)測(cè)量原理不同，水位測(cè)量?jī)x器主要有浮子式、磁致伸縮式、壓力式、雷達(dá)式、超聲式等技術(shù)形式[5]。浮子式水位計(jì)利用浮球和懸索帶動(dòng)編碼器來(lái)測(cè)量水位，一般分辨力不超過(guò)1 mm；磁致伸縮式水位計(jì)也利用浮子表征液面位置，其測(cè)量的是超聲波沿波導(dǎo)管傳播至浮子內(nèi)磁性線(xiàn)圈的時(shí)間[6]，可實(shí)現(xiàn)0.1 mm的分辨力。這兩種水位計(jì)都依賴(lài)于浮球及其牽引懸索或波導(dǎo)管，使用場(chǎng)景具有一定的局限性。壓力式、雷達(dá)式、超聲式等三種水位計(jì)則直接測(cè)量水下壓力或液面回波，無(wú)需浮子等可移動(dòng)部件，具有一定靈活性，但常規(guī)產(chǎn)品較難突破1 mm的測(cè)量準(zhǔn)確度。

超聲傳播時(shí)間法是一種應(yīng)用廣泛的水位測(cè)量方法，根據(jù)傳播介質(zhì)分為氣介式和液介式。氣介式的探頭安裝在水面上方，由于超聲在氣體中傳播的速度較慢，聲速梯度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響更為顯著。李弘設(shè)計(jì)了一套氣介式超聲液位測(cè)量裝置，在2.5 m量程內(nèi)測(cè)量相對(duì)誤差為1.2%[7]。液介式的探頭安裝于水下，其基本原理與氣介式相同，但是由于水中聲速遠(yuǎn)高于氣體，并且水中聲速梯度和相對(duì)變化也更小，液介式超聲水位測(cè)量的精度理論上高于氣介式。廖雁鴻設(shè)計(jì)了一套基于液介式超聲液位測(cè)量裝置，通過(guò)回波校正及溫度補(bǔ)償修正等手段，在1.5 m量程內(nèi)其相對(duì)誤差小于0.5%[8]。

在靜置水體的超聲水位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)中，根據(jù)超聲傳播時(shí)間法水位測(cè)量的基本原理，影響液介式超聲波水位測(cè)量精度主要因素包括超聲傳播時(shí)間的算法[9]（波形算法的選擇直接影響時(shí)間信號(hào)采集精度）、具有現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)性的測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[10]、聲速的準(zhǔn)確度及其校準(zhǔn)方法[11]、水體溫度分層（溫度分層直接影響著超聲在水體中傳播聲速的均勻性）。在自然水體中，水體靜止引起的垂向溫度分層現(xiàn)象，會(huì)造成聲速梯度。垂向溫度分層規(guī)律跟季節(jié)、環(huán)境溫度變化、水體深度、靜止時(shí)間等因素有關(guān)[12]。因此，溫度分層現(xiàn)象引起的聲速梯度對(duì)于超聲應(yīng)用于儲(chǔ)罐等靜置水體精確測(cè)量來(lái)說(shuō)一直是個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

本文基于液介式超聲傳播時(shí)間測(cè)量理論，針對(duì)儲(chǔ)罐等容積換算需求，對(duì)水位精密測(cè)量方法進(jìn)行了研究，研制了一套超聲水位測(cè)量裝置。首先從超聲傳播時(shí)間算法優(yōu)選、裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)聲速精確測(cè)量等方面展開(kāi)研究；其次，對(duì)聲速梯度、裝置波束傾角等典型現(xiàn)場(chǎng)因素的影響量級(jí)進(jìn)行了分析。并采用了高精度水位測(cè)試平臺(tái)對(duì)超聲水位測(cè)量裝置的測(cè)量能力進(jìn)行了測(cè)試。

1 液介超聲水位測(cè)量原理及裝置

1.1 測(cè)量原理

液介式超聲水位測(cè)量原理如圖1所示，超聲換能器在介質(zhì)底部發(fā)射超聲波，超聲波在水中傳播至氣液分界面（聲阻抗不同）時(shí)發(fā)生反射，返回底部后被同一個(gè)超聲換能器收到[13]；通過(guò)計(jì)算超聲波從換能器發(fā)射到接收信號(hào)的時(shí)間以及超聲波在介質(zhì)傳播過(guò)程中的聲速，可計(jì)算出超聲水位H。實(shí)際上，在水位測(cè)量應(yīng)用中，視水溫度均勻性情況，理論上可布置多個(gè)聲速測(cè)量點(diǎn)以提高超聲水位測(cè)量的精度。

圖1 超聲水位測(cè)量原理

由超聲水位測(cè)量原理可知，聲速測(cè)量精度影響著水位測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了提高聲速測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用了基于超聲時(shí)差法的聲速測(cè)量原理。超聲時(shí)差法聲速測(cè)量原理如圖2所示，超聲換能器經(jīng)反射層反射生成和捕捉兩次回波，記單次捕捉回波的時(shí)間為t1，兩次捕捉回波的總時(shí)間為t2。根據(jù)時(shí)差法原理公式可計(jì)算出聲速c。

圖2 超聲時(shí)差法聲速測(cè)量原理

壓電晶片是超聲換能器的核心部件，頻率是其重要指標(biāo)，需要根據(jù)聲波衰減和測(cè)量分辨力兩個(gè)因素進(jìn)行選擇[14]。壓電晶片頻率越高，水位測(cè)量分辨力也越高，但超聲衰減系數(shù)和壓電晶片頻率的平方成正比。壓電晶片頻率越高，超聲波衰減會(huì)越大[15-16]。綜合考慮，選擇1 MHz壓電晶片來(lái)封裝探頭。

1.2 波形算法

常用的波形算法包括閾值法、相位法等。閾值法的核心是獲取回波特征點(diǎn)，進(jìn)而去計(jì)算聲波的往返時(shí)間。但閾值法存在一定的局限性，介質(zhì)液面波動(dòng)、距離等因素都會(huì)使得信號(hào)幅值發(fā)生變化。這會(huì)對(duì)回波特征點(diǎn)的取值造成誤判，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)丟失周期的現(xiàn)象。

為了使得超聲水位測(cè)量裝置能夠適用于高精度的水位測(cè)量場(chǎng)景，水位測(cè)量裝置時(shí)間信號(hào)處理算法采用了Hilbert傳播時(shí)間算法，其算法原理如圖3所示。該波形算法原理如下：將時(shí)域信號(hào)y(t)通過(guò)Hilbert變換得到y(tǒng)H(t)，然后將每個(gè)周期的時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)化成相位信號(hào)。每個(gè)周期的時(shí)間信號(hào)的峰值等于其相位直線(xiàn)的過(guò)零點(diǎn)。根據(jù)簡(jiǎn)諧波的假設(shè)，每個(gè)周期的相位近似一條直線(xiàn)，擬合的相位直線(xiàn)的過(guò)零點(diǎn)代表了相位為零的時(shí)刻。通過(guò)系統(tǒng)修正，即可得到超聲傳播時(shí)間t。

圖3 Hilbert傳播時(shí)間算法原理

1.3 水位測(cè)量裝置

超聲水位測(cè)量裝置由超聲水位測(cè)桿、聲速探頭以及多聲道超聲數(shù)據(jù)主機(jī)組成，裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 超聲水位測(cè)量裝置實(shí)物

1）測(cè)桿主體結(jié)構(gòu)

超聲水位測(cè)桿由超聲水位探頭、底托、延長(zhǎng)探桿、通信接口組成，如圖5所示。通過(guò)BNC接頭與多聲道超聲主機(jī)建立通信，以測(cè)量超聲波信號(hào)。探桿長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際液位測(cè)量需求更換。超聲探頭安裝于底托上方。已知底托的厚度，可作為測(cè)量水深時(shí)的零點(diǎn)修正。

圖5 測(cè)桿主體機(jī)構(gòu)

2）多聲道超聲數(shù)據(jù)主機(jī)

多聲道超聲數(shù)據(jù)主機(jī)主要由顯示屏、通信接口、1 MHz采集板卡組成。多聲道超聲數(shù)據(jù)主機(jī)用于處理超聲水位測(cè)桿和聲速探頭所獲取的時(shí)間信號(hào)，計(jì)算后可得到水位數(shù)值。主機(jī)數(shù)據(jù)采樣率可設(shè)置在 1 ～5 Hz之間；時(shí)間測(cè)量算法為 Hilbert算法。

測(cè)桿上端安裝有手持結(jié)構(gòu)，方便操作人員調(diào)解位置。通過(guò)手持結(jié)構(gòu)頂部的氣泡水平儀，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)豎直度的方式，降低測(cè)量時(shí)的波束傾角。從而降低裝置在測(cè)試安裝時(shí)由探頭與水面夾角導(dǎo)致的比例偏差。

4）聲速補(bǔ)償

超聲水位測(cè)量采用聲速探頭實(shí)測(cè)聲速的方法進(jìn)行補(bǔ)償。聲速探頭測(cè)量原理為超聲時(shí)差法。聲速探頭實(shí)物如圖6所示，聲速探頭主要采用超聲換能器加不銹鋼反射板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用不銹鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于聲波可以在不銹鋼反射板之間反射兩次，利用兩次傳播時(shí)間差以此來(lái)抵消電路延時(shí)等問(wèn)題，進(jìn)而使得兩次反射過(guò)程中的時(shí)間差代表聲速在水中的傳播時(shí)間（不經(jīng)過(guò)其他介質(zhì)）。其測(cè)量所用超聲換能器頻率為1 MHz，保護(hù)層材料為不銹鋼。

圖6 聲速探頭實(shí)物

2 測(cè)試平臺(tái)及校準(zhǔn)方法

2.1 聲速校準(zhǔn)

為了對(duì)超聲時(shí)差法聲速探頭的聲速測(cè)量精度進(jìn)行分析，根據(jù)聲速～溫度在純水中的經(jīng)驗(yàn)公式，如公式(1)所示[17]。利用了高精度鉑電阻溫度計(jì)對(duì)超聲時(shí)差法聲速探頭在恒溫槽中進(jìn)行了測(cè)試。

其中 T 指溫度，單位為℃；A=1402.39；B=1478.5625；C=0.6949454； D=0.16618854； E= – 0.0160586； F=0.02192692。

測(cè)試所用裝置為高精度鉑電阻溫度計(jì)和恒溫槽，高精度鉑電阻溫度計(jì)安裝有兩個(gè)鉑電阻測(cè)溫模塊。其儀器宣稱(chēng)測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.1 mK。經(jīng)過(guò)聲速～溫度經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)化后，鉑電阻溫度計(jì)的聲速測(cè)量準(zhǔn)確度能達(dá)到0.5 mm/s。恒溫槽能夠精密地調(diào)節(jié)溫度，穩(wěn)定后恒溫條件下的溫度波動(dòng)性小于2 mK。測(cè)試時(shí)將恒溫槽調(diào)節(jié)至幾個(gè)不同溫度點(diǎn)，利用聲速～溫度公式獲取不同溫度點(diǎn)下的標(biāo)準(zhǔn)聲速，與聲速探頭在純水中所測(cè)得的實(shí)時(shí)聲速進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 水位測(cè)試平臺(tái)

液介式超聲水位測(cè)量裝置利用高精度水位測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試分析。水位測(cè)試平臺(tái)全程位移累積誤差小于30 μm，且底部作為標(biāo)準(zhǔn)器的激光干涉儀測(cè)量準(zhǔn)確度為 0.5 μm。水位測(cè)試平臺(tái)能夠在 1000 mm以?xún)?nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位測(cè)量裝置任意步長(zhǎng)的自動(dòng)化測(cè)試實(shí)驗(yàn)。下方放置 400 mm 直徑、1000 mm 深的圓柱形實(shí)驗(yàn)室測(cè)試水箱。測(cè)試時(shí)將水位測(cè)量裝置與導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接，可使裝置部分在測(cè)試水箱中上下豎直移動(dòng)來(lái)模擬水位，其水位測(cè)試平臺(tái)如圖7所示。

超聲水位測(cè)量裝置固定在水位測(cè)試平臺(tái)，裝置通過(guò)伺服平臺(tái)在測(cè)試水箱中運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要對(duì)裝置連接桿在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的水面上升高度進(jìn)行修正。其修正系數(shù)α如公式(2)所示。

式中：d——連接桿外徑；

此外，本文研究及結(jié)論也對(duì)我國(guó)小微企業(yè)信貸實(shí)踐提供了一些現(xiàn)實(shí)啟示。首先，銀行在小微企業(yè)信貸業(yè)務(wù)流程中，需提高對(duì)信任可能產(chǎn)生影響的重視程度，在信貸決策機(jī)制中將信任納入考慮，并注重對(duì)小微企業(yè)提供多元化的金融服務(wù)，以加深銀企關(guān)系，促進(jìn)信任的長(zhǎng)期良性發(fā)展。其次，小微企業(yè)在開(kāi)發(fā)和維護(hù)銀企信貸關(guān)系過(guò)程中，可從如下三個(gè)方面入手提高銀行信任程度：一是提升自身經(jīng)營(yíng)實(shí)力，增強(qiáng)銀行對(duì)企業(yè)的能力信任；二是注重自身誠(chéng)信、聲譽(yù)的建立和維護(hù)，以增強(qiáng)銀行對(duì)企業(yè)的誠(chéng)實(shí)和善意信任；三是重視信用維護(hù)，在長(zhǎng)期銀企信貸交互過(guò)程中，促使銀企關(guān)系逐步深化，這將有助于提升貸款可獲得性。

D——測(cè)試水箱內(nèi)徑。

水位測(cè)試平臺(tái)在水位測(cè)量裝置性能測(cè)試中起到模擬水位的作用，通過(guò)軟件設(shè)定的距離去控制伺服平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程。與此同時(shí)更主要的是可以為裝置水位測(cè)量能力分析實(shí)驗(yàn)分別提供脈沖步長(zhǎng)和激光干涉儀作為參照標(biāo)準(zhǔn)，將水位量值溯源到長(zhǎng)度。以便于更好的去分析超聲裝置的水位測(cè)量能力。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 聲速測(cè)量結(jié)果

聲速探頭利用高精度鉑電阻溫度計(jì)和恒溫槽在6個(gè)不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，恒溫槽的空間溫度均勻性在–0.001 ～0.001 ℃以?xún)?nèi)。如圖8所示，6個(gè)不同的溫度點(diǎn)聲速探頭實(shí)測(cè)的聲速基本上與聲速～溫度經(jīng)驗(yàn)公式曲線(xiàn)一致，擬合程度較好。表1是6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)聲速和聲速探頭實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在12.6 ～19.8 ℃左右變化的溫度范圍內(nèi)，基于時(shí)差法原理設(shè)計(jì)的聲速探頭測(cè)量相對(duì)誤差小于0.005%。其聲速測(cè)量精度能夠滿(mǎn)足目前超聲水位測(cè)量需求。

表1 聲速測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差

圖8 聲速測(cè)量結(jié)果

3.2 影響因素分析

3.2.1 靜置水中的聲速梯度

在儲(chǔ)罐等水位測(cè)量中，由于水體大部分時(shí)間處于靜置或穩(wěn)定狀態(tài)，自然形成的溫度分層導(dǎo)致聲速形成梯度，從而使超聲波傳播過(guò)程中的速度并非勻速，進(jìn)而影響超聲傳播時(shí)間的測(cè)量結(jié)果。其中影響其溫度分層的主要因素有季節(jié)變化、水深等。趙林林等人通過(guò)觀測(cè)其平穩(wěn)表面湖水的溫度分布發(fā)現(xiàn)，2.5 m 深處的湖水可產(chǎn)生 1 ～4 ℃ 的溫度分層，主要受到氣溫、風(fēng)速和表面漂浮物等影響，并隨晝夜和季節(jié)變化[12]。因此由溫度分層所引起的聲速梯度是超聲在儲(chǔ)罐容器等進(jìn)行水位測(cè)量時(shí)的主要誤差來(lái)源之一。在實(shí)驗(yàn)室條件下，量化了測(cè)試水箱處于靜水狀態(tài)下的聲速梯度。

超聲水位測(cè)量裝置固定在水位測(cè)試平臺(tái)上，并將聲速探頭固定在水位測(cè)量裝置上。利用測(cè)試平臺(tái)緩慢帶動(dòng)水位測(cè)量裝置分別運(yùn)動(dòng)至測(cè)試水箱不同深度。在盡量不改變?cè)袦囟确植嫉那疤嵯?，利用聲速探頭觀察水位測(cè)量裝置測(cè)量聲徑不同深度的聲速分布，通過(guò)聲速～溫度經(jīng)驗(yàn)公式可得裝置測(cè)量聲徑附近不同深度的溫度分布情況。

如圖9所示，可以看出：測(cè)試水箱內(nèi)水位測(cè)量裝置測(cè)量聲徑附近上、中、下層聲速差異明顯，表明了測(cè)試水箱出現(xiàn)了溫度分層的現(xiàn)象；靜水中不同位置聲速的最大差異為2.5 m/s左右，對(duì)應(yīng)溫度變化約為0.7 ℃左右。采用逐段對(duì)超聲傳播時(shí)間和聲速進(jìn)行積分，與傳播時(shí)間和平均聲速的乘積對(duì)比，聲速梯度對(duì)水位測(cè)量結(jié)果的影響最大可達(dá)2 mm。

圖9 測(cè)試水箱聲速梯度

因此，對(duì)于靜水水位而言，聲速梯度是其主要測(cè)量誤差來(lái)源。當(dāng)溫度分層引起的聲速梯度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響超過(guò)允許值時(shí)，可采用多點(diǎn)聲速測(cè)量方法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2.2 波束傾角

對(duì)于超聲水位測(cè)量而言，裝置安裝的傾斜度引起的波束傾角變化是超聲傳播時(shí)間法的測(cè)量誤差來(lái)源之一。為了量化水位測(cè)量裝置波束傾角對(duì)于測(cè)量精度影響程度，實(shí)驗(yàn)利用了水位測(cè)試平臺(tái)，主要分析了5個(gè)不同的角度：左偏記為負(fù)，右偏記為正。通過(guò)裝置頂部?jī)?nèi)置的氣泡水平儀來(lái)確定裝置在水位測(cè)試平臺(tái)上的波束傾角，并在不同的角度下移動(dòng)固定的步長(zhǎng)以及等待特定的時(shí)間，得到不同波束傾角下的水位數(shù)據(jù)。

每個(gè)角度下進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，波束傾角會(huì)使裝置水位測(cè)量結(jié)果存在測(cè)量誤差，即隨深度單調(diào)線(xiàn)性增加的測(cè)量誤差。用測(cè)量誤差隨水位增加的增長(zhǎng)率來(lái)量化描述波束傾角對(duì)于超聲水位測(cè)量結(jié)果影響。–1°～1°范圍內(nèi)波束傾角引起的測(cè)量誤差曲線(xiàn)如圖10所示?？梢钥闯觯晜鞑r(shí)間法測(cè)量結(jié)果與波束傾角有關(guān)，在波束傾角較小時(shí)其測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)，波束傾角在–1°～1°變化范圍內(nèi)引起的水位測(cè)量誤差小于0.01%。

圖10 不同角度測(cè)量誤差

3.3 水位測(cè)試結(jié)果

為了達(dá)到良好的測(cè)試效果，降低聲速梯度對(duì)于超聲水位測(cè)量精度的影響，采用了多個(gè)聲速探頭在測(cè)試水箱不同深度進(jìn)行測(cè)量的方案。利用多個(gè)聲速測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)聲路上的時(shí)間和聲速進(jìn)行積分以降低此影響。并通過(guò)手持結(jié)構(gòu)上的氣泡水平儀將波束傾角控制在–1°～1°以?xún)?nèi)。

通過(guò)測(cè)試平臺(tái)帶動(dòng)水位測(cè)量裝置做豎直運(yùn)動(dòng)，以模擬水位的改變量。從測(cè)量結(jié)果的示值誤差、重復(fù)性以及最小的分辨能力等角度對(duì)水位測(cè)量裝置的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。其測(cè)試示意如圖11所示。

圖11 測(cè)試示意圖

1）準(zhǔn)確度測(cè)試

激光干涉儀作為參照標(biāo)準(zhǔn)，在50 ～850 mm測(cè)量范圍內(nèi)，將水位測(cè)量裝置固定于導(dǎo)軌并以10 mm/s的速度做步長(zhǎng)為20 mm的分段運(yùn)動(dòng)，每個(gè)測(cè)量段等待時(shí)間40 s以測(cè)量平均水位，采樣頻率設(shè)置為1 Hz。圖12給出了部分其激光干涉儀計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)水位及超聲測(cè)得水位的時(shí)間-水位測(cè)試過(guò)程曲線(xiàn)。

圖12 水位測(cè)試過(guò)程

圖13和表2分別給出了超聲水位測(cè)量裝置在水位測(cè)試平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)室測(cè)量范圍時(shí)的累積示值誤差曲線(xiàn)及部分超聲水位測(cè)值和干涉儀標(biāo)準(zhǔn)水位數(shù)據(jù)，誤差棒指五次測(cè)量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差。數(shù)據(jù)顯示，裝置水位測(cè)量重復(fù)性達(dá)到0.01%，利用多個(gè)聲速探頭進(jìn)行積分換算以降低在水位測(cè)量裝置在測(cè)試水箱中測(cè)量聲徑的聲速梯度后，裝置在測(cè)量50 ～850 mm范圍的水位時(shí)，其累積示值誤差在–0.1 ～0.1 mm以?xún)?nèi)（見(jiàn)表2數(shù)據(jù)）。

圖13 水位測(cè)量示值誤差

表2 部分水位測(cè)試數(shù)據(jù)

2）分辨力測(cè)試

為了研究超聲水位測(cè)量裝置的分辨力，在靜水、溫度穩(wěn)定的嚴(yán)格測(cè)試條件下，利用了恒溫槽（能均勻地控制水體溫度波動(dòng)性小于2 mK），在水位58.5 ～68.5 mm 范圍內(nèi)以步長(zhǎng) 0.2 mm 做分段測(cè)試，觀察水位分辨能力。圖14為分辨力測(cè)試結(jié)果，可以看出，水位測(cè)量裝置最好能達(dá)到約1 μm的分辨力，滿(mǎn)足使用需求。

圖14 分辨力測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)儲(chǔ)罐等容積換算場(chǎng)景，對(duì)精密超聲水位測(cè)量方法進(jìn)行了研究，研制了一套液介式超聲水位測(cè)量裝置，并在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)液介式超聲水位測(cè)量裝置的測(cè)量能力和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中的典型影響因素進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1)在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量范圍內(nèi)，超聲水位測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性達(dá)到0.01%，水位測(cè)量誤差小于0.1 mm，分辨力可達(dá) 1 μm。

2)聲速梯度是靜置水體中超聲水位測(cè)量誤差的重要來(lái)源之一。設(shè)計(jì)了高精度聲速補(bǔ)償裝置，聲速測(cè)量相對(duì)誤差小于0.005%，并在分析了聲速梯度對(duì)水位測(cè)量影響量級(jí)的基礎(chǔ)上，提出了梯度聲速修正方法。

3)波束傾角是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的誤差來(lái)源之一。小角度的波束傾角對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響可以忽略，波束傾角在–1°～1°變化范圍內(nèi)引起的水位測(cè)量誤差小于0.01%。