城市积水监测液位仪校准

一、概述

城市积水监测液位仪用于测量道路低洼路段、下穿桥隧、地下车库、涵洞等易积水区域的积水深度，是城市内涝预警和防汛调度的重要感知设备。该类仪器按测量原理主要分为压力式液位计、超声波液位计和雷达液位计三类。为保证监测数据的准确性，液位仪在出厂前、安装前及运行期间均需进行校准。校准的核心目的是确定仪器输入量（实际液位高度）与输出量（电流信号、电压信号或数字通讯值）之间的对应关系，并评定其测量误差是否符合技术指标要求。

二、校准环境要求

2.1 实验室校准

实验室校准应在室内受控环境中进行。环境温度控制在15℃至30℃之间，温度变化率不超过±1℃/h。相对湿度不高于85%RH。校准区域内无强电磁场干扰源，无强烈气流扰动。校准支架应稳固，安装面水平度偏差不超过±0.5°。

2.2 现场校准

现场校准应在被测点位无积水或积水已排空的状态下进行。校准过程中应避免车辆通行引起的地面振动。对于超声波式和雷达式液位仪，校准区域上方应无障碍物悬挂，传感器正下方无堆积杂物。环境温度记录应精确到±1℃。

2.3 校准介质

压力式液位仪：使用洁净自来水作为校准介质，水温与室温之差不超过±5℃。

超声波式和雷达式液位仪：可使用刚性直尺或激光测距仪作为距离参考，无需液体介质。

三、校准标准设备

标准设备	用途	精度要求
钢卷尺/精密直尺	测量实际液位高度	分辨率1 mm，示值误差≤±0.5 mm/m
标准液位标定筒	提供已知液位高度	高度刻度误差≤±0.5 mm
标准压力源（压力式）	施加已知静水压力	精度等级不低于0.05级
激光测距仪	测量传感器至液面的距离	分辨率0.1 mm，精度≤±1 mm
标准信号发生器	模拟输出信号回路检测	精度优于0.01%
多功能校准仪	测量电流/电压输出信号	直流电流测量精度≤±0.02%

四、校准项目与步骤

4.1 外观与安装检查

检查液位仪外壳是否完好，防护等级标识是否清晰，密封件有无老化或破损。确认传感器探头表面清洁，无淤泥、油污或其他附着物。检查电缆接头防水处理是否到位，绝缘电阻不低于100 MΩ（500 V兆欧表测试）。检查安装支架牢固程度，传感器垂直度偏差不超过±1°。对于超声波式和雷达式液位仪，确认波束发射方向与液面垂直，偏角不超过±2°。

4.2 零点校准

压力式液位仪

将压力传感器置于空气中（非浸入状态），记录仪器输出信号值。对于投入式液位计，将其从水中取出擦干后置于安装支架上，使其感压面处于安装零位高度。调整零点偏移参数，使输出信号对应的液位读数为零。重复三次取平均值。

超声波式/雷达式液位仪

将传感器安装于标定位置，在正下方放置已知高度的反射板或直接对准空置的检测井底部。记录仪器测得的距离值，与钢卷尺实测的安装底面至传感器探头底面的距离进行比较。若存在偏差，调整仪器的安装偏移参数或盲区补偿值，使显示值与实测值一致。

4.3 静态准确度校准

压力式液位仪——液位标定法

在已知截面积的标定筒或现场检查井中进行。以等间距选取不少于5个标定点，覆盖满量程的10%—100%（如0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.8 m、1.0 m）。逐点向筒内注入已知深度的水，待液面稳定后记录仪器输出信号对应的液位读数。每个标定点重复三次，取算术平均值。

压力式液位仪——压力标定法

使用标准压力源直接向传感器施加静压信号。施加的压力值按公式（1）换算为等效液位高度：

h =    ρ ⋅ g   p   (1)

式中： h为等效液位高度（m）； p为标准压力源施加的表压（Pa）； ρ为校准介质密度（kg/m³），淡水取998 kg/m³（20℃时）； g为当地重力加速度（m/s²），标准取值9.80665 m/s²。

超声波式/雷达式液位仪

在传感器正下方以等间距放置不同厚度的标准垫块或调节液面高度，形成不少于5个距离标定点。用钢卷尺或激光测距仪精确测量传感器探头底面至反射面的实际距离  D i 。记录仪器显示的距离值  D mi 。每个标定点重复三次取平均值。

4.4 线性度与灵敏度计算

以标准液位值为自变量  x i 、仪器读数为因变量  y i ，采用最小二乘法拟合直线方程：

y =  kx +  b (2)

式中： k为灵敏度系数； b为零点偏移量。

线性度误差按公式（3）计算：

E L  =    Y FS    max ∣y i  − (kx i  + b)∣   ×  100% (3)

式中： Y FS 为满量程输出值。

4.5 测量误差评定

各标定点示值误差按公式（4）计算：

E i  =    H FS    h mi  − h i    ×  100% (4)

式中： E i 为第  i点的相对误差； h mi 为仪器在第  i点的平均读数； h i 为第  i点的标准液位值； H FS 为满量程液位高度。

全量程最大允许误差一般规定为±1% FS或±5 mm，取两者中的较大值，具体依据产品技术规格书确定。

4.6 重复性测试

在同一标定点（推荐满量程的50%），在相同条件下连续进行不少于6次独立测量。按公式（5）计算实验标准偏差：

s =     n − 1   ∑ i=1 n (h mi  −  h ˉ m ) 2      (5)

式中： h ˉ m 为  n次测量的算术平均值。

重复性以实验标准偏差占满量程的百分比表示。

4.7 温度影响测试

将液位仪置于恒温箱中，分别在低温（0℃）、常温（20℃）和高温（50℃）条件下各稳定2 h后进行静态准确度校准。比较不同温度下的零点漂移和灵敏度变化。温度系数按公式（6）计算：

α T  =    ΔT   E max  − E min    (6)

式中： α T 为温度系数（%/℃）； E max 、 E min 分别为各温度点最大测量误差； ΔT为最高与最低温度之差。

4.8 响应时间测试

向标定筒中快速注入一定量的水，使液位在5 s内上升约满量程的20%。用高速数据采集设备同步记录标准液位信号和仪器输出信号，计算仪器输出达到最终稳定值90%所需的时间，即为响应时间。压力式液位仪的响应时间一般不大于2 s，超声波式和雷达式液位仪一般不大于1 s。

五、校准数据处理

所有校准数据应填入统一格式的校准记录表，内容包括：校准日期、地点、环境条件（温度、湿度）、标准设备名称及编号、仪器型号及编号、各标定点标准值、仪器示值、计算误差、线性度、重复性、响应时间、校准结论。

校准结果应编制校准报告，明确给出以下信息：

各标定点示值误差及全量程最大误差；

灵敏度系数和零点偏移量；

线性度误差；

重复性指标；

温度系数（如适用）；

响应时间；

校准结论（合格/不合格）及建议下次校准日期。

六、校准周期

城市积水监测液位仪的校准周期应根据仪器类型、安装环境和历史校准数据确定。一般建议如下：

新建站点安装前：必须进行首次校准；

压力式液位仪（投入式）：每6个月现场校准一次，每12个月返厂全面校准；

超声波式液位仪：每12个月现场校准一次；

雷达式液位仪：每12个月现场校准一次；

仪器经过维修、遭受水淹冲击或更换传感器后，应立即重新校准；

连续两个校准周期内误差均远小于允许值时，经技术负责人批准可适当延长校准周期，但延长期不得超过原周期的50%。

七、注意事项

校准前应清理传感器探头表面的淤泥、油污和附着物，压力式液位仪的透水滤网如有堵塞应予更换。

压力式液位仪校准时应排除导气管内的冷凝水和堵塞，确保通气孔畅通。

超声波式和雷达式液位仪校准时应确认传感器波束范围内无检修爬梯、管道等障碍物，避免产生虚假回波。

校准用水的密度应予以记录，当水温偏离20℃较多时，应按实际水温修正密度值后代入公式（1）计算等效液位。

校准完成后应将校准参数写入数据采集终端的配置文件中，并做好参数备份和版本标识。

校准记录应归档保存，保存期限不少于该仪器报废后五年。