專利名稱：聲波水位測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聲波水位測量技術，特別是涉及一種在水位范圍會劇烈變化的水庫、河流、地下水等中利用聲波準確測量水位的聲波水位測量方法。
人工水庫中的水位變化范圍為幾十米。許多河流中的水位變化范圍為10米。因此，需要水文觀測以便不依賴于水位的變化范圍而使水位測量的絕對誤差小于±5-10米。根據(jù)水位計的安裝條件，通常將水位計的原始點設置在高于水面的位置處。在這種情況下，即使水位的變化范圍較小，水位測量范圍也可較大。例如，在一座橋上，考慮到水位計的維修和操作，將水位計安裝在道路或路面上。在這種情況下，水位計原始點距水面的距離一般為10-20米。如果水位變化范圍為±5米，那么水位測量范圍為10-15米或15-25米。在將水位計安裝在水壩上的情況下，水位測量范圍一般為40-80米。另外，當試圖測量地下水的水位時，即使地下水位不在大的范圍內變化，通過參考構成一地下水觀測管頂部的原始點也可測量水位，所述地下水觀測管緊靠地面。水位測量范圍較大的情況會經常發(fā)生。
如果水位測量范圍較大，則需要對聲波水位儀進行改進，以能夠準確地測量水位。在以下專利中披露了常用的一些具有相對較高準確度的典型聲波水位測量方法和設備美國專利No.5,842,374，其
公開日為1998年12月1日；德國專利No.19511234，其
公開日為1997年9月11日；日本專利No.2,756,647，其
公開日為1998年3月13日；
韓國專利No.150714，其
公開日為1998年6月16日。
這些專利的題目通常為“大范圍水位測量方法及設備”。
在

圖1中描述了一種已公開的傳統(tǒng)聲波水位測量方法。其中1為聲波發(fā)生器，2為波導管，51，52，53，……5n，5n+1為沿波導管2以恒定間距l(xiāng)設置的聲波接收器。聲波接收器51的位置為用于測量水位的原始點或零點。從原始點至水面的距離Lx按以下方式測量當聲波發(fā)生器1產生聲波脈沖時，聲波脈沖向水面輸送或傳播，并在水面上反射且隨后被向上輸送。在聲波脈沖到達原始點時，聲波接收器51產生一輸出信號。同樣，隨著聲波脈沖的前進，最靠近水面的聲波接收器5n產生輸出信號并也接收被反射的聲波脈沖。因此，利用以這種方式接收的四個信號對水位Lx進行測量。在聲波接收器51接收到前進脈沖和反射脈沖的時間點之間的時間間隔t1如以下公式所示t1=2LxC1---(1)]]>脈沖接收器51和5n分別接收到前進脈沖的時間點之間的時間間隔t2如以下公式所示t2=L0C2=(n-1)lC2---(2)]]>其中，L0＝(n-1)l為預先準確測量的一個距離，L0＝常數(shù)，C1為在間距Lx中的聲速，C2為在間距L0中的聲速，而n為聲波接收器的數(shù)目。
在公式(1)和(2)中，將被測量的數(shù)值Lx如以下公式所示Lx=t12t2×L0×C2C1---(3)]]>其中，L0為一預先已知值，t1和t2被測量，且被代入公式(3)中，C1和C2為未知數(shù)。假定Lx約等于L0，且C1≈C2。則L′x如以下公式所示L′x=t12t2×L0---(4)]]>在C1≠C2，Lx≠L0的情況下，Lx的測量誤差如以下公式所示δX=L′xLx-1=C2C1-1---(5)]]>在測量Lx時，假定每一聲速C1和C2在間距Lx和L0內按以下公式變化C1=C0+α(TLx‾)]]>C1=C0+α(TL0‾)----(6)]]>其中，α為空氣中聲速的溫度系數(shù)，α≈0.6。當空氣溫度為0時，C0為聲速。
在上述專利中，為了計算誤差δLx，假定從原始點0至水面的波導管中的空氣溫度以圖2所示的 的斜率變化，當C1和C2被計算出來并隨后將結果代入誤差公式(5)后，誤差δL’x如以下公式所示δL,x=0.5α(T0-TLx)C0+0.5α(T0-TLx)×ΔLLx]]>其中，T0為原始點的溫度，TLx為水面的溫度。
當ΔLmax≈l時，產生最大誤差δLxmax。ΔLmax=0.5α(T0-TLx)C0+0.5α(T0-TLz)×l---(7)]]>絕對誤差ΔLmax如以下公式所示δLmax=0.5α(T0-TLx)C0+0.5α(T0-TLx)×lLx---(8)]]>如果給定水位測量所允許的絕對誤差Δ’L’x，那么可從公式(8)中得到聲波接收器5i和5I+1之間的間距l(xiāng)。假定C0＝331.6米且α＝0.6，l的值如以下公式所示l=Δ,Lx×331.6+0.3(T0+TLx)0.3(T0-TLx)---(9)]]>
假設在夏天T0＝40℃，TLX＝25℃，而在冬天T0＝0℃，TLX＝15℃，以及Δx＝0.01米(1厘米)，則l如以下公式所示在夏天，l＝0.78米在冬天，l＝0.74米如果保證聲波接收器之間的間距l(xiāng)更小，那么水位測量絕對誤差會變得越來越小。因此，傳統(tǒng)的聲波水位測量方法具有很大的優(yōu)點，即水位絕對誤差ΔL’x在整個測量范圍中是相等的，以便能不依賴于水位測量范圍而測量水位，且能夠將水位絕對誤差ΔL’x保持在一很小值。
該聲波水位測量方法具有的其它優(yōu)點如下所述與其它聲波水位計不同，通過沿河岸或水庫岸邊的坡面安裝波導管可節(jié)省安裝費用。在這種情況下，波導管的長度為由聲波水位儀測量的值Lx與sin45°的乘積，且水庫水位的變化范圍為50米，波導管的長度必須大于50m/sin45°即70.7米。
但是，該傳統(tǒng)的聲波水位測量方法具有以下問題在公式(9)中T0和TLx經常變化的情況下，必須保證絕對允許誤差Δ’L’x＝±0.001米，l＝0.74-0.78米。如果需要更準確地測量水庫的水位，那么必須保證l＝0.37-0.39米，以便Δ’L’x＝±0.0005米。在這種情況下，如果最大水位測量范圍為70米，那么聲波接收器的數(shù)目如以下公式所示 即使保證Δ’L’x＝±0.01米，也要求n≈85。在沿波導管縱向安裝大量聲波接收器的情況下，水位測量設備較復雜，并會增大聲波接收器產生故障的可能性。另外，還會產生以下問題必須測量前進波和反射波間的時間間隔t1＝2Lx/C1[參照公式(1)]。當Lx較長時，聲波脈沖在被輸送通過距離2Lx期間會被大大減弱。因此，必須發(fā)射相對更強的聲波脈沖，所以反射時間會更長，從而增大了噪音水平。為了避免這些現(xiàn)象，必須根據(jù)測量值Lx的變化調節(jié)聲波脈沖強度，但這樣會導致水位儀復雜化。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種聲波水位測量方法，與現(xiàn)有技術相比，其可將水位測量范圍約增大兩倍。通過該方法，即使選定的聲波接收器間的間距l(xiāng)遠大于現(xiàn)有技術，也不會增大水位測量誤差，且無需接收在水面反射并隨后返回原始點的聲波脈沖。
根據(jù)本發(fā)明，一種聲波水位測量方法包括以下步驟以恒定間距l(xiāng)沿一波導管的縱向部分向著水面設置N個波導管51，52，53，……5n，產生聲波脈沖，以測量聲波接收器的數(shù)目Ni，并計算最接近水面的聲波接收器5i和位于原始點以便進行水位測量的第一聲波接收器51之間的間距Li＝(Ni-1)l，測量聲波脈沖在聲波接收器器5i-1和聲波接收器51之間輸送所需的輸送時間t1＝ 測量最接近水面的聲波接收器5i從接受到前進聲波脈沖的時刻至聲波脈沖在水面上被反射并再次被接收到為止的輸送時間 ，計算聲波接收器5i與水面間的間距ΔL，將間距ΔL與Li相加并獲得距離Lx=Li+ΔL，從而測量出水位。
現(xiàn)在參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明，其中圖1為說明現(xiàn)有技術的聲波水位測量原理的視圖；圖2示出了聲波水位計的波導管中的空氣溫度分布圖圖3為說明本發(fā)明聲波水位測量原理的視圖；圖4a和4b為說明本發(fā)明的聲波接收器的波形和時序的視圖及圖5示出了本發(fā)明的聲波水位計的波導管中的空氣溫度分布圖。
下面參照圖3和4對本發(fā)明進行說明。為便于理解本發(fā)明，波導管2以水平狀態(tài)繪出。當聲波發(fā)生器1產生聲波脈沖時，該聲波脈沖沿波導管2向水面輸送。聲波接收器51，52，53，……5i按順序接收被輸送的聲波脈沖并輸出一確認收到聲波脈沖的信號。因此，接收聲波脈沖的聲波接收器的數(shù)目被確定。按以下公式計算聲波接收器51至5i的距離LiLi＝(Ni-1)l (10)此外，如果聲波接收器51至5i的距離Li被預先測量并被存儲在系統(tǒng)的一個存儲器中，則不需利用公式(10)計算距離Li。換句話說，預先測量聲波接收器51至52的距離L2，聲波接收器51至53的距離L3，…距離Li-1等，并將它們存儲在一水位算術邏輯處理系統(tǒng)中。最好將一l＝常數(shù)存儲在一水位計算系統(tǒng)中。通過測量聲波接收器5i的位置至水面的間距ΔL并將其與一距離Li相加，從而可得到將被測量的距離Lx，其公式如下所示Lx＝Li+ΔL (11)下面參照圖4a對一種測量方法進行說明。如圖4a所示，一旦接收到前進脈沖，聲波接收器51，52，53，…5i便產生輸出信號。之后，聲波接收器5i再次產生表示接收到在水面上反射的聲波脈沖的輸出信號。并且，依次將輸出信號作用于一零交點檢測電路和一波形成形電路，以便按順序產生如圖4b所示的矩形脈沖(1)，(2)，(3)。此時，脈沖(1)和(2)之間的時間間隔t1及，脈沖(2)和(3)之間的時間間隔t2如下所示t1=lCl---(12)]]>t2=2ΔLCΔL---(13)]]>也可以這種方式測量公式(12)中的t1，即測量聲波接收器5i-1接收到前進脈沖及隨后在水面上反射的脈沖所用的時間t1.4并從中減去時間t2(參見圖4b)，其公式如下所示Δt=t1,4-t2=2(l-ΔL)c1,4-2ΔlCΔL=2lCl---(14)]]>按以下公式計算公式(12)和(13)中的未知數(shù)ΔLΔL=t22t1×l×CΔLCl---(15)]]>另一方面，利用公式(12)和(14)按以下公式計算ΔLt2Δt=t2t1,4-t2=2ΔLCl2lCΔl]]> 此處，公式(15)和(16)之間的差異如下所述如果根據(jù)公式(16)計算ΔL，其優(yōu)點在于項Δt＝t1.4-t2，輸送時間t1.4的測量固定誤差相互補償，但公式(16)的偶然誤差等于δt1，4+2δt2。因此，如果輸送時間測量的固定誤差小至可被忽略，那么最好根據(jù)公式(15)測量ΔL。在聲速CΔL未知的條件下，假定CΔL＝Cl，ΔL’如以下公式所示ΔL,=t22t1×l---(17)]]>或ΔL,=t2t1,4-t2×l----(18)]]>因此，如果忽略了輸送時間測量誤差，則誤差δΔL’如下δΔL,=C1CΔL,-1----(19)]]>參照圖5，在與現(xiàn)有技術中估算誤差的相同條件下，通過以上方法描述的誤差ΔL’如下所述圖5表示了沿波導管1的長度分布的空氣溫度的變化。在設置聲波接收器5i-1的位置處的溫度Tl與在設置聲波接收器5i位置處的溫度TΔL如下所述其中，在設置聲波接收器5i的原始點處的溫度被表示為T0，而水面的溫度被表示為Tw。Tl=TW+(T0-TW)l+ΔLLx=TW+ΔTl+ΔLLx]]>TΔL=TW+ΔTΔLLx]]>其中ΔT＝T0-Tw為波導管中上部和水面的溫度差。
在間距l(xiāng)中的平均溫度Tl和在間距ΔL中的平均溫度TΔL如下所示T‾l=T1+TΔL2=(TW+ΔTl+ΔLLx+TW+ΔTΔLLx)/2=TW+ΔT2Lx(l+ΔL)--(a)]]>T‾Δl=TW+TΔl2=(TW+ΔTΔLLx+TW)/2=TW+ΔTΔT2Lx---(b)]]>將公式(a)和(b)代入聲速公式(6)，則得到Ci=C0+αT‾l=C0[1+β(TW+ΔTl+ΔL2Lx)]---(c)]]>CΔL=C0+αT‾ΔL=C0[1+β(TW+ΔTl+ΔL2Lx)]---(d)]]>其中β=αC0≈0.6331.6=1.8×10-3.]]>考慮到 的比值按如下公式獲得ClCΔL=C0[1+β(TW+ΔTl+ΔL2Lx)]C0[1+β(TW+ΔTΔL2Lx)]]]>≈[1+β(Tw+ΔTl+ΔL2Lx)][1-β(Tw+ΔTl+ΔL2Lx)]]]>=1+β[Tw+ΔTl+ΔL2Lx-Tw-ΔTΔL2Lx]≈1+βΔT2Lx×l---(20)]]> 其中由于忽略了項 因此δΔL，具有一較大值。
ΔL的測量絕對誤差ΔΔL如下ΔΔL=δΔL×ΔL=βΔT2Lx×l×ΔL---(21)]]>如果ΔL≈1，則ΔΔL達到最大值。ΔΔLmax=βΔT2Lx×l2=1.8×10-3T0+TW2Lx×l2---(22)]]>根據(jù)所述水位測量的Lx的總的絕對誤差如下所述ΔLx＝ΔLi+ΔΔL(23)且，相對誤差δLX如下所述；δLx=ΔLiLx+ΔΔlLx]]>水位測量的原始點至聲波接收器5i的距離Li為一恒定值，其由一精確距離測量裝置測量，且隨后被存儲在水位計算系統(tǒng)中。因此，能保證其誤差ΔLi和δLi足夠小以致可被忽略?？紤]到水位測量允許絕對誤差為ΔΔL和ΔΔLmax’，可按以下公式獲得需要的值ll=2ΔΔL×Lx1.8×10-3(T0-TW)=1.11×ΔΔL×Lx×103T0-TW---(25)]]>另一方面，在現(xiàn)有技術條件下，按以下方式獲得l假定Lx＝70米，T0＝40°，Tw＝25°且ΔΔL＝0.005米(5毫米)，將數(shù)值代入公式(25)中，結果如下所述 因此，現(xiàn)有技術中必須保證l＝0.37米。相反，根據(jù)本發(fā)明，l被增大為現(xiàn)有技術的長度的5/0.37＝13.5倍。所以，在具有長度為Lx＝70米的波導管中安裝聲波接收器的數(shù)目為14，其等于70/5。根據(jù)現(xiàn)有技術，所需要的聲波接收器的數(shù)目N＝190。此處，應注意，由于在公式(21)和(22)中水位測量范圍Lx變大，因此減小了ΔL的測量誤差。
因此，本發(fā)明具有以下特點與現(xiàn)有技術不同，聲波接收器5i不必接收在水面上反射并返回原始點的聲波脈沖。因此，如果使用與現(xiàn)有技術相同的聲波發(fā)生器，則測量范圍比傳統(tǒng)技術大約增大兩倍。
其結果是，與傳統(tǒng)的聲波水位測量方法相比，本發(fā)明保證了水位測量的精度，使聲波接收器的數(shù)目降低了十幾倍，并使測量范圍增大兩倍以上。
權利要求
1.一種聲波水位測量方法，包括以下步驟以恒定間距l(xiāng)沿一波導管的縱向部分向著水面設置N個波導管51，52，53，……5n，將第一波導管接收器的位置作為水位測量的原始點并從一波導管的上部發(fā)出聲波脈沖，以測量原始點至水面的距離Lx，其特征在于，它還包括以下步驟測量前進的聲波脈沖在最接近水面的兩個聲波接收器之間輸送所需的輸送時間t1，測量最接近水面的聲波接收器從接收到前進的聲波脈沖的時刻至該聲波脈沖在水面上被反射并再次被接收到為止的輸送時間t2；通過以下公式計算最接近水面的聲波接收器與水面之間的間距ΔLΔL=t12t2×l]]>通過以下公式計算原始點至最接近水面的聲波接收器之間的距離Li；Li＝(Ni-1)l將間距ΔL與距離Li相加從而計算出Lx，其中，Ni為從原始點處的聲波接收器至最接近水面的聲波接收器的聲波接收器的數(shù)目，l為聲波接收器之間的間距。
2.如權利要求1所述的聲波水位測量方法，其特征在于根據(jù)以下公式選擇聲波接收器之間的間距l(xiāng)，l=1.11×ΔΔL×Lx×103T0-Tw]]>其中，ΔΔL為ΔL的測量允許絕對誤差，Lx為水位測量的最大范圍，T0和Tw為波導管上部的溫度和波導管在水面附近的溫度。
全文摘要
一種聲波水位測量方法,包括以下步驟:以恒定間距l(xiāng)沿一波導管的縱向部分向著水面設置N個波導管文檔編號G01F23/296GK1344915SQ0110050
公開日2002年4月17日 申請日期2001年1月5日 優(yōu)先權日2000年9月15日
發(fā)明者張學壽 申請人:海德羅索尼科國際有限公司, 國際海德羅索尼科有限公司