第一章 水力要素的量测技术
第一节 水位的量测
随着水流运动状态的不同，水流表面的特征也有区别，测量时应针对其不同的特点来选取最合适的方法。
一、直接量测法
将具有刻度的标尺直接放入水中，读出水面位置的读数。或在透明容器的外部附上标尺，可直接读出容器内水面位置的读数，如图1-1-1所示。
由于表面张力的作用，水面与标尺或容器接触部位水面局部升高，影响到水面位置读数的准确性。在应用直接量测法量测水位时，要考虑由此产生的读数误差。在测量过程中还要注意尺子的起始刻度所在的位置。
二、测压管法
在液体容器壁上开一个小孔，将液体引到一个透明玻璃管内，按照连通管等压面的原理，玻璃管内液面与容器内的液面同高，利用测压管旁边安装的标尺可测读出容器内的水位。
图1-1-1 水尺法示意图
测压管是根据连通原理制作的，它是由测压孔、连通管与测压管组成，如图1-1-2所示。测压管一般采用玻璃管或有机玻璃管，管子的内径大于10mm，以免由于毛细管现象影响测量的精度。管的内径必须均匀，如用多管组成测压管组时，各管内径也要相等，否则，毛细管升高将有不同。
图1-1-2 测压管测水位装置
测压孔在盛水容器的底板或侧壁等处开设的径向小孔，孔径一般要大于2mm，使之不易堵塞，并连接防锈材质的短管，用套在短管上的橡皮软管引出，外接一个玻璃管就是测压管。开测压孔时，要与壁面垂直，孔内周边要平顺光滑，其周边不得有毛刺存在。
三、测针法
量测恒定水位时，测针是应用最普遍的一种仪器。如图1-1-3（a）、图1-1-3（b）所示，为一种常用国产测针的结构图。测针尖下端接触水面处为针形所示，测量时可在拟测水位处固定测针架。图中套筒牢固地安装在支座上，测杆在套筒中能上下移动。
图1-1-3 测针结构图
为提高读数精度，需了解游标的测读方法。例如图1-1-3（c）游标上的零刻度正好对应测针读数3，且两刻度重合，所以水位读数为3.00cm。再如图1-1-3（d），游标上零刻度正好对应测针标尺读数在3.3cm，两刻度重合，可知此时水位读数为3.30cm。
使用时，用测针尖直接量测水位，或安装测针筒，将水引出后，在筒内进行测读。在实验室应用量水堰测流量时，测定堰上水深一般多用这种方法，如图1-1-4（a）所示。若需测水面线时，可将测针安装在活动测针车上，如图1-1-4（b）所示，使其沿平直轨道前后左右滑动，以便测得任意断面和测点的水深和水位。为了避免水表面吸附作用的影响，还可以把针尖做成钩形，如图1-1-4（c）所示。
在上下移动测针杆量测水位时，应首先用一只手托住芯体，另一只手抓住测针杆将其向上或向下移动到所需位置附近，此步骤为粗调，粗调时芯体不随测针杆移动。再用微动齿轮仔细地调节测针尖刚好接触水面，此步骤称为细调。
图1-1-4 测针安装图
使用测针时，应注意以下几点：
（1）测针尖端勿过于尖锐，以半径为0.25mm的圆尖为宜。
（2）测针安装必须竖直牢固，轨道必须水平和稳固。
（3）量测时，应使测针尖自上向下逐渐接近水面（勿从水中提起），直至针尖与其倒影刚好重合。
（4）当水位略有波动时，应量测最高与最低水位多次，然后取平均值作为平均水位。
（5）经常检查测针有无松动、针尖有无变形等。
四、浮子式水位计
WFH-2A型全量机械编码水位计用于观测江河、湖泊、水库、水渠、地下水等水体水位的变化，并将这种变化通过机械编码的方式转换为开关数字量输出，可供水文站网、防汛、水资源水环境监测以及相关科研部门进行水位数据的采集、传输、处理、显示、记录和存储等。
WFH-2A型全量机械编码水位计由编码器、浮子、水位轮、传动钢丝绳、平衡锤等组成。仪器如图1-1-5所示，结构如图1-1-6所示。适用于具有垂直水位测井的水位观测站。标准配置的浮子直径为150mm，可用于40m水位量程。
图1-1-5 浮子式水位计
图1-1-6 浮子式水位计结构图（单位：mm）
平衡锤用于力的平衡，控制钢丝绳的张紧，保证浮子“吃水线”位置始终处于其最大外圆高度的1/2处。水位计工作时，其传动过程中力的传递是由浮子及平衡锤的重力作用、水体对浮子的浮力作用、摩擦阻力的作用等共同完成的。在水位没有变化的情况下，以上三种作用处于一种平衡状态，浮子与平衡锤两边的力是平衡的。当水位上升时，浮子产生向上浮力，使平衡锤拉动钢丝绳带动水位轮作顺时针方向旋转，水位编码器的显示读数增加；水位下降时，则浮子下沉，并拉动钢丝绳带动水位轮逆时针方向旋转，水位编码器的显示器读数减小。当水位上升或下降，编码器的轴就旋转一定的角度，编码器同步输出一组对应的数字编码（二进制循环码，又称格雷码）。从而经由传动钢丝绳将这种不平衡力所产生的直线运动转换为水位轮及编码器输入轴的旋转运动，再由编码器转换为数字编码信息量输出。
五、SSH型便携式超声波测深仪
SSH型便携式超声波测深仪是测量水库、湖泊、江河、浅海等水体的便携式测深仪器，如图1-1-7所示。测深时将超声波换能器置于水面之下或一定位置，利用超声波在水中的固定声速Vc和超声波发射到接收的时间T，按公式（1-1-1）自动换算出水深H。
SSH型便携式超声波水位计，以AT89C51单片机为测控中心，可以控制仪器的发射、接收和对接收数据进行分析处理。超声波收发转换电路采用专用集成电路，并以液晶显示测深结果，具有耗电省、可靠性高、使用方便、操作简单、测量迅速准确等特点。仪器可在静水中测深，也可在具有一定速度的水中测深；水流速度可达5m/s左右，是水文测验、水电厂、库区、湖泊、河道勘测和环境水域监测的理想水深测量仪器。
六、OTT CBS气泡式水位计
OTT CBS气泡式水位计如图1-1-8所示，具有高量程、高精度的特点，并带有4～20mA模拟输出和SDI12 标准接口，最新设计的智能型气泵可以在满足测量精度的前提下减小打气体积，以便节省系统功耗。
图1-1-7 超声波水位计
图1-1-8 OTT CBS气泡式水位计
气泡式水位计内部的活塞泵产生压缩空气，流经专用气流线，按设定好的间隔进入气室，在气室里，气泡均匀地冒出来进入水中。
气泡室孔上水的液位（h）与测量管内流体静压（p）建立关系如下：
那么，假设液体的密度保持不变，则测量液位和测量管内的空气压力之间就存在一定的线性关系。通过测量测管内的空气压力，就可以换算出当前的水位了。这就是气泡式水位计测量液位的基本原理。
气泡式水位计应用范围：河流、湖泊、水库、地下水、湿地等。