声学水位计及遥测方法与实现

　　一、引言

　　我国地处太平洋西北部,东南沿岸濒临渤海、黄海、东海和南海、潮汐(水位)观测历来是国家的常规观测项目。准确、实时的水位测量、及时的风暴潮预报等对船舶进港导航、海上工程以及沿岸设施等都具有十分重要的意义。

　　SCA6-1型声学水位计是国内新型水位测量仪器,采用声管传输声信号,应用空气声学回声测距原理进行水位变化测量。广泛应用于海上工程单位、港口和国内水文观测部门,为海工前期水文调查、港口调度、海平面监测等提供及时可靠的水位数据。

　　本文将介绍SCA6-1声学水位计及其实现水位遥测的方法和技术。

　　二、声学水位计

　　1.工作原理

　　SCA6-1声学水位计测量原理如图1所示,由收发共用探头发射一声脉冲,经声管传声L声程遇水界面产生反射,反射波(下称回波),又经L声程由同一探头接收。只要测得声波(由发射至接收到回波)在空气中的传插时间t及现场声速c,就可测算出探头发射面至水面的距离,即:

　　为了对由于温、湿度差引起声速变化带来声程的误差进行补偿,在设计上采有了自校准技术。在连接探头的第一节声管(校准管)的已知距离上开一校准用小。发射脉冲首先遇这一界面产生反射回波。这一回波传播的声程2L0已知,传插时间t0可测出,声速若为c0则有:

　　取(1)、(2)式声程的比,则:

　　若声管内温“湿度均匀,即传播声速均匀一致,则声速c、c0可视为相同,这样(3)式就可简化为:

　　由此可知,发射声脉冲后测得t0、t即可测算出声程L,从而求出水位值。

　　2.系统组成

　　3.主要技术指标及特点

　　(1)主要技术指标

　　①水位测量范围:0~10m;

　　②测量准确度:±1cm;

　　③采样速率:1~2次/s;

　　④内存容量:可存储两个月测量数据;

　　⑤工作环境温度:

　　-10℃~+50℃(探头部分)

　　0~+40℃(主机部分)

　　⑥功耗:≤1W(无显示及打印)整机功耗≤6W

　　⑦电源:交流220V±10% 50Hz±2Hz或直流12V±1V　可以交直流自动切换

　　(2)工作方式

　　每间隔6分钟(或任选)显示并打印一组时间、水位值,原始数据存入仪器内存,仪器可与计算机通过RS-232C相连,进行数据后处理。

　　(3)主要特点

　　①声波回声测距为非接触式测量;

　　②声波在声管内传播,能量集中,受外界干扰小;

　　③采用自校准技术对传播声速起补偿作用;

　　④声管和保护管的应用及软件中的数字滤波对消波和平流有一定的作用,为无井验潮提供了可能。