声波水位测量方法 本发明涉及一种声波水位测量技术，特别是涉及一种在水位范围会剧烈变化的水库、河流、地下水等中利用声波准确测量水位的声波水位测量方法。
人工水库中的水位变化范围为几十米。许多河流中的水位变化范围为10米。因此，需要水文观测以便不依赖于水位的变化范围而使水位测量的绝对误差小于±5-10米。根据水位计的安装条件，通常将水位计的原始点设置在高于水面的位置处。在这种情况下，即使水位的变化范围较小，水位测量范围也可较大。例如，在一座桥上，考虑到水位计的维修和操作，将水位计安装在道路或路面上。在这种情况下，水位计原始点距水面的距离一般为10-20米。如果水位变化范围为±5米，那么水位测量范围为10-15米或15-25米。在将水位计安装在水坝上的情况下，水位测量范围一般为40-80米。另外，当试图测量地下水的水位时，即使地下水位不在大的范围内变化，通过参考构成一地下水观测管顶部的原始点也可测量水位，所述地下水观测管紧靠地面。水位测量范围较大的情况会经常发生。
如果水位测量范围较大，则需要对声波水位仪进行改进，以能够准确地测量水位。在以下专利中披露了常用的一些具有相对较高准确度的典型声波水位测量方法和设备：
美国专利No.5,842,374，其公开日为1998年12月1日；
德国专利No.19511234，其公开日为1997年9月11日；
日本专利No.2,756,647，其公开日为1998年3月13日；
韩国专利No.150714，其公开日为1998年6月16日。
这些专利地题目通常为“大范围水位测量方法及设备”。
在图1中描述了一种已公开的传统声波水位测量方法。其中1为声波发生器，2为波导管，51，52，53，……5n，5n+1为沿波导管2以恒定间距l设置的声波接收器。声波接收器51的位置为用于测量水位的原始点或零点。从原始点至水面的距离Lx按以下方式测量：当声波发生器1产生声波脉冲时，声波脉冲向水面输送或传播，并在水面上反射且随后被向上输送。在声波脉冲到达原始点时，声波接收器51产生一输出信号。同样，随着声波脉冲的前进，最靠近水面的声波接收器5n产生输出信号并也接收被反射的声波脉冲。因此，利用以这种方式接收的四个信号对水位Lx进行测量。在声波接收器51接收到前进脉冲和反射脉冲的时间点之间的时间间隔t1如以下公式所示：t1=2LxC1---(1)]]>
脉冲接收器51和5n分别接收到前进脉冲的时间点之间的时间间隔t2如以下公式所示：t2=L0C2=(n-1)lC2---(2)]]>
其中，L0＝(n-1)l为预先准确测量的一个距离，L0＝常数，C1为在间距Lx中的声速，C2为在间距L0中的声速，而n为声波接收器的数目。
在公式(1)和(2)中，将被测量的数值Lx如以下公式所示：Lx=t12t2×L0×C2C1---(3)]]>
其中，L0为一预先已知值，t1和t2被测量，且被代入公式(3)中，C1和C2为未知数。假定Lx约等于L0，且C1≈C2。则L′x如以下公式所示：L′x=t12t2×L0---(4)]]>
在C1≠C2，Lx≠L0的情况下，Lx的测量误差如以下公式所示：δX=L′xLx-1=C2C1-1---(5)]]>
在测量Lx时，假定每一声速C1和C2在间距Lx和L0内按以下公式变化：C1=C0+α(TLx‾)]]>C1=C0+α(TL0‾)----(6)]]>
其中，α为空气中声速的温度系数，α≈0.6。当空气温度为0时，C0为声速。
在上述专利中，为了计算误差δLx，假定从原始点0至水面的波导管中的空气温度以图2所示的的斜率变化，当C1和C2被计算出来并随后将结果代入误差公式(5)后，误差δL’x如以下公式所示：δL,x=0.5α(T0-TLx)C0+0.5α(T0-TLx)×ΔLLx]]>
其中，T0为原始点的温度，TLx为水面的温度。
当ΔLmax≈l时，产生最大误差δLxmax。ΔLmax=0.5α(T0-TLx)C0+0.5α(T0-TLz)×l---(7)]]>
绝对误差ΔLmax如以下公式所示：δLmax=0.5α(T0-TLx)C0+0.5α(T0-TLx)×lLx---(8)]]>
如果给定水位测量所允许的绝对误差Δ’L’x，那么可从公式(8)中得到声波接收器5i和5I+1之间的间距l。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)]]>
假设在夏天T0＝40℃，TLX＝25℃，而在冬天T0＝0℃，TLX＝15℃，以及Δx＝0.01米(1厘米)，则l如以下公式所示：
在夏天，l＝0.78米
在冬天，l＝0.74米
如果保证声波接收器之间的间距l更小，那么水位测量绝对误差会变得越来越小。因此，传统的声波水位测量方法具有很大的优点，即水位绝对误差ΔL’x在整个测量范围中是相等的，以便能不依赖于水位测量范围而测量水位，且能够将水位绝对误差ΔL’x保持在一很小值。
该声波水位测量方法具有的其它优点如下所述：与其它声波水位计不同，通过沿河岸或水库岸边的坡面安装波导管可节省安装费用。在这种情况下，波导管的长度为由声波水位仪测量的值Lx与sin45°的乘积，且水库水位的变化范围为50米，波导管的长度必须大于50m/sin45°即70.7米。
但是，该传统的声波水位测量方法具有以下问题：在公式(9)中T0和TLx经常变化的情况下，必须保证绝对允许误差Δ’L’x＝±0.001米，l＝0.74-0.78米。如果需要更准确地测量水库的水位，那么必须保证l＝0.37-0.39米，以便Δ’L’x＝±0.0005米。在这种情况下，如果最大水位测量范围为70米，那么声波接收器的数目如以下公式所示：
即使保证Δ’L’x＝±0.01米，也要求n≈85。在沿波导管纵向安装大量声波接收器的情况下，水位测量设备较复杂，并会增大声波接收器产生故障的可能性。另外，还会产生以下问题：必须测量前进波和反射波间的时间间隔t1＝2Lx/C1[参照公式(1)]。当Lx较长时，声波脉冲在被输送通过距离2Lx期间会被大大减弱。因此，必须发射相对更强的声波脉冲，所以反射时间会更长，从而增大了噪音水平。为了避免这些现象，必须根据测量值Lx的变化调节声波脉冲强度，但这样会导致水位仪复杂化。
本发明的一个目的在于提供一种声波水位测量方法，与现有技术相比，其可将水位测量范围约增大两倍。通过该方法，即使选定的声波接收器间的间距l远大于现有技术，也不会增大水位测量误差，且无需接收在水面反射并随后返回原始点的声波脉冲。
根据本发明，一种声波水位测量方法包括以下步骤：以恒定间距l沿一波导管的纵向部分向着水面设置N个波导管51，52，53，……5n，产生声波脉冲，以测量声波接收器的数目Ni，并计算最接近水面的声波接收器5i和位于原始点以便进行水位测量的第一声波接收器51之间的间距Li＝(Ni-1)l，测量声波脉冲在声波接收器器5i-1和声波接收器51之间输送所需的输送时间t1＝测量最接近水面的声波接收器5i从接受到前进声波脉冲的时刻至声波脉冲在水面上被反射并再次被接收到为止的输送时间，计算声波接收器5i与水面间的间距ΔL，将间距ΔL与Li相加并获得距离Lx=Li+ΔL，从而测量出水位。
现在参照附图对本发明进行详细说明，其中：
图1为说明现有技术的声波水位测量原理的视图；
图2示出了声波水位计的波导管中的空气温度分布图：
图3为说明本发明声波水位测量原理的视图；
图4a和4b为说明本发明的声波接收器的波形和时序的视图：及
图5示出了本发明的声波水位计的波导管中的空气温度分布图。
下面参照图3和4对本发明进行说明。为便于理解本发明，波导管2以水平状态绘出。当声波发生器1产生声波脉冲时，该声波脉冲沿波导管2向水面输送。声波接收器51，52，53，……5i按顺序接收被输送的声波脉冲并输出一确认收到声波脉冲的信号。因此，接收声波脉冲的声波接收器的数目被确定。按以下公式计算声波接收器51至5i的距离Li：
Li＝(Ni-1)l (10)
此外，如果声波接收器51至5i的距离Li被预先测量并被存储在系统的一个存储器中，则不需利用公式(10)计算距离Li。换句话说，预先测量声波接收器51至52的距离L2，声波接收器51至53的距离L3，…距离Li-1等，并将它们存储在一水位算术逻辑处理系统中。最好将一l＝常数存储在一水位计算系统中。通过测量声波接收器5i的位置至水面的间距ΔL并将其与一距离Li相加，从而可得到将被测量的距离Lx，其公式如下所示：
Lx＝Li+ΔL (11)
下面参照图4a对一种测量方法进行说明。如图4a所示，一旦接收到前进脉冲，声波接收器51，52，53，…5i便产生输出信号。之后，声波接收器5i再次产生表示接收到在水面上反射的声波脉冲的输出信号。并且，依次将输出信号作用于一零交点检测电路和一波形成形电路，以便按顺序产生如图4b所示的矩形脉冲(1)，(2)，(3)。此时，脉冲(1)和(2)之间的时间间隔t1及，脉冲(2)和(3)之间的时间间隔t2如下所示：t1=lCl---(12)]]>t2=2ΔLCΔL---(13)]]>
也可以这种方式测量公式(12)中的t1，即测量声波接收器5i-1接收到前进脉冲及随后在水面上反射的脉冲所用的时间t1.4并从中减去时间t2(参见图4b)，其公式如下所示：Δt=t1,4-t2=2(l-ΔL)c1,4-2ΔlCΔL=2lCl---(14)]]>
按以下公式计算公式(12)和(13)中的未知数ΔL：ΔL=t22t1×l×CΔLCl---(15)]]>另一方面，利用公式(12)和(14)按以下公式计算ΔL：t2Δt=t2t1,4-t2=2ΔLCl2lCΔl]]>
此处，公式(15)和(16)之间的差异如下所述：如果根据公式(16)计算ΔL，其优点在于项Δt＝t1.4-t2，输送时间t1.4的测量固定误差相互补偿，但公式(16)的偶然误差等于δt1，4+2δt2。因此，如果输送时间测量的固定误差小至可被忽略，那么最好根据公式(15)测量ΔL。在声速CΔL未知的条件下，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，如果忽略了输送时间测量误差，则误差δΔL’如下：δΔL,=C1CΔL,-1----(19)]]>
参照图5，在与现有技术中估算误差的相同条件下，通过以上方法描述的误差ΔL’如下所述：
图5表示了沿波导管1的长度分布的空气温度的变化。在设置声波接收器5i-1的位置处的温度Tl与在设置声波接收器5i位置处的温度TΔL如下所述：其中，在设置声波接收器5i的原始点处的温度被表示为T0，而水面的温度被表示为Tw。Tl=TW+(T0-TW)l+ΔLLx=TW+ΔTl+ΔLLx]]>TΔL=TW+ΔTΔLLx]]>
其中：ΔT＝T0-Tw为波导管中上部和水面的温度差。
在间距l中的平均温度 Tl和在间距ΔL中的平均温度 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)]]>
将公式(a)和(b)代入声速公式(6)，则得到：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.]]>考虑到的比值按如下公式获得：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：由于忽略了项因此δΔL，具有一较大值。
ΔL的测量绝对误差ΔΔL如下：ΔΔL=δΔL×ΔL=βΔT2Lx×l×ΔL---(21)]]>
如果ΔL≈1，则ΔΔL达到最大值。ΔΔLmax=βΔT2Lx×l2=1.8×10-3T0+TW2Lx×l2---(22)]]>
根据所述水位测量的Lx的总的绝对误差如下所述：
ΔLx＝ΔLi+ΔΔL (23)
且，相对误差δLX如下所述；δLx=ΔLiLx+ΔΔlLx]]>
水位测量的原始点至声波接收器5i的距离Li为一恒定值，其由一精确距离测量装置测量，且随后被存储在水位计算系统中。因此，能保证其误差ΔLi和δLi足够小以致可被忽略。考虑到水位测量允许绝对误差为ΔΔL和ΔΔLmax’，可按以下公式获得需要的值l：l=2ΔΔL×Lx1.8×10-3(T0-TW)=1.11×ΔΔL×Lx×103T0-TW---(25)]]>
另一方面，在现有技术条件下，按以下方式获得l：假定Lx＝70米，T0＝40°，Tw＝25°且ΔΔL＝0.005米(5毫米)，将数值代入公式(25)中，结果如下所述：
因此，现有技术中必须保证l＝0.37米。相反，根据本发明，l被增大为现有技术的长度的5/0.37＝13.5倍。所以，在具有长度为Lx＝70米的波导管中安装声波接收器的数目为14，其等于70/5。根据现有技术，所需要的声波接收器的数目N＝190。此处，应注意，由于在公式(21)和(22)中水位测量范围Lx变大，因此减小了ΔL的测量误差。
因此，本发明具有以下特点：与现有技术不同，声波接收器5i不必接收在水面上反射并返回原始点的声波脉冲。因此，如果使用与现有技术相同的声波发生器，则测量范围比传统技术大约增大两倍。
其结果是，与传统的声波水位测量方法相比，本发明保证了水位测量的精度，使声波接收器的数目降低了十几倍，并使测量范围增大两倍以上。