CN110186538A - 一种河工试验水位计及其参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河工试验水位计及其参数标定方法，水位计包括水位测量装置、水箱、用于测量水箱基准水位的测针以及与水箱连通且用于测量水箱出水压力的压力传感器，所述压力传感器下方固定设置有浮盘，所述浮盘中央贯穿有与压力传感器相对设置的超声波探头，所述超声波探头与所述压力传感器均电连接所述水位测量装置。参数标定方法包括测得盛水量筒的水位z _盛水量筒；测出水箱基准水位z _a ，压力传感器端面与基准水位之间的垂直距离h ₁，超声波探头端面与盛水量筒水面的垂直距离h；通过h ₂=z _a ‑z _盛水量筒‑h ₁‑h得出超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h ₂。明显减少水准仪跟测法的观测环节和人为因素，减少观测精度的影响因素，提高观测精度。

Description

一种河工试验水位计及其参数标定方法

技术领域

本发明涉及水利工程测量技术领域，具体为一种河工试验水位计及其参数标定方法。

背景技术

水位作为指示河流、库区汛情的基本水文要素之一，是水情信息的重要组成部分，也是防洪调度及洪水预报的重要依据。因此，水位历来都是水利等工程研究的主要内容，是防洪、航道和桥梁等工程设计的必要参数，也是水工和河工模型试验研究的必测内容。

目前，用于水工和河工模型水位测量的仪器主要有测针水位计、超声波水位计等，其中，测针水位计测量是采用连通管原理，将河道水位引入模型外的量筒内读取；而超声波水位计是利用超声波测出探头与水面的距离，再由超声波的固定高程计算出水位。但是，以上两种固定水位计只能测一个测点的水位，而一般山区航道模型需要200多个测点，这样就会存在以下技术问题：第一，测量仪器购置成本大幅增加，且占据大量试验场地，试验空间布置十分困难；第二，试验中因方案优化等原因测点位置时常改变，而大多测点事先无法预见，难以采用固定水位计施测；第三，固定水位计安装十分费时，会大幅度延长试验研究时间；第四，由于测量仪器过多过密，试验过程中常发生碰撞而变位，常常需要花费较多的时间去重新校核零点，同时也影响测量精度。

为了解决以上的技术问题，现目前采用水准仪跟测法，既移动超声波水位计至测点，采用水准仪临时施测水位计的零点，该方法是一种临时性测量法，但是，水准仪跟测法还存在以下技术问题：

(1)费力：由于需要水准仪跟读，测量一般同时需要5人完成(水准仪观读、记录，水准尺掌控、精准定位，水位计观读)。

(2)费时：由于水准仪跟测法每个测点需要重新施测零点，加之水准仪调焦、调向、整平等环节观测时间相对较长，且一个工况需要大量的测点，同时单点的观测环节多，一个工况需要花费相当长的时间，十分费时。

(3)精度受限：由于观测环节多，且多为人工环节，量测精度受到明显影响。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种如何减少观测环节，同时，提高观测精度的河工试验水位计及其参数标定方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种河工试验水位计，包括水位测量装置、水箱、用于测量水箱基准水位的测针以及与水箱连通且用于测量水箱出水压力的压力传感器，所述压力传感器下方固定设置有浮盘，所述浮盘中央贯穿有与压力传感器位置相对设置的超声波探头，所述超声波探头与所述压力传感器均电连接所述水位测量装置。

本发明的工作原理在于：将水位计放置在施测水面上方，使得超声波探头位于施测水面的上方，而水箱位于压力传感器的上方。然后，记录以下数据：

通过测针实现水箱基准水位z_a的测量。

利用压力传感器检测水箱出水压强数据，将该压强数据传递至水位测量装置，水位测量装置根据h₁＝P/γ,γ是水的容重，从而计算出压力传感器端面与基准水位之间的垂直距离h₁。

利用超声波探头的超声波反射信号传递至水位测量装置，由水位测量装置自动算出超声波探头端面与施测水面的垂直距离h。

由于超声波探头和压力传感器为相对设置，其超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂已为固定值，预先使用测量仪器测出h₂值并固化存储。

这时，根据几何关系和连通管原理，可得：z_a＝z+h+h₂+h₁，既得到z＝z_a-h₂-h₁-h，而水箱基准水位z_a已固定，即z_a-h₂为一固定值。水位计移动引起的零点变化体现在h₁，通过压力传感器计算得到h₁，因此，计算得到施测水位z。

本发明的有益效果在于：

1、与现有技术相比，在测量河工模型水位时，只需要移动本方案的水位计，实现在不干扰水流下能够快速测量任意一点的水位，从而解决固定水位计无法大量测量临时测点的水位的难题，而且具有高效灵活、适用范围更广的特点。

2、与现有技术相比，本方案通过测针计算出基准水位后，再通过压力传感器和超声波探头所测的数据直接传递至水位测量装置，利用水位测量装置数据计算得出施测水位，整个测量过程只需要一人完成测针观读、记录、精准定位以及水位计读数，减少了人力成本和时间。

3、与现有技术相比，本方案明显减少水准仪跟测法的观测环节和人为因素，继而减少观测精度的影响因素，提高观测精度。

优选的，所述水位测量装置中存储有超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂，用于接收通过测针测量的水箱基准水位z_a，并根据超声波探头和压力传感器的检测数据分别测算出测量得到的超声波探头端面与盛水量筒水面的垂直距离h和压力传感器端面与基准水位之间的垂直距离h₁，且通过如下公式测算得出待测水位z：z＝z_a-h₂-h₁-h。

优选的，所述浮盘下方设置有与浮盘紧密连接的基准圆盘，所述基准圆盘中央设置有供超声波探头伸出的第三圆孔，所述基准圆盘与所述浮盘之间设置有若干个用于控制浮盘水平的脚螺旋。

本方案根据重心越低越稳定的原理，设置与浮盘紧密连接的基准圆盘实现了水位计重心位于水位计底部，提高了水位计的稳定性，同时，设置第三圆孔实现了超声波探头定向固定，不会因为水流改变超声波探头的位置，另一方面，在基准圆盘与浮盘之间设置脚螺旋实现了对浮盘水平面的调节，从而调节整个水位计的水平，能够精确读数。

优选的，所述浮盘上设置有与脚螺旋相配合的螺丝帽，所述基准圆盘设置有与脚螺旋相配合的螺丝钉。

本方案通过螺丝帽实现稳固脚螺旋和浮盘，而通过螺丝钉不但实现脚螺旋的稳固在基准圆盘和浮盘之间，而且，螺丝钉还将基准圆盘和浮盘紧密连接在一起，使得水位计的重心位于水位计底部。

优选的，所述浮盘上设置有两个水平放置的气泡水平仪，所述两个气泡水平仪互相垂直。

本方案通过将水准管水平放置实现了与浮盘相互平行，更能精确的检测出浮盘是否处于水平状态，同时，将两个水准管设置成互相垂直状态，是为了实现观察浮盘水平面的横向面和纵向面是否处于水平状态。

优选的，还包括软管，所述软管的两端分别连接所述水箱和所述压力传感器。本方案的软管具有柔软性、重复弯曲性和挠性好的特性，因此，在水位计移动的过程中，水流的冲击不会冲掉连接水箱和压力传感器的软管。

优选的，还包括圆盘，所述压力传感器贯穿且固定在所述圆盘中央。本方案通过圆盘实现对压力传感器的限位，使得压力传感器与超声波探头保持固定的位置，从而使得压力传感器端面与超声波探头端面的垂直距离h₂值更加精确。

优选的，所述浮盘与所述圆盘之间设置有三个固定钢筋。

本方案通过设置固定钢筋实现圆盘和浮盘的连接，同时，固定钢筋使得圆盘和浮盘有一定的距离，该距离使得压力传感器避免受到超声波探头的干扰。另一方面，根据三角形稳定性的原理，设置了三个固定钢筋分别连接圆盘和浮盘，使得圆盘和浮盘的连接更加稳固。

优选的，所述软管采用内径为5-10mm的橡胶软管。采用橡胶软管是为了实现水位计重量轻、口径一致性好，保证水箱出水压强。

在实际操作过程中，发明人发现超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂，用直尺等测量仪测量的数值难以准确，因此，在进行河工试验水位测量之前，需要对超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂进行标定，本发明一种河工试验水位计的参数标定方法，包括如下步骤：

S1：取盛水量筒，采用固定水位计测得盛水量筒的水位z_盛水量筒；

S2：将权利要求1所述的河工试验水位计放置在盛水量筒的上方，并记录以下数据：通过测针测出水箱基准水位z_a，压力传感器端面与基准水位之间的垂直距离h₁，超声波探头端面与盛水量筒水面的垂直距离h；

S3：将S2中测量数据收集并整理，进行超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂计算，通过h₂＝z_a-z_盛水量筒-h₁-h得出超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂；

S4：将得到的超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂的数据存入水位测量装置中，完成河工试验水位计的参数标定。

本发明的有益效果在于：通过以上标记方法测算出来的超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂值更加精确，这是由于超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂不是通过人为进行观测读数，减少了人为带来的影响，通过本方案的标定方法也提高了整个水位计的观测精度，使得施测水位z更加精准。

实现了人力成本的减少，不需要人为跟读数据，只需要水位测量装置自动计算数据，最终实现水位计的智能化。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明一种河工试验水位计的结构示意图；

图2为图1中A-A处的剖视图；

图3为河工试验水位计的参数标定的流程图。

附图标记说明：测针1、水箱2、橡胶软管3、集成盒4、数据线5、压力传感器6、圆盘7、固定钢筋8、浮盘9、脚螺旋10、基准圆盘11、超声波探头12、施测水面13、高程基面14、螺丝帽15、水准管16、水准气泡17、第二圆孔18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本实施例如附图1所示，一种河工试验水位计，包括集成盒4、水箱2和位于水箱2下方的支架，支架包括从上至下依次设置的圆盘7、浮盘9和基准圆盘11，圆盘7、浮盘9和基准圆盘11的盘面相互平行，圆盘7采用直径为80mm，厚度为6mm的钢制圆盘7，圆盘7中心开有直径为11mm的第一圆孔；浮盘9采用直径为100mm，厚度为6mm的钢制圆盘7，浮盘9中心开有直径为11mm的第二圆孔18，第二圆孔18周围有三个小圆孔；浮盘9面积是圆盘7面积的两倍，圆盘7与浮盘9通过与固定钢筋8焊接，使得圆盘7与浮盘9紧密连接，而固定钢筋8为三根，且直径为4mm。

第一圆孔内安装有压力传感器6，压力传感器6端面套有软管，软管与压力传感器6的连接处具有气密性，保证压力传感器6能准确测量软管出口的水压，本实施例中的软管采用内径为5～10mm橡胶软管3，软管与水箱2底部连通，本实施例中的水箱2采用混凝土或钢板制作，水箱2顶部安装有测量水箱2基准水位的测针1，本实施例中除了使用测针1进行测量基准水位，还可以使用深度游标尺，可以测量水箱2内的液面高度。

如图2所示，第二圆孔18内安装有超声波探头12，超声波探头12与压力传感器6相对设置，超声波探头12与压力传感器6通过数据线5连接集成盒4，集成盒4连接水位测量装置，水位测量装置可采用电脑、手机等，水位测量装置内安装有测量软件，浮盘9上设置有两个水平放置的气泡水平仪，两个气泡水平仪互相垂直，气泡水平仪内设置有水准管16，水准管16采用玻璃材质制成，水准管16内设置有水准气泡17，如水准管16内的水准气泡17居中时，则说明浮盘9是水平的。

基准圆盘11采用直径为100mm，厚度为6mm的钢制圆盘7，基准圆盘11中心开有直径为40mm的第三圆孔，超声波探头12端面伸出第三圆孔。基准圆盘11与浮盘9之间设置有三个脚螺旋10，脚螺旋10通过螺丝帽15固定在浮盘9的小圆孔上，脚螺旋10通过螺丝钉固定在基准圆盘11上，通过调节脚螺旋10，从而控制水准气泡17位于水准管16中部，使得浮盘9水平。

本发明水位计进行水位测量使用过程如下：

首先，检查橡胶软管3内是否有气泡，如有气泡应将气泡排出后，再连接压力传感器6；检查完后，将水位计放置在施测水面13上方，使得基准圆盘11位于施测水面13的上方，而水箱2位于圆盘7的上方，通过调节脚螺旋10，保持水位计处于水平状态。

然后，水箱2顶部的测针1通过固定的水位零点，测出水箱2的水位，即基准水位z_a；

由于超声波探头12位于施测水面13的上方，施测时，通过超声波探头12的超声波反射信号经数据线5传递至集成盒4，集成盒4将超声波反射信号传递至水位测量装置，由水位测量装置自动算出超声波探头12端面与施测水面13的垂直距离h；

而压力传感器6所测水箱2出水的压强P，根据h₁＝p/γ，γ是水的容重，从而计算出压力传感器6端面与基准水位之间的垂直距离h₁；

由于水位计制作完成后，超声波探头12端面与压力传感器6端面之间的垂直距离h₂已为固定值，再通过尺寸测量仪器测量的方式、或者测量标定的方式确定出超声波探头12端面与压力传感器6端面之间的垂直距离h₂。

最后，根据几何关系和连通管原理，可得：z_a＝z+h+h₂+h₁，既得到z＝z_a-h₂-h₁-h，由于水箱2适当遮掩，短时间内蒸发、渗漏可忽略，而z_a已固定，即z_a-h₂为一固定值。水位计移动引起的零点变化体现在h₁，因此，得到施测水位z，z为施测水面13与高程基面14垂直距离。

本发明的有益效果在于：

(1)可移动观测，大幅节省仪器购置和安装费用。本研制的水位计避免了大量布置固定水位计导致的试验场地布置难题，大幅度节约了仪器购置费用以及安装时间。

(2)快速观读，较大幅度节省人力和时间。本研制的水位计观读水位只需1人，与水准仪跟测法相比，可节省人力60％，节省时间50～70％。

(3)提高观测精度。本研制的水位计大幅减少人为环节，观测精度明显提高。

然而，在水位计实际操作过程中，发明人发现使用直尺等测量仪器测量超声波探头12端面与压力传感器6端面之间的垂直距离h₂值是难以量测准确，因此，在进行河工试验水位测量之前，会对本发明的水位计中的超声波探头12端面与压力传感器6端面之间的垂直距离h₂值进行标定，其标定方法如图3所示，具体如下：

第一步骤：取盛水量筒，采用固定水位计测得盛水量筒的水位z_盛水量筒；

第二步骤：将水位计放置在盛水量筒的上方，并记录以下数据：通过测针1测出水箱2基准水位z_a，压力传感器6端面与基准水位之间的垂直距离h₁，超声波探头12端面与盛水量筒水面的垂直距离h，上述的压力传感器6和超声波探头12经水位测量装置自动测算出h₁和h；

第三步骤：将第二步骤中测量数据收集并整理，进行超声波探头12端面与压力传感器6端面之间的垂直距离h₂计算，通过水箱2基准水位z_a、压力传感器6端面、超声波探头12端面、施测水面13以及盛水量筒水位的关系，得到h₂＝z_a-z_盛水量筒-h₁-h计算得出超声波探头12端面与压力传感器6端面之间的垂直距离h₂；

第四步骤：将得到的超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h₂的数据存入水位测量装置中，完成河工试验水位计的参数标定。

这样的标定方法测算出来超声波探头12端面与压力传感器6端面之间的垂直距离h₂，能够提高观测精度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照优选实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种河工试验水位计，其特征在于：包括水位测量装置、水箱、用于测量水箱基准水位的测针以及与水箱连通且用于测量水箱出水压力的压力传感器，所述压力传感器下方固定设置有浮盘，所述浮盘中央贯穿有与压力传感器位置相对设置的超声波探头，所述超声波探头与所述压力传感器均电连接所述水位测量装置。

2.如权利要求1所述的河工试验水位计，其特征在于，所述水位测量装置中存储有超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h ₂，用于接收通过测针测量的水箱基准水位z _a ，并根据超声波探头和压力传感器的检测数据分别测算出测量得到的超声波探头端面与盛水量筒水面的垂直距离h和压力传感器端面与基准水位之间的垂直距离h ₁，且通过如下公式测算得出待测水位z：z=z _a -h ₂-h ₁-h。

3.如权利要求1所述的河工试验水位计，其特征在于，所述浮盘下方设置有与浮盘紧密连接的基准圆盘，所述基准圆盘中央设置有供超声波探头伸出的第三圆孔，所述基准圆盘与所述浮盘之间设置有若干个用于控制浮盘水平的脚螺旋。

4.如权利要求2所述的河工试验水位计，其特征在于，所述浮盘上设置有与脚螺旋相配合的螺丝帽，所述基准圆盘设置有与脚螺旋相配合的螺丝钉。

5.如权利要求3所述的河工试验水位计，其特征在于，所述浮盘上设置有两个水平放置的气泡水平仪，所述两个气泡水平仪互相垂直。

6.如权利要求4所述的河工试验水位计，其特征在于，还包括软管，所述软管的两端分别连接所述水箱和所述压力传感器。

7.如权利要求5所述的河工试验水位计，其特征在于，还包括圆盘，所述压力传感器贯穿且固定在所述圆盘中央。

8.如权利要求6所述的河工试验水位计，其特征在于，所述浮盘与所述圆盘之间设置有三个固定钢筋。

9.如权利要求5所述的河工试验水位计，其特征在于，所述软管采用内径为5-10mm的橡胶软管。

10.一种河工试验水位计的参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：取盛水量筒，采用固定水位计测得盛水量筒的水位z _盛水量筒；

S2：将权利要求1所述的河工试验水位计放置在盛水量筒的上方，并记录以下数据：通过测针测出水箱基准水位z _a ，压力传感器端面与基准水位之间的垂直距离h ₁，超声波探头端面与盛水量筒水面的垂直距离h；

S3：将S2中测量数据收集并整理，进行超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h ₂计算，通过h ₂=z _a -z _盛水量筒-h ₁-h得出超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h ₂；

S4：将得到的超声波探头端面与压力传感器端面之间的垂直距离h ₂的数据存入水位测量装置中，完成河工试验水位计的参数标定。