水位雨量监测(南京水利水文自动化研究所姚永熙)(简化版一)
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Transcript 水位雨量监测(南京水利水文自动化研究所姚永熙)(简化版一)
水文测验仪器
水利部
南京水利水文自动化研究所
姚永熙
一、水位雨量监测仪器
二、流速流量监测仪器
三、泥沙蒸发墒情水质监测仪器
四、自动测报系统
一、水位雨量监测仪器
水位监测仪器
水位监测仪器分类
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(1)水尺。
(2)直接接触式测量。包括水位测针、悬锤式水位计。
(3)浮子式水位计。
(4)压力式水位计。 还有少量振弦式测压仪器。
(5)超声波水位计。 可分为气介质和液介质两类。
(6)微波(雷达)水位计。利用微波在水面的反射测量
水位.
(7)电子水尺。触点感应式水位测量装置,
水尺、水位测针、悬锤式水位计、浮子式水位计、压
力式水位计、液介式超声水位计、电子水尺属接触式测
量方式。
气介式超声水位计、微波(雷达)水位计、少量应用
的激光水位计属非接触式测量。
直接接触式测量
水位测针——
用于实验室和小的堰槽法流量计中的水位测量
悬锤式水位计——
用于地下水位测量。国外常用于水位测井内的水位
测量,国内没有这样使用。
浮子式水位计
• 浮子式 日记水位计
• 浮子式长期自记水位计
• 浮子式遥测(编码)水位计
浮子式遥测(编码)水位计
水位编码器的作用
• 水位编码器的作用是将水位轮的旋转角度、位置转
换成代表相应水位的数字信号或模拟信号。 但基本
是一组代表数字量的开关状态或电信号。
• 水位轮通过一组齿轮传动和轴角编码器相联,将水
位轮的旋转传递到编码器的输入轴,编码器的输入
轴每转一圈代表的水位变化和输入轴的信号分度完
全对应。编码器将其轴的角度转动变化转换成数字
量输出。这类编码器称为轴角编码器。浮子感应系
统和编码器组成浮子式遥测水位计。
• 编码器可以是专门制造的,也可以使用工业上的通
用编码器。它的内部有一组信号发生机构,基本是
通断开关信号,或光电脉冲信号。
水位编码器的分类
• 1) 按编码方式分类——
• 增量编码器——将水位的升降变化转换成相应的
脉冲输出,接收器判别脉冲的性质以决定水位的升
降变化,在原水位上加上此变化,得到现水位。
• 全量型编码器——将水位数字的全量转换成一组
编码,并以全量码输出,接收器将这一组全量码转
换成水位数字。
• “半全量编码”方式。
• 2) 按编码的码制分类—— 增量型和全量型的编码
码制都有多种类型, 水利部的遥测水位计标准推荐
使用格雷码(Cray Code)和二—十进制编码——
BCD码(Binary Coded Decimal)两种方式,都是
全量编码。
• 3) 按编码信号的产生方式分类—— 可分为机械
接触信号和光电信号两个主要类别。
BCD码简介
• BCD码是一种通用的编码方式。它将十进制数字中的每一位数用
二进制的方法进行编码,得到一组二进制数字代表一个十进制数。
按照二进制规律,十进制中0~9可用下表的四位二进制数代表。
如 果 水 位 是 17.62m , 对 照 下 表 , 1762 可 以 用 0001 0111 0110
0010 16个二进制数表示。这种编码方式就称为BCD码。
• 表 十进制和二进制转换
十进制
二进制 十进制
二进制
•
0
0000
5
0101
•
1
0001
6
0110
•
2
0010
7
0111
•
3
0011
8
1000
•
4
0100
9
1001
格雷码(Cray Code)简介
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•
格雷码是循环码的一种,其主要特点是相邻二数字(十进制
数)的二进制编码中仅有一位发生变化(单位间隔码) 。 十
进制的0~15用格雷码表示如下表所示。
十进制
0
1
2
3
4
5
6
7
格雷码
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
十进制
8
9
10
11
12
13
14
15
格雷码
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000
格雷码编码器即使在变化的两个数字的中间状态,其输出也只相
差一个分辨力,从而可以适应输入轴的连续变化而不会出错。码
盘码轮结构简单,所以格雷码成为主要的使用码制。格雷码编码
器的量程是按二进制计算的,使用范围都是2n。用于水位测量
时,一般制作成28(256)、210(1024)、212(4096)。
压力式水位计
• 投入式压力水位计
·
直接感压式(压力传感器投入水中测量)
• 气泡式压力水位计
间接感压式(压力传感器在岸上引压测
量)
--恒流式气泡水位计
--非恒流式气泡水位计
——感压元件:压阻式压力传感器
陶瓷电容压力传感器
振弦式压力水位计
压力式水位计的基本工作原理
•
压力传感器所在位置的测点相对于水位基面的绝对高程,
加上该测点以上实际水深即为水位。测点的静水压强为:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
p= Hr
式中:p——测点的静水压强,g/cm2;
H——测点水深,即测点至水面距离,cm;
r——水体容重,g/cm3。
推算得测点水深: H = p/r
测点水位 : HW = H0 + p/r
式中:H0——测点的绝对高程;
HW——测点对应的水位。
当水体容重已知时,只要用压力传感器精确测量出测点的
静水压强值,就可推算出对应的水位值。
•
实际应用时,在水下测得的是水上大气压强加上测点静水
压强的和。需要自动消除或减去单独测得的大气压强。
气泡式水位计工作原理
•
气泡式压力水位计是压力式水位计的一种,工作过程中要通过
吹气管向水中吹放气泡,因而被称为气泡式水位计。
•
气泡式水位计有一根吹气管,管口固定在最低水位下。另一端
接入岸上仪器的吹气管腔(气包)。此吹气管腔联接有高压气瓶
或气泵。其引压原理基于:在一个密封的气体容器内,各点压强
相等。也就是说:如果气水分界处正好在管口,而气体又不流动,
或基本不流动(只冒气泡),那么吹气管出口处的气体压强和该
点的静水压强相等,又和整个吹气管腔内的压强相等。将压力传
感器的感压口置于吹气的管腔内,测得的压强就是出气口的静水
压强值,即可换算得到该测点位置对应的水位。
•
要使吹气管出口处的气体压强和该点的静水压强相等,可采
用两种方法:一种是仪器的自动调压恒流装置保证气体流量小而
稳定,间断地冒气泡。这时可以认为气体压强等于出气口的静水
压强,称之为恒流式气泡水位计。
•
另一种方式是测量时启动气泵,使气体压强超过出气口的静
水压强,打通气管,然后气泵停止工作,出气口的出气很快停止,
此时管内压强等于静水压强,仪器快速自动测出此压强。这种方
式称为非恒流式气泡水位计。
影响压力水位计水位测量准确性的因素
•
•
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•
•
•
•
•
•
•
传感器因素(陶瓷电容传感器优于固态压阻式))
(1)压力传感器的零点漂移对水位测量的影响
(2)压力传感器的灵敏度漂移对水位测量的影响
(3)压力传感器的线性、温度漂移对测量的影响
环境因素
(4)大气压力变化对水位测量的影响
(5)波浪对水位测量的影响
(6)流速对水位测量的影响 。
(7)含沙量对压力水位计测量精度的影响
(8)水体含盐度变化对水位测量精度的影响
超声波水位计
• --液介式超声波水位计
• --气介式超声波水位计
超声波水位计的工作原理及组成
安装在空气或水中的超声换能器,将
电脉冲信号转换成同频率的声脉冲波,
定向朝水面发射。此声波束到达水面
后被反射回来, 被换能器接收。
根据声波的传播速度C和传播历时t,
可以计算出换能器离水面的距离H。
H=Ct/2
换能器安装在水中的,称之为液介式
超声波水位计,而换能器安装在空气
中的,称之为气介式超声水位计,后
者为非接触式测量(见右图)。
由换能器安装高程可以得到水面高程,
也就是水位。
一种液介式超声波水位计
技术指标
·· 测量范围:单级0.5~10
(15m),可联四级达到
60m量程。
··盲 区: ≤0.5m
··使用环境:
流速: ≤3.0m/s
含 沙 量: ≤10kg/m3
水温: 0℃~+40℃
··水温测量修正精度:≤±0.2℃
·· 水位分辨率:1.0cm
··水位准确度:在量程范围内,误差≤±3cm的置信水平>95%。
··水位重复性误差:在量程范围内,误差≤±2cm。
··时钟误差: ≤±2分钟/月。
··电 源: 12VDC (-8%~+10%)/36AH可充电电池
··固态存贮:可自动存贮 24段制13个月(64K)、6个月(32K)
··接 口: RS232-C标准通讯口
超声波水位计的特点
• 超声波水位计是无测井水位计的一种 。
• 气介式超声水位计 和水体没有接触,优点明显:
• (1)避开了水下环境。 对流速、水质、含沙量都没有任何
限制。
• (2) 空气中的环境有利于提高仪器功能和准确性。
•
气介式超声波水位计主要用于不宜建井,也很难架设电缆、
气管到水下的场合,例如河滩、浅水等地区。
•
水体较深,水位变化很大的地点可以考虑应用液介式超声
水位计。
•
使用超声测量仪器要考虑仪器“盲区”影响,即测量范围
的下限。液介式盲区一般小于0.5m;气介式一般小于1m。
• 声速变化是影响超声波水位计测量准确度的主要因素。
•
超声波水位计误差较大,使用性能比不上雷达(微波)水
位计,使用得较少。
超声波水位计水位测量准确性影响因素
•
•
•
•
1.温度影响——主要影响
声速 C 的变化将直接影响测量准确度。对于4℃~
35℃的水温变化范围,声速的变化量约6%,温度
变化1℃,声速变化约0.2%。对于0℃~40℃的气温
变化范围,声速的变化量约7%。仪器都同时测量
温度,用来修正水位值。但对于10m水位量程的测
量,如果温度测量误差达1℃,引起的水位误差可
达2cm。准确性不高,影响了这类仪器的应用。
只能用一点的温度进行修正,不能代表整个声程
上的温度。
2.测量电路影响——可忽略
3.波浪影响 ——可用多次测量平均方法消除
微波(雷达)水位计工作原理
• 微波水位计的工作原理与气介式超声波水位计完全
一致,只是不再使用超声波,而是向水面发射和接
收微波脉冲。雷达发射接收的是微波,所以微波水
位计也称为雷达水位计。
• 与超声波相比较,在空气中传播时,微波有明显优
点:
• 微波在空气中的传播速度可以被认为是不变的,
这就无需温度修正,大大提高了水位测量准确度。
• 微波在空气中传输时,损耗很小。不象超声波那
样,必须要有较大功率才能传输(包括反射)通过
较大的距离,因而超过10m水位变幅,气介式超声
水位计就很困难。而微波水位计可以用于更大的水
位变化范围。
微波(雷达)水位计的特点和测量准确性
• 一.特点
•
微波水位计既不接触水体,又不受温、湿度环境影响。它可
以用于各种水质和含沙量水体的水位测量,准确度很高 ,可
以在雾天测量。水位测量范围大并且基本没有盲区,功耗较
小,便于电源的设置。 但这类仪器较贵。空中的雨滴、雪花
会影响它的测量 。
• 二.准确性分析
•
微波在空气中的传输速度不受温度影响,没有因温度影响造
成的水位误差。 微波的波长远远短于超声波,所以其信号误
差完全可以忽略。因此,微波水位计的理论准确度很高。但
波浪影响、分辨力误差仍然存在。上述国外典型产品的水位
测量范围为20m,水位测量准确度仍为±1cm,这是其它水位
计难以做到的。
激光水位计简介
•
工作原理——和气介式超声水位计、微波水位计完全相
同。但发射接收的是激光光波。
•
特点和应用—— 激光水位计具有量程大,准确性好的优
点。 但它对反射面要求较高,使它不能普遍应用。
激光发射到水面后,很容易被水体吸收,反射信号很弱,
可能测不到水位。 有些仪器明确要求在水面上设一反射物
体,增强激光反射信号。此反射体可以是漂浮在水面上的任
何固体。 但要使它固定地漂浮在仪器下方的水面上就极其
困难了。 微波水位计不存在这个问题 。所以激光水位计难
以应用在一般测站。
激光水位计 使用中更容易受雨、雪影响。
•
准确度分析——激光光速极为稳定,光的频率更高,传
播的直线性很好。所以激光水位计的水位准确性很好,也非
常稳定。
电子水尺
触点式电子水尺
其它形式的电子水尺 ,如磁致伸缩线
性位移(液位)传感器。
触点式电子水尺的工作原理
•
此类电子水尺由绝缘材料制作水尺尺体,尺体上
每隔一定距离(一般是1cm)出露一个金属触点。
每一触点都接入内部电路。 被水淹到的触点和大地
(水体)之间的电阻或是与水尺上水中某一特定触
点的电阻发生变化。内部电路检测到所有被水淹到
的触点,其中最高的就是当时的水位所在位置。
•
另一种电子水尺的尺体是一直径较大的中空圆
筒,筒壁内等间隔(一般是1cm)安装有多个干簧
管。 尺体中间构成一个小直径的水位测井。内装
有一浮体,在浮体上安装一磁钢。水位变化时,此
浮体联同磁钢升降,使相应位置的干簧管导通。用
检测电路检测到最高位置的导通干簧管,就可测得
水位。适用于较小变幅水位的测量。
触点式电子水尺的特点和应用
触点式电子水尺的特点是水位准确度不受水位测量范围和
水质、含沙量以及水的流态影响。适用于大量程水位测量和
复杂水流处。 尺体可按使用场地的需要制造成斜坡形、圆
弧形,以及任何不规则形状。可以用于很多特殊场合,如坝
面、涵洞内等。
•
电子水尺需要安装在水中,也可能露出水面。相互之间
要用电缆相联接。 它可以用于大量程水位测量,但大量程
的水位测量会有较多水尺分布在较大范围的岸坡上,很难不
受各种干扰,防护也很困难。 反而难以采用这种水位测量
方式。
•
信号传输线的防电磁干扰、防雷击的要求也很难处理。
•
另外,尺体是一个较复杂的传感器, 尺体的密封要求很
高,又有密封信号电缆的引出。在恶劣的室外、水下环境下,
可靠性会很受影响。除非有很好的材料、结构、工艺方面的
保证。
•
降水测量仪器
降水测量仪器分类
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雨量器(雨量筒)
虹吸式雨量计
翻斗式雨量计
光学雨量计
其它雨量计,如称重雨量计 、浮子式雨
量计、容栅式雨量计等
雷达测雨系统
雨雪量观测仪器(加热式、不冻液式、
压力式、称重式雨雪量计)
雪量计(称重式、雪深测量式)
感雨传感器
雨雪量计类型
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加热式雨雪量计
不冻液式雨雪量计
压力式雨雪量计
称重式雨雪量计
水位雨量(水文)数据记录
• 划线模拟记录
• 数字打印记录
• 固态存贮器记录
谢谢
南京水利水文自动化研究所
姚永熙 2012