超聲波自記水位計在鐵廠水文站的應用

摘 要:本文介紹了超聲波自記水位計的工作原理、數(shù)據(jù)采集傳輸接收的工作方式，對系統(tǒng)的功能與特點進行了說明，并對儀器的測量精度作了評估。

關鍵詞:超聲波 應用

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0115-01

1 概況

鐵廠水文站是國家基本水文站，位于大羅圈河上。本站斷面主要靠上游來水，天然降水和地下水補給。洪峰形式為單式峰和復式峰兩種，水位-流量關系較好呈單一線.集水面積685km2，至河口距離8.8km，警戒水位6.50m，保證水位8.00m。河段順直長約300m，河床由巖石和砂卵石組成，左岸為石籠護堤，右岸高時漫灘，后河寬可達136m左右.暢流期用自記水位計和直立式水尺觀測，枯水期、冰期用直立(矮樁)式水尺人工直讀觀測。

2 工程技術設計

該工程分為數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、處理四部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集

采用德國Endress+Hauser公司的FDU85型超聲波探頭，F(xiàn)MU860型超聲變送器。該公司的這套設備在國際上具有良好的聲譽，測量的準確性、可靠性都比較好，產(chǎn)品質(zhì)量被認可并完全滿足質(zhì)量標準DLN.ISO9001。見圖1。Prosonic FMU860超聲波變速器是與Prosonic FDU85傳感器(探頭)配套使用的。FMU860型超聲變速器具有模糊邏輯單元的智能軟件，操作簡便，啟動容易，功能完備等特點。應用包括模糊邏輯單元的統(tǒng)計理論來進行智能化回波分析，無需其它的特殊來源，能使真實的物位回波同零星反射以及干擾回波、噪音等信號區(qū)分開。通過對特殊的固定目標的抑制模式或過濾因素進行連續(xù)的非接觸的超聲測量。

2.1.1 FDU85傳感器(探頭)主要技術指標

測量范圍(D):45m以上;

盲區(qū)(BD):0.8m;極限溫度:-40～+80℃;環(huán)境溫度:-40～+80℃;工作溫度:-20～+80℃;自身高度:0.155m;波束長度:45m;工作頻率:17kHz;波束半徑(r):1.9m;波束角:5°。

2.1.2 工作原理

傳感器向液體表面方向發(fā)射超聲波，液體反射部分回波，這反射回波被同一傳感器探測，同時作為一個定向的傳送器，轉(zhuǎn)換成電信號。脈沖傳送與接收之間的時間(聲波的運動時間)是與探頭和物體表面的距離成正比的。聲波的傳輸距離L(波束長度)通過聲速C和運行時間t被表示，即L=ct。

由于探頭起振關系，在探頭的下方會出現(xiàn)一個無法接收回波的區(qū)域，這便叫做盲區(qū)。盲區(qū)決定了在探頭表面和最高物位的最小距離。因此，探頭實際測量的距離D=L-BD。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸部分采用南京水利水文自動化研究所生產(chǎn)的WYY—1遙測端機(無線傳輸)，由于發(fā)射與接收之間距離在1km左右，采用超短波通訊，接收效果較好。

2.3 數(shù)據(jù)接收

接收處理部分采用水文綜合控制器，可以接收水位數(shù)據(jù)、固態(tài)存儲雨量數(shù)據(jù)；輸出到寬幅顯示屏和計算機，實現(xiàn)實時顯示功能；使水位數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)直接存儲、整編計算等處理；通過上電器、Modem、電話，實現(xiàn)與省防、市防的遠傳報汛。

2.4 數(shù)據(jù)處理的主要功能及特點

通過多種參數(shù)設置，可靠的軟件支持，使該系統(tǒng)應用更加靈活。具有原始數(shù)據(jù)查詢、存儲處理及強大的圖形顯示功能等。

(1)測量部分。

由于該儀器只能存儲36天的水位值，所以在每月月初1～5日召測上月數(shù)據(jù)，分上、下旬選擇存儲，分別存儲于以站名時間為文件名的Access庫中；如選擇存文本，把所召測的數(shù)據(jù)存如以C盤sqsystem的文本數(shù)據(jù)為目錄，以站名時間為文件名的文本文件中。

召測雨量同上，但不同的是必須本月召測本月的降雨數(shù)據(jù)，因為它只能存儲31天。

(2)數(shù)據(jù)處理部分。

測得的水位數(shù)據(jù)，通過遙測終端，輸出到寬幅顯示屏，實現(xiàn)實時顯示，同時采用水文綜合控制儀，可以接收固態(tài)存儲水位數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)；并通過計算機進行整編計算處理等。

(3)水位數(shù)據(jù)報表。

實時顯示當前水位數(shù)據(jù)，同時可以查詢不同段次的水位數(shù)據(jù)，最小段次為10s，隨時可以查詢1小時、1日、旬、月等水位數(shù)據(jù)。

(4)雨量數(shù)據(jù)報表。

實時顯示當前雨量數(shù)據(jù)，可以查詢不同段次的雨量數(shù)據(jù)，段次分為1小時、1日、旬、月等。

(5)圖形處理部分。

月水位過程線可以顯示各月水位過程線圖，更能直接明了地反映水位的變化過程。

時段水位過程線可以實時顯示逐時水位變化過程線，同時可以顯示任意時段的水位過程線。

月雨量直方圖可以顯示各月雨量過程直方圖，更能直接明了地反映雨量的變化過程。

(6)數(shù)據(jù)管理部分。

建立了Access水位數(shù)據(jù)庫和雨量數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)列表，可以隨時查看到該數(shù)據(jù)表的各種水位、雨量數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

經(jīng)過建設初期的運行調(diào)試，現(xiàn)在水文站能接收水位雨量數(shù)據(jù)及進行計算處理。通過對比觀測，可以看出，自記水位計測量水位與人工水尺觀測基本一致，進行誤差分析計算表明，最大誤差為3cm，系統(tǒng)誤差為0.1cm，置信水平95%的綜合不確度為2.9cm，誤差在允許的范圍內(nèi)，自記走時機構準確，并通過計算機實時接收數(shù)據(jù)，儀器穩(wěn)定性好，可靠性高，完全符合水位觀測標準的相關規(guī)定。

應用超聲波水位自記，可以利用遙測、通訊、計算機等現(xiàn)代化科技手段實時完成降水量、水位、流量等數(shù)據(jù)的采集、傳輸和加工處理等。它能在無人值守的情況下快速、精確地掌握水、雨情等水文信息并及時傳輸，為汛期洪水預報、防汛調(diào)度和常年的水庫調(diào)度工作提供及時可靠的依據(jù)，提高水情測報自動化程度。