一种恒流气泡式自动水位测量方法.pdf

本发明属于传感器测量领域，特别涉及采用恒流气泡式水位计自动进行水位测量的方法。包括测量导气管两端口的竖直高度差H和排气口安装高程h0；通过置数装置将重力加速度g、气管端口高度差H和排气口安装高程h0输入数据采集器；数据采集器定时采集恒流式气泡水位计的压力输出值P0和管内气体温度T；数据采集器定时采集气压计的压力输出值PA。本发明提出了比经典的压力水位关系转换公式更精确的方法，并揭示了气管两端口的竖直高差是影响恒流式气泡水位计水位测量精度的主要原因，而非重力加速度或水密度的差异。本发明可以有效减小水位测量误差，尤其是在气管两端口的竖直高差超过10米时效果更加明显。

1.  一种恒流气泡式水位自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据安装位置的经纬度和海拔高度，查表得到重力加速度g；
2)测量导气管两端口的竖直高度差H和排气口安装高程h₀；
3)通过置数装置将重力加速度g、气管端口高度差H和排气口安装高程h₀输入数据采集器；
4)数据采集器定时采集恒流式气泡水位计的压力输出值P₀和管内气体温度T；
5)数据采集器定时采集气压计的压力输出值P_Aa；
6)数据采集器根据公式(E13)计算水头高度；
7)数据采集器根据安装高程h₀修正实际水位；
8)数据采集器通过通信终端将水位数据发送至中心站；
其中水位计算公式为：
h=P0(1+MNgRTH)+PAa(MN-Ma)gRTHg(ρ-PAaMaRT)---(E13)]]>
其中，
h：水深
P₀：恒流式气泡水位计测量输出压力
M_N：氮气分子量
M_a：空气气分子量
g：恒流式气泡水位计安装现场的重力加速度
R：气体常数
T：恒流式气泡水位计安装现场的绝对温度
H：恒流式气泡水位计气管两端的竖直高差
P_Aa：恒流式气泡水位计安装现场的大气压力
ρ：恒流式气泡水位计安装现场水的密度。

一种恒流气泡式自动水位测量方法
技术领域
本发明属于传感器测量领域，特别涉及采用恒流气泡式水位计自动进行水位测量的方法。
背景技术
恒流气泡式水位计的工作原理：感压单元经过气路装置与气管相连，气管的开口端固定在水面下，当气路装置中的气压和水压达到平衡时，感压单元将该压力转换为水位高度。
与传统的浮子式水位计相比，恒流气泡式水位计具有安装简单、无需建水位井、土建工作量小、投资少、建设周期短、量程大等优点，目前在水文自动测报系统中应用越来越广泛。
但在很多应用场合，恒流气泡式水位计的测量值和人工观测值之间存在较大误差，并且水位变幅越大则误差越大。目前普遍认为这种误差是现场的重力加速度及水密度与理论值之间的差异造成的。
发明内容
本发明的目的在于克服国内、外恒流气泡式水位计测量误差随水位变幅增大而增大的不足，分析了误差存在的关键因素，提供了一种自动水位测量方法，有效地提高了测量准确性。
本发明提供了一种自动水位测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据安装位置的经纬度和海拔高度，查表得到重力加速度g；
2)测量导气管两端口的竖直高度差H和排气口安装高程h₀；
3)通过置数装置将重力加速度g、气管端口高度差H和排气口安装高程h₀输入数据采集器；
4)数据采集器定时采集恒流式气泡水位计的压力输出值P₀和管内气体温度T；
5)数据采集器定时采集气压计的压力输出值P_Aa；
6)数据采集器根据公式(E13)计算水头高度；
7)数据采集器根据安装高程h₀修正实际水位；
8)数据采集器通过通信终端将水位数据发送至中心站。
附图说明
图1是自动水位测量系统结构。
图2是恒流气泡水位计安装结构。
图3是本发明的流程图
具体实施方式
本发明的水位自动测量方法，包括遥测站1和中心站2，如图1所示。遥测站由置数装置3、数据采集器4、气压计5、恒流气泡式水位计6、通信设备7和电源8组成。中心站由通信设备9、计算机10和电源组成11。
水位测量流程如图3所示。数据采集器按照预先设定的工作方式，定时采集恒流式气泡水位计的压力输出值P₀和管内气体温度T，以及气压计的压力输出值P_Aa，根据公式(E13)计算水头高度，根据高程修正实际水位，经过通信终端将水位数据发送至中心站，进行显示、存储和处理。
气泡式水位计的安装方式如图2所示。感压单元12、氮气瓶13和气路恒流器14安装在水位测量站房15内，通过导气管16与安装在水面17下方的固定防护设备18相连。气路恒流器能感应水压变化，并自动调节气体流量，使氮气瓶内的气体通过导气管以恒定压力向外排放。导气管的一端安装在水下，另外一端和气路恒流器相连，正常状态下气管中充满氮气，导气管水下端口处的压力和水压平衡。感压单元和气路恒流器相连，接收到数据采集器的指令后，测量导气管内的温度及气压并将数值返回给数据采集器。
在气管水下部分末端的气液相交处18，该位置的管内气压始终是水压加上该位置的大气压，感压单元测量的是气管另外一端12的压力和该位置大气压的差值P₀并送数据采集器。
该测量方式以两个假设为前提：位置12和位置18的大气压力相等，且两处导气管内的气体压力相等。实际上站房的高程要大于导气管水下末端的高程。而气体受重力影响，在竖直方向上压力是随高度递减的。因此上述假设会带来误差。
设位置12处大气压力为P_Aa，氮气压力为P_AN。则
P_AN＝P₀+P_Aa                   (E1)
设位置17处大气压力P_CA，位置18处的氮气压力为P_CN，水深(位置17到位置18)为h，水密度为ρ，重力加速度g。则
P_CN＝P_CA+ρgh                     (E2)
应用微分方法分析气管中的一小段氮气气柱，气柱下端和上端的压力差为dp，气柱竖直高差为dz。则
dp＝-ρ_Ngdz                 (E3)
气管中的氮气可以看成理想气体，根据克拉伯龙方程，
PVT=mRMN---(E4)]]>
其中m和V都取国际标准单位
可导出
PT=1000ρNRMN---(E5)]]>
其中
P：氮气压力
T：氮气温度
ρ_N：氮气密度
R：气体常数，等于8.3145J·mol^-1·K^-1
M_N：氮气分子量
将式(E5)代入式(E3)，得
dpP=-MNg1000RTdz---(E6)]]>
两边取定积分，得
∫pBNpANdpP=-∫hBhAMNg1000RTdz---(E7)]]>
设气管两端高差为H，得
PCN=PANeMNg1000RTH---(E8)]]>
同理，得
PCA=PAaeMag1000RT(H-h)---(E9)]]>
其中M_a是空气平均分子量
由式(E1)、式(E2)和式(E9)，得
PAaeMag1000RT(H-h)+ρgh=(PAa+P0)eMNg1000RTH---(E10)]]>
上式中，P_Aa、H、M_a、g、R、T、ρ为均已知量，这样h和P₀的关系可以由上式解出。考虑到上式中和近似等于0，应用麦克劳林公式展开可得(取一阶导数)
eMag1000RT(H-h)≈1+Mag1000RT(H-h)---(E11)]]>
eMNg1000RTH≈1+MNg1000RTH---(E12)]]>
最终可得出水位计算公式
h=P0(1+MNg1000RTH)+PAa(MN-Ma)g1000RTHg(ρ-PAaMa1000RT)---(E13)]]>
从上式可以看出，实际影响水位测量值的参数有：气管两端口的竖直高差H、重力加速度g、气体温度T、水的密度ρ及感压单元的大气压P_Aa。
目前所有的恒流式气泡水位计在进行压力与水位的转换时使用的是经典计算公式(E14)，水位测量值只与重力加速度和水密度有关，在进行转换计算时取的重力加速度为标准重力加速度(g＝9.80665m/s²)，水密度为4℃时的密度(ρ＝1000Kg/m³)。
h=P0ρg---(E14)]]>
在多个恒流气泡式水位计安装现场，特别是气管两端竖直高差较大的情况下，均发现水位的人工观测值和采用公式(E14)的自动测量值之间存在较大误差，而采用用公式(E13)进行转换计算的结果和人工观测值有很好的一致性，最大误差不超过0.01米，且与量程无明显的相关性，见表1。
假设P₀＝98066.5Pa，g＝9.80665m/s²，ρ＝1000Kg/m³，标称水位10m，用式(E13)计算误差随H的变化，用式(E14)计算误差随g和ρ的变化，见表2。
表1：水文站水深数据对比表                                单位：米

可以看出，使用经典公式(E14)的误差基本呈线性增长，而使用(E13)公式计算的结果和现场实际观测结果非常吻合。
表2：不同因素对测量误差的影响对比                  单位：米


可见，从赤道到北极，重力加速度的变化导致的水位变化仅仅0.03米；温度从0℃到20℃变化，由水密度变化导致的水位变化范围不到0.02米；远比气管两端口高差引起的误差要小得多。
本发明提出了更精确的水位测量方法，并揭示了气管两端口的竖直高差是影响恒流式气泡水位计水位测量值精度的主要原因。在很多应用场合下，恒流式气泡水位计安装时气管两端的高差都超过了50米，本发明可以明显弥补经典测量方法所忽略的误差，使测量结果更接近水位的真实值。