CN1193210C - 声波水位测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种声波水位测量方法及其系统，包括：安装声波引导管，用于测量水库、河流等的水位；在声波引导管的上部产生声波脉冲；测量声波脉冲传送经过空气介质并在水表面反射后反射回原始点所用的时间，并将传送时间乘以声速以计算水位，包括步骤：用声波脉冲传送经过两个间距的时间测量声速，从而精确地测量根据空气温度、压力和在声波引导管中部件的变化而改变的声速；并考虑将测量声速的算术平均值作为在声波引导管中的声速来测量水位。

Description

声波水位测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及使用声波测量水位的技术，特别是涉及使用声波精确测量水位而独立于在水库、地下水和较大河流中的测量范围的方法及其系统。

背景技术

水库、河流和地下水的测量范围可能较大，但是水文学观察要求在贯穿被测量的水位的整个范围中不超过允许误差±5～10mm。

因此，满足这样的条件的通常的声波水位测量方法和/或其系统在下面的专利中被公开：

在1998年12月1日公布的美国专利第5,842,374号；

在1997年9月11日公开的德国专利第19511234号；

在1998年3月13日公布的日本专利第2,756,647号；

在1998年6月116公布的韩国专利第250,714号；

将参考附图1描述传统的声波水位测量方法。标号1是声波发生器，标号2是声波引导管，以及标号5₁、5₂...5_n是声波接收器。

第一声波接收器51被放置在起始位置0，测量从此处到水表面的距离L。

声波发生器1工作以将声波脉冲沿着声波引导管2向水表面传送。接着，声波脉冲在水表面反射并向上传送。此时，从声波接收器5₁接收到一个入射声波的时刻直到它收到从水表面反射的声波脉冲的时间间距t₁按下式得出：t₁的测量误差被忽略。

$t_1=\frac{2L}{C_1}---\left(1\right)$

其中，C₁是在间距L内的声速。

相似地，从声波接收器5₁在接收到一个入射声波的时刻直到声波接收器5_n收到传送到的入射声波的时间间距t₂按下式得出：

$t_2=\frac{L_0}{C_2}=\frac{(h-1)l}{C_2}---\left(2\right)$

其中，C₂是在间距L₀内的声速，n是声波接收器的数量和l是在声波接收器5_i和5_i+1之间的间距。

因此，L可以从表达式(1)和(2)中得出，如下式：

$L^{\′}=\frac{t_1}{2t_2}\·L_0=\frac{t_1}{{2t}_2}(n-1)l---\left(3\right)$

但是，L的精确值按下式得出：

$L=\frac{t_1}{{2t}_1}{L}_0\frac{C_2}{C_1}---\left(4\right)$

其中，表达式(3)建立在假设C₁＝C₂之上。

在夏天，在声波引导管的上部的温度大于在声波引导管下部的温度。与此相反，当高空空气温度低于低空空气温度时，在声波引导管上部的空气温度低于在声波引导管下部的空气温度。因此，对于C₁＝C₂，必须建立L≈L₀。换句话说，在声波接收器之间的间距l选择得尽可能小，并且选择最接近在声波引导管中的水表面的声波接收器的间距ΔL＝L_i-L_0i。在传统的声波水位测量系统之中，按下式选择l的值：

$l\≤\mathrm{\ΔL}\frac{C_0+0.5\mathrm{\α}(T_0+T_W)}{0.5\mathrm{\α}(T_0+T_W)}---\left(5\right)$

其中，T₀是在声波接收器5₁位置处的空气温度；T_W是在声波引导管的水表面上的空气温度；C₀是在T＝0℃时的声速331.6m/s，α是温度系数，其中α≈0.6，以及ΔL是L测量值的允许误差。

表达式(5)从下面的假设中得出，即空气温度随着恒定的直线梯度 而变化(参考图5)。

当T₀＝40℃，T_W＝25℃和ΔL＝0.01m(1cm)时，l的值为：

l≤0.78m

如果水位在20m的范围内变化，接收器5i的数量如下所示：

n≥20/0.78＝25.6≈26

如果水位测量的允许误差ΔL＝±5mm，则N＝52。换句话说，需要大数量的声波接收器。

传统的技术的特点在于在声波接收器之间的间距很窄，增加了声波接收器的数量并且提高了水位测量的精度。

但是，其不利之处在于：

声波接收器数量的增加使水位计变得复杂并且导致增加了声波接收器出故障的可能性。例如，根据水位的变化，声波接收器位于水表面的下面或上面。如果水位上升，位于系统的最低部分的声波接收器会收到较大的水的压力。为了防止这种情况，声波接收器全部是防水密封的并且它们的接收灵敏度在空气和水中都保持一致。并且，声波接收器的尺寸紧凑并且防止故障的发生。由于这些处理，声波接收器变得复杂并且昂贵。根据经验发现，在该系统中的部件中声波接收器出现故障的比率最高。

下一个存在的问题是不能将在声波接收器之间的间距l变窄。其原因如下：

为了确保较高的水位测量范围，使用了较低频率的声波脉冲。如图2所示，需要很长时间声波脉冲才能完全减弱。在图2中，虚线表示反射脉冲。如果f＝1000Hz，该脉冲需要6个周期以用于完全减弱，τ＝6/1000＝6×10^-3S。

声波脉冲在水表面上反射并且传送到离水表面最近的声波接收器的传送时间可按下式得出：

$t_{\mathrm{\ΔL}}=\frac{2\mathrm{\ΔL}}{C_{\mathrm{\ΔL}}}$

为了使声波接收器精确地接收到入射声波然后是反射声波，则t_ΔL≥τ。如果C_ΔL＝348m/s，则ΔL可以按下式得出：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\τ}\·C_{\mathrm{\ΔL}}}{2}=\frac{{6.10}^{-3}\·348}{2}=1.04m$

这意味着l不能选择低于1.04m。为了选择较小的l值，声波脉冲的频率必须变大。随着声波脉冲的频率增大，衰减增加，为此，水位测量不能确保在较大的范围内。水位测量范围通常在50m。

该专利公开了l的选择等于0.78m以便确保水位测量误差ΔL＝±1cm，但是如果声波的频率f等于1000Hz，就不可能测量水位。即使l的选择是1.04m，如水位ΔL被升高了一些，则相应的声波接收器被转换到另一个被操作的声波接收器。结果，如果l选择大于1.04m，则水位测量误差增加。对于系统的制造来说，现在常用的是l≈2m。

现有的技术在确保水位测量的精度方面受到限制。另外，尽管减少l的值以增加声波接收器的数量，仍然不能确保水位测量的精度。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于在不使用一定数量的声波接收器的较宽水位测量范围内确保较高精度的声波水位测量方法及其系统。

一种声波水位测量方法及其系统包括：安装盗在声波引导管上部的水表面的两个声波发生器，它们彼此之间间隔一个间距l₁；一个浸没在水中并包括整体地延伸的发射器的浮子，该突起的直径是声波引导管的直径的0.5倍，其上表面保持在l₂的高度；根据声波脉冲的产生接受入射波的依次接受在发射器的上表面和水表面上反射的声波的声波接受器。因此，声波水位测量方法包括以下步骤：测量从第一声波接受器接受入射波直到该第一声波接受器接受在水表面反射的声波的时间t_L，测量声波脉冲分别传送过在两个声波接受器之间的间距l₁和在发射器的上表面到水表面的之间间距l₂并基于测量值按下式测量水位：

$L=\left(\frac{t_L}{2}\right)\·\frac{1}{2}(\frac{l_1}{t_1}+\frac{{2l}_2}{t_2})$

其中，设置在声波引导管的上部的两个声波接受器一直安装在空气中，与浮子一体的发射器在下文被称为“声波反射筒”。

附图说明

现参考附图详细描述本发明，其中：

图1是说明一种声波水位测量方法的视图；

图2是说明声波脉冲的波形的视图；

图3是说明本发明的声波水位测量方法的视图；

图4A到图4C是说明根据本发明的声波脉冲的接受时间产生波形的视图；

图5是说明在声波引导管中的空气温度的分布视图；

图6是说明在声波引导管中的空气温度的分布视图；

图7是说明本发明的声波水位测量系统的框图；

图8A到图8D是通过根据本发明的入射波和反射波的接收调节输出信号的幅度而得到的波形的视图；

图9是说明构成本发明的声波水位测量系统的麦克风的安装的视图；

图10是说明本发明的浮子结构的视图；

图11是说明在本发明的声波引导管被倾斜安装的情况下，浮子的工作位置的视图；

具体实施方式

根据本发明，现在将参考图3和4详细描述声波水位测量方法。

图3显示了本发明的声波水位测量系统的一部分，以用于执行声波水位测量方法。

标记1代表发生器，标记2代表声波引导管，标记3和4代表声波接收器(以下称为“麦克风”)，标记6代表中空的声波反射筒，标记7代表与中空的声波反射筒一体的浮子，标记8代表用于安装麦克风4以调整在麦克风3和4之间的间距l₁。不用解释的l₂为在声波反射筒6的上表面到水表面的之间间距。

麦克风3的位置是水位测量的原始点。假设原始点具有高于水平面的高度H₀，水库或河流的水位可按下式得出：

H＝H₀-L

L是从麦克风3得位置到水表面得距离。使用声波按以下方法测量距离L：

声波发生器1产生声波脉冲，声波脉冲沿着声波引导管2被传送到水表面，其被定义为入射波。入射波首先在声波反射筒6的上表面上反射，然后依次在水表面上反射，然后沿着声波引导管向上传送，其被称为“反射波”。在这个时候，麦克风3和4依次接受入射波，并且接着是依次到达麦克风4和3的反射波。

图4A显示了麦克风3和4产生的输出信号的波形，图4B和图4C显示了在麦克风3和4的输出信号被放大和零-交叉电路在放大信号的一个期间产生零电压信号的时刻，一个单个的脉冲信号的波形。在图4A所示的(3)和(4)在图4B和4C中所示的麦克风3和4(I)、(II)、(III)...(VI)中的每一个的输出信号，(I)、(II)、(III)...(VI)是麦克风3和4的输出信号被扑捉的时刻的一个脉冲的次序数字。在脉冲(I)和(II)或脉冲(V)和(VI)之间的时间间隔是t₁，t₁是声波脉冲在麦克风3和4之间的间距l₁传送所用的时间。在脉冲(IV)和(VI)或脉冲(III)和(V)之间的时间间隔是t₂，t₂是声波脉冲在声波反射筒6和水表面之间的间距l₂传送两次所用的时间。在脉冲(I)和(II)之间的时间间隔是t_L，t_L是声波脉冲在麦克风3和水表面之间的距离来回传送所用的时间。

例如：

$t_1=\frac{l_1}{C_1}---\left(7\right)$

$t_2=\frac{{2l}_2}{C_2}---\left(8\right)$

$t_2=\frac{2L}{C_L}---\left(9\right)$

其中，C₁、C₂和C_L是间距l₁、l₂和L的声速。

另一方面，麦克风3能够被忽略。替换它的是，可以使用声波发生器1的底表面或一个反射表面，或者声波发生器1能够能够被用作声波接收器。在这种情况下，一个电信号被施加到要被操作的声波发生器上的时刻可以被考虑作为一个原始的测量点。在这个情况下，由于电路的特性会出现一个延迟的时间。因此，必须提前发现这个延迟时间并从测量结果中删除。但是，如果延迟时间不是恒定的，会出现声波脉冲传送时间的测量误差。与之相反，使用麦克风3和4就不会受到延迟时间的影响。

因为l₁和l₂是提前精确测量的间距，可按下式得出声波速度C₁和C₂：

$C_1=\frac{l_1}{t_2};C_2=\frac{2l_2}{t_2}---\left(10\right)$

但是，不能直接测量在间距L中的声速C_L，因为间距L是根据水位的变化而改变的参数。假设可以按下式得出声速C_L：

$C_L^{\′}=\frac{1}{2}(C_1+C_2)=\frac{1}{2}(\frac{l_1}{t_1}+\frac{{2l}_2}{t_2})---\left(11\right)$

当然，通过表达式(11)得到的声速C_L’可以不对应于在间距L中的速度C_L。因为声速C_L被计算出来，在麦克风3的位置和水表面之间的距离L’可以按下式得出：

$L^{\′}=\frac{t_L{C}_L^{\′}}{2}=\frac{t_L}{2}\×\frac{1}{2}(\frac{l_1}{t_1}+\frac{l_2}{t_2})---\left(12\right)$

因此，距离L的误差可以按下式得出：

${\mathrm{\δ}}_L=\frac{L^{\′}}{L}-1=\frac{C_L^{\′}}{C_L}-1---\left(13\right)$

其中， $L=\frac{t_L}{2}{C}_L$

将表达式(13)乘以100以代表一个相对误差δ_L。对相对误差δ_L的分析如下：

在即使在诸如前述的专利中所述的现有技术中的相对误差分析的情况下，假设在声波引导管中的空气温度如图5所示是线性变化的。在这个条件下，相对误差的分析如下：

考虑到T₀和T₂分别是在麦克风3和4位置中的空气温度，T_W是水表面的温度，以及T₃是在声波反射筒6的反射表面上的温度，分别在间距l₁、l₂和L中的平均温度T_l1和T_l2可按下式得出：

$T_{l1}=\frac{T_0+T_2}{2}=\frac{T_0+T_0-\frac{\mathrm{\ΔT}}{L}{l}_1}{2}=T_0-\frac{\mathrm{\ΔT}}{2L}{l}_1---\left(14\right)$

$T_{l2}=\frac{T_w+T_w-\frac{\mathrm{\ΔT}}{L}{l}_2}{2}=T_w-\frac{\mathrm{\ΔT}}{2L}{l}_2---\left(15\right)$

$T_L=\frac{T_0+T_w}{2}---\left(16\right)$

其中，ΔT＝T₀+T_W

在声速和与平均温度相关的空气温度之间的表达式可按下式得出：

C＝C₀+0.6τ℃                         (17)

通过被替代到表达式(17)中，可以得到C₁、C₂和C_L，其中，当T₀＝0℃时，C₀＝331.6m/s，C_L’和C_L比率可按下式得出：

$\frac{C_L^{\′}}{C_L}=\frac{\frac{1}{2}(C_1+C_2)}{C_L}=\frac{0.5\·C_0[1+\mathrm{\β}(T_0-\frac{\mathrm{\ΔT}}{2L}{l}_1)+1+T_L+\mathrm{\β}(T_W-\frac{\mathrm{\ΔT}}{2L}{l}_2)]}{C_0[1+\mathrm{\β}\left(\frac{T_0+T_W}{2}\right)}$

其中， $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\α}}{C_0}=1.81\×{10}^{-3}$

结果，

可按下式得出：

$\frac{C_L^{\′}}{C_L}=\frac{1+0.5\mathrm{\β}[T_0+T_W+\frac{\mathrm{\ΔT}}{2L}(l_2-l_1)]}{1+0.5\mathrm{\β}(T_0+T_W)}$

因此，相对误差可按下式得出：

${\mathrm{\δ}}_{L^{\′}}=\frac{1+0.5\mathrm{\β}[T_0+T_W+\frac{\mathrm{\ΔT}}{2L}(l_2-l_1)]}{1+0.5\mathrm{\β}(T_0+T_W)}-1---\left(18\right)$

在表达式(18)中，假设l₁＝l₂＝l，δ_L’＝0。

象这样，在与现有技术的相似、声波引导管中l₁＝l₂＝l的情况下，δ_L’＝0。

在此，注意的是：本发明只要求在空气中工作的两个麦克风3和4，不象现有技术中包括一定数量浸没在水中和位于空气中麦克风，并且明显的减少了根据在声波引导管中的声速的变化而引起的水位测量误差。其原因如下：

如果在声波引导管的上部的空气温度高于在声波引导管的下部的空气温度，表达式(11)被进一步推导如下：

$C_L^{\′}=\frac{1}{2}(C_1+C_2)=\frac{1}{2}(C_L+{\mathrm{\ΔC}}_1+C_L-{\mathrm{\ΔC}}_2)=C_L+\frac{\mathrm{\Δ}{C}_1-{\mathrm{\ΔC}}_2}{2}---\left(19\right)$

其中，C_L是在间距L中的声速。如果ΔC₁＝ΔC₂，C_L’＝C_L。与此相反，如果在声波引导管的上部的空气温度低于在声波引导管的下部的空气温度，C_L’可以进一步推导如下：

$C_L^{\′}=\frac{1}{2}(C_L-{\mathrm{\ΔC}}_1+C_L+{\mathrm{\ΔC}}_2)=C_L+\frac{\mathrm{\Δ}{C}_2-\mathrm{\Δ}{C}_1}{2}$

(ΔC₁-ΔC₂)或(ΔC₂-ΔC₁)一直小于ΔC₁或ΔC₂，其值的一半是在间距L中声速的测量误差。

但是，在l₁＝l₂＝l的条件下，不会出现ΔC₁＝ΔC₂。因此，δ_L不能等于0。其原因如下：

在在间距L中的平均空气温度T_L能够根据表达式(16)计算出来。因为温度分布曲线不是呈理想的线性，但是用对应于在间距L中的平均温度的线性来代表。无论如何，在安装有麦克风3和4的声波引导管的上部(例如间距l₁)的温度分布状态不对应于在所安装的声波引导管附近的水表面的部分(例如间距l₂)的温度分布状态。

例如，当在夏季环境空气温度高于水表面温度时，在声波引导管中的热空气上升，所以在麦克风3和4之间的温度差相对较大。换句话说，在间距l₁中，温度变化的梯度较大。但是，声波引导管被靠近水表面的水“冷却”，在间距l₂中的温度变化梯度小于在声波引导管上部的温度变化梯度。

与此相反，如果环境温度远低于水的温度，在间距l₂中的温度变化梯度大于在声波引导管上部的温度变化梯度。在图6中说明了将间距L分为3段的温度分布状态。

参考图6，为直线的虚线显示了从在麦克风3的安装位置上的温度T₀到在水表面上的温度T_W的平均温度梯度。平均温度梯度可按下式得出：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{T_0-T_W}{L}$

在间距I和II的温度变化梯度可按下式得出：

$\frac{3(T_0-T_I)}{L}=\frac{3}{L}\mathrm{\ΔT};\frac{3(T_{\mathrm{II}}-T_W)}{L}=\frac{3}{L}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}$

因此，平均温度T_l1、T_l2和在间距l₁、l₂中的声速C₁、C₂可按下式得出：

$T_{l1}=\frac{1}{2}(T_0+T_0-\frac{3}{L}\mathrm{\Δ}{T}_I\·l_1)=T_0-\frac{3}{2L}{\mathrm{\ΔT}}_I\·l_1$

$T_{l2}=\frac{1}{2}(T_W+T_W-\frac{3}{L}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}\·l_2)=T_W-\frac{3}{2L}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}\·l_2$

于是，

$C_1=C_0[1+\mathrm{\β}(T_0-\frac{3}{2L}{\mathrm{\ΔT}}_1\·l_2)]---\left(20\right)$

$C_2=C_0[1+\mathrm{\β}(T_W-\frac{3}{2L}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}\·l_2)]---\left(21\right)$

在这个情况下，C_L’可按下式得出：

$C_L^{\′}=\frac{1}{2}(C_1+C_2)=C_0\{1+0.5\mathrm{\β}[T_0+T_W+\frac{3}{2L}({\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}{l}_2-{\mathrm{\ΔT}}_1{l}_1)\left]\right\}---\left(22\right)$

将表达式(22)替代到相对误差δ_L的表达式(13)中，可得到下式：

${\mathrm{\δ}}_{L^{\′}}=\frac{C_L^{\′}}{C_L}-1=\frac{1+0.5\mathrm{\β}[T_0+T_W+\frac{3}{2L}({\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}{l}_2-{\mathrm{\ΔT}}_1\·l_1)]}{1+0.5\mathrm{\β}(T_0+T_W)}-1---\left(23\right)$

在表达式(23)中，δ_L→0的建立必须符合以下条件：

ΔT_IIIl₂＝ΔT₁l₁                                (24)

$\frac{l_1}{l_2}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}}{{\mathrm{\ΔT}}_1}---\left(25\right)$

于是，如果借助于调整间距l₁和l₂来确保表达式(25)的关系，由于在间距L中的声速C_L的测量误差而引起的水位测量误差δ_L→0，间距l₁和l₂是根据在声波引导管的上和下部的温度ΔT_I和ΔT_III的差来调整。如果借助于调整间距l₂来确保表达式(25)的关系，很难调整间距l₂，间距l₂是位于声波引导管的下部的声波反射杆的长度。为此，便利的是调整在麦克风3和4之间的间距l₁，以便符合以下的条件：

$l_1=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{III}}}{{\mathrm{\ΔT}}_1}\·l_2---\left(26\right)$

为了通过表达式(26)获得间距l₁，不需要测量温度差ΔT_I和ΔT_III。间距l₁的调整如下：在最恶劣的条件下，例如在T₀最高和T_W最小的条件下，例如T₀是40℃和T_W是22℃，使用精确的尺子测量在麦克风3和水表面之间的间距L，和调整间距l₁以便通过将声波水位测量系统的测量值L’与间距L对比而得到L＝L’。与此相反，在环境空气温度远低于水温度的条件下，例如T₀≈-10℃和T_W≈0℃，调整间距l₁从而L＝L’。

因此，如果当|T₀-T_W|变得最大时，间距L的测量误差将减少除非|T₀-T_W|超过最大值。持续这个状态，声波水位测量系统优选在一年中被校正几次，例如在每个季节交替变化期间。当需要十分精确测量水位时可进行校正。如果水位测量允许误差ΔL≈±10mm，不论如何要保持l₁＝l₂＝l＝常数。在这个情况下，表达式(23)可进一步被推导如下：

${\mathrm{\δ}}_{L^{\′}}=\frac{1+0.5\mathrm{\β}[T_0+T_W+\frac{2l}{2L}({\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}-{\mathrm{\ΔT}}_1)}{1+0.5\mathrm{\β}(T_0+T_W)}-1---\left(27\right)$

表1表示随着 和ΔT_III-ΔT₁的绝对值的变化，相对误差δ_L的绝对值。

                                          表1

                                                       δ_L＝f(ΔT₁；l/L)％

|ΔTm-Δ|	l/L
						0.01	0.02	0.04	0.06	0.1
	2.04.06.0	2.57·10-35.14·10-37.71·10-3	5.14·10-39.60·10-31.54·10-3	1.02·10-32.05·10-33.08·10-3	1.54·10-33.08·10-34.62·10-3						2.57·10-35.14·10-37.71·10-3

另一方面，很少发生在声波水位测量系统的安装位置上出现|ΔT_m-ΔT_I|＝4℃的情况。假设温度差T₀-T_W＝40℃-22℃＝18℃，在声波引导管的上和下部之间的三分之一的间距中的|ΔT_m-ΔT_I|＝6℃。在此，|ΔT_m-ΔT_I|＝4℃，当Tl＝10℃和ΔT_III＝6℃时。如果在冬季当ΔT₁＝-10℃和ΔT_III＝2℃时，平均温度差T₀-T_W＝-18℃，在间距L的三分之一中的温度差大约为2.66℃。在这个条件下，ΔT₁必须为-6℃并且ΔT_III必须为2℃，以便|ΔT_m-ΔT_I|＝4℃，假设L＝10m或L＝50m和l＝1m，间距L的测量的绝对误差ΔL(mm)可按下式计算得出：

当L＝10m，l/L＝0.1和δ_L＝5.14·10^-2％＝5.14·10^-4时，

ΔL＝10000mm·5.14·10^-4＝5.14mm

当L＝50m，l/L＝0.02和δ_L＝2.6·10^-3％＝2.6·10^-5时，

ΔL＝50000mm·2.6·10^-5＝1.3mm

其中，矛盾的是在L＝50m时ΔL等于1.3mm的值小于在L＝10m时ΔL等于5.14mm的值。其原因是因为假设T₀＝40℃和T_W＝22℃。事实上，间距L越短，温度T₀和T_W的差越小。|ΔT_m-ΔT_I|变得越来越小。在位置处的实验引起误差大于上述L的计算之一的误差。其原因来自两个方面。

首先，假设在表达式(24)中的平均温度 $T_L=\frac{T_0+T_W}{2},$ 事实上根据季节的平均温度 $T_L=\frac{T_0+T_W}{2}\±{\mathrm{\Δ}}_T,$ 其中Δ_T是在假设声波引导管中的空气温度是线性定常梯度变化下的误差。Δ_T通常较小但不超过1℃。

不过，当L＝50m，l/L＝0.02和|ΔT_m-ΔT_I|＝4℃时，δ_L可按下式得出：

误差增加了少许。

第二个原因是由于声波脉冲传送时间t₁、t₂和t_L的测量误差增加。但是，由于它，水位测量误差能够有效被补偿。补偿的方法如下所述：

在一个诸如温度几乎不存在差异的房间的地方，例如T₀≈T_W，安装声波水位测量系统的声波引导管，和在声波引导管的下部的温度T_W基本上等于房间温度。在这个情况下，不会出现声速C_L的测量误差，因为C₁＝C₂＝C_L、T₀＝40℃和T_W＝22℃。只是由于声波脉冲传送时间测量误差才会出现间距L的测量误差。

象这样，调整间距l₁，以补偿由于声波脉冲传送时间测量误差才会出现的水位测量误差。

声波反射杆的长度l₂的选择如下进行：区分在声波反射杆上和在水表面上反射的声波脉冲，而不会相对于彼此互相干扰。在两个声波脉冲之间的时间间距t2按下式可以得出：

$t_2=\frac{{2l}_2}{C_2}---\left(28\right)$

但是，参考图2，直到声波脉冲完全衰减的时间间距按下式可得到：

$\mathrm{\τ}=\frac{N}{f}---\left(29\right)$

其中，N是直到声波脉冲完全衰减时的周期的数量，和f是声波脉冲的频率。

因此，t₂可按下式得出：

$t_2=\frac{2l_2}{C_2}\≥\frac{N}{f}$

例如，如果N＝5和f＝1000Hz，t₂≥5·10^-3s。如果在间距l₂中的最大声速C₂＝350m/s，则l₂可按下式得出：

$l_2\≥\frac{N\·C_2}{2f}=\frac{5\·350}{2\·1000}=0.875m$

因此，l₂可选择为大约1m。但是，如果在麦克风3和4之间的间距l₁选择为等于l₂，麦克风3和4的输出信号就会重叠。其原因是因为t₁＝l₁/C₁。建立了以下的表达式。

$t_1=\frac{l_1}{C_1}\≥\frac{N}{f};$

为了l₁≈l₂，麦克风3和4的输出信号必须被输入到它们对应的放大器中，不是一个放大器，而是各自的放大器。

下面将描述实现本发明的声波水位测量方法的声波水位测量系统。

参考图7，标号1代表声波发生器，标记2代表声波引导管，标记3和4代表麦克风，标记6代表声波反射筒，标号7代表浮子，标号8₁和8₂是用于安装麦克风3和4的麦克风杆，以及标号18是用于保护声波发生器1的壳体。

另一方面，电路的构造如下：标号9是用于操作声波发生器1的振荡器，标号10和11是用于放大麦克风输出信号的放大器，标号12和13是零-交叉电路，用于扑捉麦克风3和4的输出信号在结束它的第一周期的时经过零电压的时刻，标号14是微处理器，标号15是显示器，标号16是输出信号转换器，标号17是锯齿脉冲发生器。锯齿脉冲发生器17被微处理器14控制以从声波发生器1产生声波脉冲的时刻开始工作，然后在接受第6个放大的脉冲经过放大器10和11的时刻停止工作。麦克风3被固定到麦克风杆8₂上，位于从壳体18的底表面间距超过声波引导管2的大约内径D的位置上，此处形成平面波。在声波引导管2的上部的温度较高的条件下，优选将麦克风3拉下一些。麦克风4安装在麦克风杆8₁的下端，其中麦克风杆8₁延伸穿透壳体18。麦克风杆8₁和8₂具有管的形状，电缆可以穿过其中。

通过移动麦克风杆8₁，调整在麦克风3和4之间的间距l₁。浮子7和声波反射筒6彼此相互连接。通过表达式(20)设置在水表面和声波反射筒6的上部之间的间距l₂。

根据安装条件及其长度，声波引导管2由PVC、SUS、金属管等制成，它的内径D被选择小于声波脉冲的波长，从而确保平面波的传送条件。

声波水位测量系统的操作如下：

根据编程渗入到微处理器14中的程序，振荡器9以一定的周期工作。声波发生器1接受振荡器9的输出信号以产生声波脉冲。声波脉冲沿着声波引导管2被传送到水表面。在这个时候，麦克风依次接受入射波。入射波在声波反射杆6和水表面上被反射，然后传送到声波引导管2的上部。麦克风3和4再次接受反射波以便与入射波的接受相反。

麦克风3和4各自被连接到放大器10和11上以放大其输出信号。零-交叉电路12和13被分别连接到放大器12和13上，以形成单个的脉冲，如图4B和4C所示，当放大的信号在每个周期的下降边缘到达零电压时。微处理器14接受来自零交叉电路12和13的输出信号以测量t₁、t₂和t_L的传送时间，和基于表达式(12)计算从麦克风3的位置到水表面的距离L。

显示15表示出通过微处理器14的计算距离L。转换器16被连接到微处理器14上以将从微处理器14来的输出信号转换到诸如具有4-20mA的RS232C的源码信号。该输出电流对于测距器、自动水位记录器等。

当声波的入射波被传送到微处理器3和4时，声压相对较大，麦克风3和4的输出电压相对较大。但是，当在声波反射筒6和水表面上的信号到达麦克风3和4时，它们的声压通过较大的量被减少。由于此，放大器10和11被控制以正常地操作零-交叉电路12和13。为此，锯齿波脉冲发生器17调整调整放大器10和11的放大系数，如图8所示。

图8A显示了麦克风3和4的输出电压V_3；4，图8B显示了锯齿脉冲发生器17的输出电压V₁₇，图8C显示了放大器10和11的放大系数K_10；11，图8D显示了放大器放大器10和11的电压V_10；11。在此，放大器10和11允许通过所施加的电压来调整它们的放大系数。

通过一个微处理器14操作振荡器9的信号，锯齿波脉冲发生器17开始工作，并且在零-交叉电路12和13输出第6个脉冲的时刻停止工作。

例如，如果L＝20m和C_L＝350m/s，锯齿波脉冲发生器17的工作时间t_L可按下式得出：

t_L＝2L/C_L＝40/350＝0.114s

图9显示了麦克风3和4的安装。麦克风3借助于麦克风杆8₁被安装在壳体18的底表面的下面。麦克风4被安装在克风杆8₁的下端。麦克风杆8₁延伸穿过壳体18并在其上具有标尺。在靠近声波引导管2的上端打出多个孔以从外侧排出在夏季的热气。通过移动麦克风杆8₁来调整和固定在麦克风3和4之间的间距l₁。在图9中，浮子与声波反射筒6₁形成为一体。声波反射筒6包括两个筒6₁和6₂。筒6₁在上端封闭，筒6₂被安装到筒6₁中。设置筒6，以调整在其上表面和水表面之间的间距l₂。浮子7在下部具有一个重量部分，并在上部具有一个封闭间距以调整浮力。优选将浮子7浸没在水中1cm。为了调整浸没的深度，浮子7具有一个阀以将水输送到其中。浮子7还至少包括一个具有半圆截面的环20。环20根据浮子随水位的变化而上下的运动以晃动浮子7。因此，环20限制了晃动的幅度并允许浮子自由地上和下移动。为此，环20承受减小的与声波引导管2的内壁的摩擦。环20由特氟隆等材料制成，其具有较低的摩擦系数和防锈性能。更加优选的是，浮子7由包含氟的氟化塑料制成，用于防止水中细菌的扩散。环20的内径比声波引导管2的内径小3％。如果声波引导管被倾斜安装以测量水位，例如以从原始水位测量点使用表达式h＝L×sinα的方式来计算水位H，其中α是倾斜角。水位H＝H₀-h，其中是在原始测量点的水平面上的高度，以及浮子7的上表面可被调整地突出水表面，其浮力可被调整。

图11显示了浮子7浮在水表面之上的状态。在这个时候，不能通过声波测量的间距L可按下式得出：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{D}{2}\tan \mathrm{\α}=\mathrm{const}$

其中，D是声波引导管2的内径。

因此，高度h＝(L+ΔL)sinα

声波反射筒6的直径d的选择如下：

根据经验，当声波反射筒6的长度l₂是大约1m时，如果反射表面的面积S_d和水面的面积S_w的比率确保为1∶3，反射波的强度彼此之间相似。

选择 $d=\frac{D}{\sqrt{4}}\≈0.5D,$ 其中D是声波引导管的内径。

$(\frac{S_W}{S_d}=\frac{(D^2-d^2)}{d^2}=\frac{D^2}{d^2}-1=3,\stackrel{\·}{\·\·}d=\frac{D}{\sqrt{4}}=0.5D)$

在这个情况下，浮子7浮在水表面上，调整其浸没状态和声波反射筒6的长度l₂，然后扔进声波引导管2中。

根据本发明，声波水位测量系统比传统的水位计更加简单，不需要多个接收器并确保独立于环境天气的变化的水位测量的高精度。此外，如果要更加精确地测量水位，可根据季节的改变简单地调节间距L₁。

Claims (6)

1.一种声波水位测量方法，用于以管的形式在声波引导管的上部固定一个原始测量点，测量声波脉冲穿过在声波引导管中的空气介质传送到水表面并在水表面上被反射后传送回到原始测量点的时间，和计算从原始测量点到水表面的距离，包括以下步骤：

将作为声波接收器的两个麦克风以彼此之间的间距l₁分隔开，位于声波引导管的上部上的声波脉冲发生器的下面；

将与声波反射筒一体的浮子浸没水中并保持在水表面和声波反射筒的反射表面之间的间距l₂；

测量声波脉冲传送过分别间距l₁和l₂并从第一麦克风到水表面的距离L的上下传送的时间t₁、t₂和t_L；

按下式计算从第一麦克风到水表面的距离L：

$L=\frac{t_L}{2}\·\frac{1}{2}(\frac{l_1}{t_1}+\frac{{2l}_2}{t_2})=\frac{1}{4}{t}_L\·(\frac{l_1}{t_1}+\frac{{2l}_2}{t_2})$

l₂的选择只能如下：

$l_2\≥\frac{{\mathrm{NC}}_2}{2f}$

其中，f是声波脉冲频率，N是直到声波脉冲完全衰减的周期的数目以及C₂是在间距l₂内所能期望的最大声速。

2.根据权利要求1所述的声波水位测量方法，其特征在于：根据下面公式调整在所述两个麦克风之间的间距l₁以减少水位测量误差：

$l_1=l_2\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{III}}}{\mathrm{\Δ}{T}_I}$

其中，ΔT_I＝T₀-T_I和ΔT_III＝T_II-T_W，T₀和T_W是靠近设置在声波引导管上部的L的原始测量点的麦克风的空气摄氏温度和水表面的摄氏温度，以及T_I和T_II是在声波引导管中的L的上部和下部的空气摄氏温度。

3.根据权利要求1或2所述的声波水位测量方法，其特征在于：如果|ΔT_III-ΔT_I|＜6℃并且水位测量误差为±10mm，则使用l₁＝l₂＝常数并独立于水位测量范围计算水位。

4.一种声波水位测量系统，包括声波发生器、安装在声波引导管上的声波接收器、放大器和微处理器，其包括：

安装在该声波引导管上的第一麦克风以保持从安装在声波引导管上的上部的声波发生器的间距大于声波引导管的内径；

安装在麦克风杆上的下端上的第二麦克风，其可以上下移动以保持间距l₁从第一麦克风沿着声波引导管向下；

浮在水中并与声波反射筒一体的浮子，其在声波引导管中从水表面延伸间距l₂；

与振荡器电连接的声波发生器用于操作振荡器；

分别连接到第一和第二麦克风上的两个放大器；

分别连接到两个放大器的输出上的两个零-交叉电路；

连接到两个零-交叉电路上的输出上的微处理器；

连接到两个放大器上的锯齿脉冲发生器以增加其放大系数，其被微处理器控制以在产生声波脉冲的时刻工作并在零-交叉电路产生第6个脉冲的时刻停止工作；

其中，微处理器具有预先编程输入的系统以使振荡器工作在恒定的周期，在内存中存储间距l₁和l₂，测量声波脉冲分别传送过间距l₁和l₂并上和下地经过从麦克风到水表面的距离L的时间，和计算距离L的值，以及如果声波引导管是垂直安装的，浮子的上表面浸没入水中1cm，和如果声波引导管是倾斜安装的，浮子的上表面伸出水表面到其被调节浮力。

5.根据权利要求4所述的声波水位测量系统，其特征在于：声波反射筒的反射表面的直径d被选择为声波引导管的内径的一半，浮子包括一个具有半圆形状截面的环，该环由特氟隆制成并且该环的外径比声波引导管的内径小3％。

6.根据权利要求4所述的声波水位测量系统，其特征在于：水位测量系统通过以下步骤进行校正：

在声波引导管的上部和下部几乎没有温度差异的房间内安装声波水位测量系统；

使用精确的测量工具测量从原始水位测量点到水表面的距离L；

调整在所述两个麦克风之间的间距l₁以使由声波水位计测量值L’与所述距离L相对应，从而补偿由于声波脉冲传送时间测量误差才会出现的水位测量误差。

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