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：
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•
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•
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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。
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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
•
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