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系統識別號 U0026-0812200911085912
論文名稱(中文) 超音波水位計量測方式改良及水位數據之品管檢核
論文名稱(英文) Stage Measuring Technique Improvement of Ultrasonic Sensor Gauge and Accuracy Verifying Procedure of Water Level Data
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 水利及海洋工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Hydraulics & Ocean Engineering
學年度 92
學期 2
出版年 93
研究生(中文) 蔡宗旻
研究生(英文) Tsung-Min Tsai
電子信箱 n8691406@nckualumni.org.tw
學號 n8691406
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 115頁
口試委員 口試委員-葉純松
口試委員-蔡長泰
口試委員-李友平
指導教授-顏沛華
中文關鍵字 品管檢核  測棒檢定  超音波水位計 
英文關鍵字 Accuracy Verifying Procedure  bar check  Ultrasonic Sensor Gauge 
學科別分類
中文摘要   長期且正確之水位數據在水文過程之研究或水利(水資源)工程之規劃、設計實不可或缺,也是相關決策之重要依據。而對於現場水位之量測,一般咸信故障率低、正確性高之浮筒式水位計為較佳之選擇,然因浮筒式水位計受限於枯水河槽易受洪水作用而改道,與井塔(靜水井)易侷限泥砂而淤積,致使用上受到相當限制。截至目前國內水利單位偏向使用便於隨枯水河槽移動之超音波式水位計充當現場水位量測計器,惟據本系所以往之實用經驗及諸水利單位訪談結果得知,該類型之水位計在量測時有不穩定現象,致讀取之水位數據精準度不足。再加上水位資料經由觀測、編碼、通訊傳遞、接收解碼、儲存的複雜過程中,可能因為系統的誤差、儀器的老舊、外在環境的衝擊,或其他不明原因的影響,造成資料的漏失、產生突波(spike)或異常值(outlier),這些未經品管程序之原始數據(raw data)容易誤導水科學之學術研究結果,或造成水利(水資源)政策或工程應用、規劃、設計上難以彌補的重大疏失。
  故本研究乃利用水深量測前之測棒檢定(bar check)觀念與程序,改良目前眾多水利單位所建置超音波水位計之量測方式。而使用此法作率定(calibrate)時,因受限於檢測板大小,溢出檢測板之超音波回波會干擾及延滯其率定結果,本研究乃提出超音波水位計能測得穩定之讀值與其耗費時間相關之特性無因次關係圖並迴歸其公式,藉此圖或公式即可在甚短時間內(如1 min內)求得正確之率定成果,即時供超音波水位計作現場檢定進而量測正確水位。
  再者,經由現場量測之水位數據,本研究提出觀測資料必須符合資料合理性、連續性及關聯性三項檢驗原則之品管程序,而以90%信賴區間法來濾除水位數據之異常值,對於缺漏或經品管檢核剔除的資料,則採用時序列卡門濾波法進行補遺。至於儀器規格及探頭(感測器)高程可作為合理性品管之比對基準,而以能表現前後相鄰時段狀態間變化特性的馬可夫鏈模式來作連續性品管,另一方面,以不同物理量間的關係如雨量~水位或上、下游水位之相關作為關聯性檢測的依據。而對於如颱風等異常氣候所造成資料無法通過檢核時,則改採人工檢核,令現場量測之水位數據更為準確與可靠,避免後續處理計算或統計分析時產生錯誤的資訊。
  透過本研究發展之超音波水位計改良式量測法,不管在本系所試驗場或在華宗橋、灣內橋現場,其成果俱顯示量測所得之水位數據有相當不錯的準確度,在華宗橋及灣內橋之現場觀測值,與咸認為正確性較高之浮筒式水位計比較,其誤差僅在-0.73% ~ +0.41%間(華宗橋)及-0.77% ~ -7.77%(灣內橋)左右。而在水位數據品管程序方面,本研究以華宗橋、灣內橋及達德安攔砂壩之實測值作資料合理性、連續性及關聯性三項檢驗之測試,據分析結果顯示,總缺遺筆數不應超過總檢核筆數之7.32% (8%以下),否則經補遺之水位數據與實測值間可能有超過10%的誤差。
英文摘要   Long-term as well as accuracy stage data is essential for project planning and construction design in Hydraulic and/or Water resources engineering, and being a decision making basis of relative strategy. It is believed that a water float stage recorder is the better choice on site for its low-failure and well performance functions. Since low-discharge channel of stream could be detoured after flooding and the stilling well of water float stage recorder could be silt up, the stage measuring in stream suffered some limitations. Ultrasonic sensor gauges are preferred so far in stage measuring by authorities for its sensor easily moving with detoured channel. Application experiences and authorities interviews show that ultrasonic sensor gauge may be action unstably because of the surrounding temperature effect as to decrease the data accuracy. Stage data acquisition, signal coding and decoding, data communication and storage processing etc. could produced some unreliable measuring result due to the system bias, timeworn devices, environment impacts and other uncertainties which may caused some spike, or outlier data signals. Those unverified raw data are easily misled the research results and caused an error design or serious damages of engineering project.
  The concept of bar check procedure prior to depth sounding on site is provided in this paper to improve the measuring accuracy and efficiency of ultrasonic stage recorder. However, the signal of ultrasonic echo spill from a checking target then interfered by surroundings could delayed the calibrate consequences for its limited target size. In order to accelerate the calibrate procedure on site so as to pick up the accuracy water level of stream as soon as possible, this study put forward both dimensionless experimental curves and formulation equations regarding the calibrate readings with times of specific ultrasonic sensors. This dimensionless curves and formula make it possible to obtain the calibrate result in a short period (say,1 minute) prior to stage measuring step that gives on-site ultrasonic sensor gauges sufficient time to pick up the accuracy stage data during serious storm/typhoon conditions.
  Furthermore, accuracy data verifying procedures such as observation rationality, data continuity and phenomena relativity tests are proposed in this paper as well. Water level data being collected including abnormal value in data bank should be screened out by statistical consideration of 90% confidence interval and the Kalmann filtering algorithm in time series analysis was adopted here as the supplement technique for data missing. Limitations of device specifications and sensor elevation were regarded as the basis of observation rationality test. The Markov chain model (AR model) which adjacent time state variation can be expressed properly was used for data continuity verification. Physical relation between two parameters such as precipitation with water level changing or stages correlation between up and down stream may be used as the phenomena relativity test. Extreme events (say, typhoon or earthquake) resulted in failure testing through the accuracy data verification procedure, and then manual inspection should be running as an option to ensure data accuracy and avoid fault applications.
  This advanced stage measuring technique base on the bar check concept as mentioned above proposed in this paper has confirmed the validity in stage measurement testing by ultrasonic sensor gauge equipped at Hua-Joung Bridge station and Wan-Ray Bridge station, and both obtained excellent accuracy stage readings. Water level readings picked up by water float stage recorder and ultrasonic sensor gauge at Hua-Joung Bridge station is within the variation of -0.73%~+0.41% and -0.77%~-7.77% at Wan-Ray Bridge station. In the aspect of accuracy data verification procedure, testing data collected from Hua-Joung Bridge station, Wan-Ray Bridge station and Dar-Ter-An check dam station were used for observation rationality, data continuity and phenomena relativity testing and analyzing result revealed that the supplementary data should not exceed the total amount data by 8%, else more than 10% error may be expected in between measuring and supplementary values.
論文目次 中文摘要......................................................Ⅰ
英文摘要......................................................III
目 錄..........................................................V
表目錄........................................................VIII
圖目錄.........................................................X
照片目錄......................................................ⅩIII
第一章 緒 論....................................................1
1-1 研究動機....................................................1
1-2 研究方法....................................................2
1-3 本文組織....................................................4
第二章 文獻回顧.................................................6
2-1水位觀測儀器.................................................6
2-1-1 依記錄型式區分..........................................6
2-1-2 依感測元件區分..........................................9
2-2 水位數據擷取與傳輸.........................................18
2-3 水位數據品管、補遺.........................................21
第三章 超音波水位計改良式量測法................................22
3-1 現有問題...................................................22
3-1-1 溫度效應...............................................23
3-1-2 其它影響原因...........................................24
3-2 改良式量測法...............................................25
3-2-1 測棒檢定(bar check)原理................................25
3-2-2 水位數據取樣時間門檻...................................26
3-2-3 改良式量測法之測量步驟…...............................30
3-2-4 精度評鑑公式...........................................33
3-2-5 試驗結果...............................................34
3-2-6率定公式係數與溫度之相關................................63
第四章 水位數據分析與品管......................................64
4-1 水位數據之品管程序.........................................64
4-1-1 合理性品管.............................................65
4-1-2 連續性品管.............................................67
4-1-2-1 信賴區間推求法.....................................67
4-1-2-2 馬可夫鏈模式.......................................69
4-1-3 關聯性品管.............................................73
4-1-4 人工品管...............................................73
4-2 水位數據的補遺.............................................76
4-2-1 補遺應用之理論.........................................76
4-2-1-1 自回歸模式(AR(p)model).........................76
4-2-1-2 卡門濾波法.........................................78
4-2-2 模式建立與驗證.........................................79
4-2-3 最大缺遺資料數的決定...................................84
第五章 實例研究................................................86
5-1 案例一(將軍溪華宗橋).....................................86
5-2 案例二(朴子溪灣內橋).....................................92
5-3 討 論.....................................................102
第六章 結論與建議.............................................107
6-1 結 論.....................................................107
6-2 建 議.....................................................109
參考文獻......................................................111
參考網站......................................................115
附錄一 水位量測規範.........................................附1-1
附錄二 水位觀測站資料.......................................附2-1
附錄三 超音波水位計使用單位訪談調查表.......................附3-1
附錄四 類比數據轉換過程.....................................附4-1
附錄五 時間序列模式.........................................附5-1
(1)自迴歸模式...............................................附5-1
(2)移動平均模式.............................................附5-3
(3)自迴歸移動平均模式.......................................附5-4
(4)自迴歸積分移動平均模式...................................附5-5
附錄六 卡門濾波模式.........................................附6-1
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http://pc183.hy.ntu.edu.tw/operation/or_and_mgr_datacollection.php
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http://wr.wra.gov.tw/new_raws/newraw.asp?p_name=水權法規
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http://www.milltronics.com/
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http://www.hycom.com.tw/chinese/product.htm

論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2005-07-12起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2005-07-12起公開。


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