本發(fā)明涉及一種基于超聲波測(cè)距原理的靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量的裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前靜力水準(zhǔn)的水位測(cè)量法普遍通過測(cè)量靜力水準(zhǔn)儀自身液位的變化來得到被測(cè)物體的垂直高差，用與液面相接觸的浮球的高度變化來反應(yīng)液面變化。浮球?qū)U上安裝傳感器，導(dǎo)桿隨水位升降，傳感器將其變化值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

這種通過測(cè)量浮球位移的變化來得到液位變化的方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差：

1.浮球浸潤(rùn)產(chǎn)生的誤差：浮球和液面接觸，液體在浮球周圍形成半月形，浮球上下移動(dòng)都會(huì)粘有液體，從而帶來測(cè)量誤差；

2.導(dǎo)桿傾斜、桿壁摩擦產(chǎn)生的誤差：浮球在上下變動(dòng)過程中，發(fā)生導(dǎo)桿傾斜、導(dǎo)桿與側(cè)壁的摩擦，這些情況都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；

3.浮力變化產(chǎn)生的誤差：溫度和大氣壓的變化會(huì)帶來液體的密度變化，且為非線性的，從而導(dǎo)致浮球所受到的浮力發(fā)生變化，進(jìn)而帶來浮球高度變化的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在避免現(xiàn)有靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由浮球帶來的誤差這一缺陷，設(shè)計(jì)一種無浮球的非接觸式的超聲波靜力水準(zhǔn)測(cè)量方法，在對(duì)結(jié)構(gòu)物的豎向位移測(cè)量精度上有較大的提高。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于超聲波測(cè)距原理的靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量的裝置，所述的超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量裝置包括液體容器、傳感器倉、超聲波傳感器、前端處理電路板，所述傳感器倉位于液體容器的上側(cè)，超聲波傳感器安裝在傳感器倉的底部中心，傳感器倉內(nèi)的部設(shè)有前端處理電路板，傳感器倉上側(cè)壁設(shè)有線纜連接口，液體容器的側(cè)壁設(shè)有液體容器通氣孔，液體容器的底側(cè)壁設(shè)有液體連通口。

本發(fā)明還提出了一種基于超聲波測(cè)距原理的靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量的方法，所述的超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量方法利用了相連的容器中，液體總是尋求具有相同勢(shì)能的水平原理，來測(cè)量各測(cè)點(diǎn)之間的垂直高度差。在相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)設(shè)立一臺(tái)超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量裝置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，在若干個(gè)待測(cè)點(diǎn)的每個(gè)位置均設(shè)立一臺(tái)超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量裝置，然后用液體連通管將基準(zhǔn)點(diǎn)的超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量裝置與若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)的超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量裝置在各自的液體連通口處連接。當(dāng)待測(cè)點(diǎn)豎向產(chǎn)生位移時(shí)，液位的改變量可以通過超聲波傳感器測(cè)距原理而得。

超聲波測(cè)距的原理是時(shí)間差測(cè)距法，超聲波發(fā)射器在向液面中心發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播遇液面即刻返回，超聲波接收器收到反射波停止計(jì)時(shí)，從而得到超聲波來回所經(jīng)路程的時(shí)間Δt，由于超聲波在空氣中的傳播速度v為定值，因此液面以上的距離H可以通過下述公式來計(jì)算：

H＝v×Δt/2

超聲波傳感器記錄的數(shù)據(jù)通過前端處理電路板連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的相對(duì)豎向位移的計(jì)算分析。

測(cè)量工作原理是超聲波傳感器記錄初始狀態(tài)時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)的液面高度H_基0及各測(cè)點(diǎn)的液面高度H_測(cè)0，并記錄待測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生位移后第i時(shí)刻基準(zhǔn)點(diǎn)的液面高度H_基i及各測(cè)點(diǎn)的液面高度H_測(cè)i。各待測(cè)點(diǎn)在第i時(shí)刻相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的豎向位移差Δh_i為該測(cè)點(diǎn)前后液位變化量與基準(zhǔn)點(diǎn)前后液位變化量之差，可按照下述公式來計(jì)算：

Δh_i＝(H_測(cè)i-H_測(cè)0)-(H_基i-H_基0)

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是與現(xiàn)有的靜力水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)相比，本發(fā)明采用的基于超聲波測(cè)距原理的靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量為非接觸式靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量，它不再使用傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)中采用的浮球，避免了因浮球浸潤(rùn)，浮球?qū)U傾斜，桿壁摩擦，溫度及大氣壓變化帶來的誤差，較大程度的提高了結(jié)構(gòu)物豎向位移的測(cè)量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量初始液位狀態(tài)系統(tǒng)示意圖。

圖3為本發(fā)明超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量發(fā)生位移變化后液位狀態(tài)系統(tǒng)示意圖。

圖中：1、液體容器；2、傳感器倉；3、超聲波傳感器；4、前端處理電路板；5、線纜連接口；6、液體容器通氣孔；7、液體；8、液體連通口；9、底座；10、線纜；11、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；12、液面線；13、液體連通管；14、基準(zhǔn)點(diǎn)裝置；15、待測(cè)點(diǎn)裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

圖1為本發(fā)明中的超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述裝置包括：液體容器1、傳感器倉2、超聲波傳感器3、前端處理電路板4、線纜連接口5、液體容器通氣孔6、液體7、液體連通口8、底座9。所述傳感器倉2安裝于所述液體容器1的上側(cè)，所述超聲波傳感器3安裝在所述傳感器倉2的底部中心位置，所述前端處理電路板4安裝在所述傳感器倉2內(nèi)部，并通過電路連接到所述線纜連接口5，所述液體容器1上側(cè)容器壁處留有所述液體容器通氣孔6，下側(cè)容器壁處留有所述液體連通口8，內(nèi)部盛裝有所述液體7，底部安裝所述底座9。

圖2為本發(fā)明中的超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量時(shí)的初始液位狀態(tài)系統(tǒng)示意圖，所述基準(zhǔn)點(diǎn)裝置14與待測(cè)點(diǎn)裝置15通過所述液體連通管13在裝置的液體連通口8處相連接，并通過所述線纜10在裝置的線纜連接口5處相連接。最終由線纜10連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11。

本實(shí)例待測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為一個(gè)，可以推廣到數(shù)個(gè)待測(cè)點(diǎn)。

如圖2中所示，所述基準(zhǔn)點(diǎn)裝置14安裝在相對(duì)固定不變的位置，所述待測(cè)點(diǎn)裝置15安裝在需要測(cè)量的位置，在初始狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)裝置中的所述超聲波傳感器3的發(fā)射器向下豎直發(fā)射超聲波并開始計(jì)時(shí)，超聲波遇到液面線12即刻返回，超聲波接收器收到反射波即刻停止計(jì)時(shí)，所述超聲波傳感器3記錄超聲波來回所經(jīng)路程的時(shí)間Δt，并通過所述前端處理電路板4發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11。經(jīng)過計(jì)算分析可以得到所述基準(zhǔn)點(diǎn)裝置14中的液面距離H_基0和所述待測(cè)點(diǎn)裝置15中的液面距離H_測(cè)0。

圖3為本發(fā)明中的超聲波靜力水準(zhǔn)水位測(cè)量發(fā)生位移變化后的液位狀態(tài)系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)按照如上所述的初始狀態(tài)工作原理再次進(jìn)行測(cè)量工作，可以得到待測(cè)點(diǎn)發(fā)生豎向位移后所述基準(zhǔn)點(diǎn)裝置14中的液面距離H_基1和所述待測(cè)點(diǎn)裝置15中的液面距離H_測(cè)1。

此時(shí)，待測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的豎向位移差Δh₁為該點(diǎn)液位變化量與基準(zhǔn)點(diǎn)液位變化量之差，可按照下述公式來計(jì)算：

Δh₁＝(H_測(cè)1-H_測(cè)0)-(H_基1-H_基0)

本發(fā)明解決了現(xiàn)有靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的浮球會(huì)帶來測(cè)量誤差這一問題，因此在測(cè)量精度上有較大的提高。