超声波水位计观测值的系统误差分析

曲忠艳，曲 鑫，王 颖

(吉林省水文水资源局通化分局，吉林 通化 134000)

测量水位的仪器很多，水文测验中常用的水位测量设备有水尺、接触式水位测量装置(水位测针、悬锤式水位计)、浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计等。

由于浮子式水位计简单可靠，精度高，易于维护而被大多数水文站使用，但建设水位测井费用昂贵或建设困难使其使用受到限制。近年来，我省先后引进压力式水位计、超声波水位计等，经过几年的对比观测分析，超声波水位计观测精度较高，操作简单，并且造价低廉，今后会有更多水文站将使用超声波水位计观测水位。

样子哨水文站于2004年5月安装了某型超声波水位计，对比观测于5月27日开始，10月初结束。通过4个月的比测结果分析，首先肯定了此仪器的观测精度，但观测结果存在系统误差，应引起注意。

1 超声波水位计工作原理

超声波水位计按照声波传播介质的区别可分为液介式和气介式两大类。气介式水位计在10 m量程内其误差不大于3 cm。

当声波在空气中传播遇到水面后被反射，仪器测得声波往返于传感器到水面之间的时间，根据声速计算距离，再用传感器安装高程减去其所测至水面距离即得水位。公式表示为:

式中:C为声波在空气中的传播速度;t为声波往返于传感器至水面之间的时间;H为超声传感器至水面的距离;H水为水位;H传为声传感器安装高程;T为空气介质的温度;其中测量范围为0.5～10.0 m;工作温度为－25～45℃

2 测站概况

2.1 测试实践

样子哨水文站位于辉南县样子哨镇，是辉发河水系三统河中游控制站，该站建于1955年。位置东经126°09'，北纬42°27'。该流域位于我省中东部低山丘陵区，地形地势属于长白山余脉，海拔高度一般在500～1 000 m之间，流域形状呈树叶形，集水面积为1 957 km2。

2.2 超声波水位计的安装

超声换能传感器安装在铁管支架上，安装高度为106.00 m，下方挖设水池，池底高程为98.50 m，在允许测量范围内。信号电缆地埋接入室内。

2.3 对比观测分析

选取6月1日－9月30日对比观测资料进行分析，共有观测点413组。以水尺人工观测水位作为约定真值对超声波水位计观测的水位进行分析。首先编制水位对比观测表、点绘水位过程线图。

附图:节选7月份水位对比过程线图。

图1 样子哨水文站水位过程线图(7月)

通过对图表的分析，得出以下结论:

(1)共有15个测点水位差值大于0.04 m，最大误差达0.12 m。水位大多在99.05 m以下。由于挖水池时下面是岩石，导致水池液面较小，影响了水位计在低水时的测验精度。

(2)水位在99.05 m以上时观测值比较准确，但存在系统误差。观测时随时调整超声换能传感器的高程，消除系统误差，可测得较准确测量值。但水位计只能存储一个高程值，其它存储值为历次测量的水位差。观测的水位是由传感器高程减水位差所得，所以仪器内存储的观测资料仍然存在系统误差。从6月18日8时至7月17日20时系统偏大0.01 m;7月18日2时至8月12日20时系统偏大0.02 m;8月13日2时至8月19时20时系统偏大0.01 m;8月20日8时至9月21日20时无系统误差;9月22日至9月30日系统偏小0.01 m。这种误差按时序由低到高再回落，可能与气温变化有关。原始资料输出后，做相应处理，所得资料较为接近真值，各项统计结果见表1。

表1 各项统计结果

3 结论与建议

使用先进的水位观测仪器，是水文发展的必然趋势。样子哨站于2004年5月安装了超声波水位计，通过4个月的对比观测，验证了该仪器的可靠性，使用该仪器能够满足水位观测要求。由于温度对传感器影响较大，建议随着温度的变化做好传感器高程的校核工作，经常与水尺做对比观测，校正传感器高程，能够减少系统误差的影响，准确记录高程变换时间。若这些问题能够解决，才能真正发挥该仪器的先进性。