气泡水位计测量误差成因分析

1 气泡水位计的测量原理简述在均匀静态液态媒质下，在液体深度为h的位置，其压强为：

    式（2）即气泡水位计的测量原理，可见只要通过测量被测点的压强、液体密度，就可以间接测量出被测点在液体中的深度，将测量深度加上被测点的海拔高度，就可以计算出水面高程。

2 静水条件下测量误差成因分析

2.1 水的密度对测量误差的影响

    测量误差产生的重要原因之一就是水的密度不同，在一般水位计出厂时，默认水密度为1 000 kg/m3，实际上水的密度与水的物理化学属性密切相关。对于纯净水来说，密度zui大时水温为4 ℃，期密度为1 000 kg/m3，当该值低于或者高于水温的时候，将会使水的密度下降，温度对水的密度造成的影响较小，在进行工作时往往可以不去计算。但是含沙量和含盐量对河水密度的影响非常明显，在进行工作时往往要加以重视，不可忽略。我国北方多沙河流水文站和东南沿海的潮位站，水密度动态变化明显且无规律可循，不适用气泡水位计。

2.2 重力常数对测量误差的影响

    我国南北纬度具有较大的跨度，这就造成了其重力常数的不同，重力常数是一个变量，因此，在不同地区的气泡水位计应根据当地的具体情况，采用不同的重力常数进行计算，或者对测量结果进行线性修正。

3 流速造成的测量误差成因分析

    利用式（2）测量液体深度的前提条件是：必须是静态水。事实上，在多数情况下，测量天然河道中的水位，都是用的气泡水位计，因为水流有静、动两种压力，所以，可以假设v为河道中气管出口处水的流速，并且依据伯努利流体能量方程，得出水面下水的深度：

4 分析气源使用不当造成的测量误差

4.1 分析气腔内部进水的原因

    （1）气腔内部发生气体渗漏，会导致气腔内部压强降低，从而使水流入气腔内部。

    （2）水位升高速度过快，会造成水压的变化，当管内气压变化速度小于水压变化速度时，也会使气腔内部进水，使测量产生误差。

    综上可知，在进行工程作业时，需要联系或间断的增加气腔内的气体，从而有效地防止气腔进水。（本文相关产品推荐：磁翻板液位计）

4.2 气源气体补给量的确定

    因为是常温，气管内气压压强不大，所以使用理想气体的克拉伯龙方程来推导。设v1为气管的内截面积（m2），l为长度（m），h为气容的高度（m），s为内截面积（m2），那么，lv1+hs为气腔体积（m3），设h1为气腔出口的初始水头（m），P1时间后水头上涨到h2=h1+Δh，对应的压强为P2（Pa）。

    假设t为水位变化前后的恒定温度，在水位变化的过程中，气体一直没有从气腔出口溢出，而且气容在水位上升以后也并没有进水。

    设水位变化前后，气腔（气管和气室内部可容气体的空间）内气体量分别为n1和n2

    所以，在水位涨率未知的情况下，适当增加恒流气源单位时间内的供气量或延长间断性气源泵气时间可以有效地减小测量的误差。

5 气腔结构造成的测量误差分析

    在一般情况下，气管和气容两部分构成了气泡水位计的气腔，气管和气容两部分是相互连通的，气腔的下面就是气容，其出气口也再气容得下端面，并淹没于水下。气管的型号由水位计的型号决定，气容由厂家配置或用户自己加工。为了分析气容的作用，本文用一个特例分别就气腔无气容和有气容两种情况进行误差计算，通过误差对比说明气容具有减小测量误差的作用，同时分析气容结构特点与误差之间的关系。假设水位在很短的时间内有上涨现象，气腔内部压强从P变为P+P1，设x为无气容时气管内进水深度，x为有气容时气容内的进水深度,设气容的横截面是气管的k倍（即气容的横截面为kv1），用玻马定律来对比分析两种情况下气腔内的进水深度。

    对于无气容的情况：

6 减小测量误差的方法

    气泡水位计的测量误差是多种误差叠加。针对水的动压造成的测量误差，可采取两种解决措施：（1）平行气腔下端面与水流方向，降低水流产生的动压影响。（2）可在气容上游砌挡水墙，减缓测量点水的流速。针对气体补给不足造成的测量误差，也可取两种解决措施：（1）增加气体供给，气源为恒流源时，增加单位时间内的供气量，保证任何时刻都满足（4）式，气源为间断性气源时，延长每次泵气的时间，保证任何时刻都满足（5）式；（2）在不影响测量的情况下缩短气管长度L，减少气体的需求量。而针对气腔结构不合理造成的测量误差，可采取两种解决措施：（1）倘若气腔没有气容就增加气容；（2）优化气容结构。从（8）式可知，减小H值，增大k值，可以进一步减小测量误差，既合理增大气容的横截面，同时降低气容的高度，注意气容结构优化设计不应增大气容的容积。

7 结语

    气泡水位计有其自身的适应环境和安装要求，充分分析测量误差成因并采取相应措施一定可以把误差减小到zui小，发挥其应有的测量功能。