超聲波液位計(jì)的選型及其在原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

武 鋒趙 明

（1. 安徽省水利部淮河委員會(huì) 水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000 2.蚌埠東輝自動(dòng)化科技有限公司蚌埠 233000）

1 概述

在以往的原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，大都是采用傳統(tǒng)的投入壓力式液位計(jì)或浮子式液位計(jì)來進(jìn)行水位檢測(cè)的，它們都屬于接觸式測(cè)量方法，由于有些原型河道或湖泊中淤泥、砂石、雜草等雜物較多，因此常會(huì)造成保護(hù)管或測(cè)井的通水孔堵塞，導(dǎo)致水位檢測(cè)誤差增大，檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性變差。長(zhǎng)時(shí)間堵塞極易造成傳感器或變送器損壞，特別是傳統(tǒng)的投入壓力式液位計(jì)，本身就可能存在數(shù)據(jù)漂移較大的問題，且這種接觸式水位測(cè)量中的液位計(jì)在高水位時(shí)維修不便，即使汛后維修，其費(fèi)用成本也較高，給正常的使用和維護(hù)帶來了很大的不便，從而造成有些原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可靠性差，維護(hù)工作量大。

非接觸式測(cè)量方法是未來量測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，從目前國(guó)內(nèi)外的實(shí)際發(fā)展應(yīng)用情況來看，超聲波檢測(cè)方法是目前比較成熟和實(shí)用的非接觸式測(cè)量方式之一，近年來隨著超聲波傳感器價(jià)格的不斷下降，國(guó)內(nèi)外采用超聲波液位計(jì)來進(jìn)行液位檢測(cè)的應(yīng)用也越來越多。本文結(jié)合新型的超聲波水位檢測(cè)技術(shù)，提出了利用超聲波液位計(jì)對(duì)傳統(tǒng)的原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行更新改造的方案。本方案以合理選擇新型實(shí)用的超聲波液位計(jì)為核心，采用非接觸測(cè)量方式來實(shí)現(xiàn)原型水位的自動(dòng)檢測(cè)。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用超聲波液位計(jì)來實(shí)現(xiàn)非接觸式的原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)首先是要合理選擇超聲波液位計(jì)，選擇超聲波液位計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)原型水位的最大變幅和實(shí)際工況等對(duì)超聲波液位計(jì)的形式、量程、精度、供電、信號(hào)輸出、安裝方式等進(jìn)行合理實(shí)用的選擇。

在選擇好超聲波液位計(jì)后，應(yīng)根據(jù)所選用的超聲波液位計(jì)的性能參數(shù)合理地配置后續(xù)的儀表設(shè)備和自動(dòng)采集系統(tǒng)，使之組成一個(gè)完整的非接觸式原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

2.1超聲波液位計(jì)的選擇

超聲波液位計(jì)是利用超聲波的回波時(shí)間來檢測(cè)水位的，根據(jù)其安裝檢測(cè)方式的不同，可分為氣介式超聲波液位變送器和液介式超聲波液位變送器兩種，其測(cè)量原理示意圖分別如圖 1中（1）、（2）所示。

氣介式超聲波液位變送器是通過檢測(cè)超聲波變送器到水面線間的距離來檢測(cè)水位的，其基本原理是由變送器發(fā)出的一束超聲波經(jīng)空氣向水面?zhèn)鞑?，?dāng)該束超聲波遇到水面時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波，變送器檢測(cè)到回波后，如果預(yù)先知道超聲波在空氣中的傳播速度C，再計(jì)算出由變送器發(fā)出超聲波到檢測(cè)到回波的時(shí)間T，由此就可算出變送器到水面線的距離H，如計(jì)算式（1）所示。

式中：H——變送器到水面線的距離（m）；

C——超聲波在空氣中的傳播速度（m/s）；

T——發(fā)出超聲波到檢測(cè)到回波的時(shí)間（s）。

由（1）式得出變送器到水面線的距離H后，再用變送器的安裝高程值減去H后即可得到水位值，如計(jì)算式（2）所示。

式中：W——水位值（m）；

W1——變送器的安裝高程值（m）。

由于超聲波在空氣中的傳播速度C會(huì)受到氣溫變化的影響，氣溫每變化1℃，聲波的速率約變化0.6m/s，且為非線性變化[1]，所以為提高檢測(cè)精度，應(yīng)選用帶有氣溫補(bǔ)償?shù)某暡ㄒ何蛔兯推?，如以氣溫T為參量，其氣溫補(bǔ)償如計(jì)算式（3）所示。

式中：C——?dú)鉁豑下超聲波在空氣中的傳播速度（m/s）；

T——?dú)鉁兀ā妫?/p>

液介式超聲波液位變送器是通過檢測(cè)水深的變化來檢測(cè)水位的，其基本原理是由變送器發(fā)出的一束超聲波經(jīng)水體向水面?zhèn)鞑ィ?dāng)該束超聲波遇到水和空氣的交接面時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波，變送器檢測(cè)到回波后，如果預(yù)先知道超聲波在該水體中的傳播速度C，再計(jì)算出由變送器發(fā)出超聲波到檢測(cè)到回波的時(shí)間T，由此就可算出變送器到水面線的距離H，如計(jì)算式（4）所示。

式中：H——變送器到水面線的距離（m）；

C——超聲波在空氣中的傳播速度（m/s）；

T——發(fā)出超聲波到檢測(cè)到回波的時(shí)間（s）。

由（4）式得出變送器到水面線的距離H后，再用變送器的安裝高程值加上H后即可得到水位值，如計(jì)算式（5）所示。

式中：W——水位值（m）；

W1——變送器的安裝高程值（m）。

氣介式超聲波液位變送器一樣，由于超聲波在水體中的傳播速度C會(huì)受到水溫變化的影響，為提高檢測(cè)精度，應(yīng)選用帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡ㄒ何蛔兯推鳎缫运疁豑為參量，其溫度補(bǔ)償如計(jì)算式（6）所示。

式中：C——超聲波在空氣中的傳播速度（m/s）；

T——水溫（℃）。

由于氣介式超聲波液位變送器和液介式超聲波液位變送器的安裝方法和檢測(cè)水位的方式都有所不同，因此對(duì)其特性和要求也有所不同，如液介式超聲波液位變送器必須具備很好的防水性能，而氣介式超聲波液位變送器必須考慮防雷措施。

由于氣介式超聲波液位變送器可直接安裝在液面上部，是一種典型的非接觸測(cè)量方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)此本設(shè)計(jì)方案選用了氣介式超聲波液位變送器。

2.2系統(tǒng)的組成

為便于安裝維護(hù)，本方案將選用一體化氣介式超聲波液位計(jì)來組建原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。組建系統(tǒng)時(shí)首先要確定最大水位變幅，如水位最大變幅約為10m左右，可選擇采用量程為10m、精度在0.25%左右的高精度（帶溫度補(bǔ)償功能）的一體化氣介式超聲波液位計(jì)和專用顯示儀表，這樣選配后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和校準(zhǔn)，其水位檢測(cè)的平均誤差應(yīng)可以控制在2cm以內(nèi)。在選擇一體化氣介式超聲波液位計(jì)的量程時(shí)還應(yīng)該考慮好盲區(qū)問題，氣介式超聲波液位計(jì)的盲區(qū)大小和量程、結(jié)構(gòu)、工藝等有關(guān)，通常在30～50cm之間。如對(duì)盲區(qū)有特殊需要，可選用小盲區(qū)的氣介式超聲波液位計(jì)。

表1 一體化超聲波水位計(jì)檢測(cè)值和人工觀測(cè)值的數(shù)據(jù)對(duì)比表

為便于系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，本方案中的數(shù)據(jù)通訊擬采用無線數(shù)傳模塊來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸；供電電源分現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端和后方數(shù)據(jù)接收處理端兩部分，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端采用由12V免維護(hù)電瓶和太陽能電池板組成的現(xiàn)場(chǎng)直流供電系統(tǒng)來進(jìn)行供電，后方數(shù)據(jù)接收處理端采用220V交流電源經(jīng)配套的長(zhǎng)延時(shí)UPS電源來進(jìn)行供電。

本次設(shè)計(jì)實(shí)施方案的系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

3 超聲波液位計(jì)的應(yīng)用效果

目前隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，各種超聲波檢測(cè)中的自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)也得到了不斷的提高，許多帶有自動(dòng)補(bǔ)償功能的氣介式超聲波液位計(jì)已在部分水利單位得到了成功的應(yīng)用，表1所示是某個(gè)一體化超聲波液位計(jì)的檢測(cè)值和人工觀測(cè)值的數(shù)據(jù)對(duì)比。

由表1可見，在8月14日至8月24日這段時(shí)間內(nèi)，一體化超聲波水位計(jì)的檢測(cè)值和人工觀測(cè)值的相對(duì)誤差大都在±0.01m以內(nèi)，最大絕對(duì)誤差為0.03m，完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)水位觀測(cè)的需要。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可分別繪制出在8月14日至8月24日這段時(shí)間內(nèi)，上午8點(diǎn)和下午2點(diǎn)的水位對(duì)比過程線圖，分別如圖3和圖4所示。

從該實(shí)際應(yīng)用效果來看，與同類產(chǎn)品相比，帶有自動(dòng)補(bǔ)償功能的超聲波水位計(jì)具有性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、適用范圍廣等特點(diǎn)，可在較為惡劣的氣候條件下實(shí)現(xiàn)全天候工作[2]。特別是在超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下，更能顯示出其優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

氣介式超聲波液位變送器實(shí)現(xiàn)了非接觸的水位測(cè)量，是一種較為新型的水位檢測(cè)方式，對(duì)測(cè)量的水質(zhì)沒有要求，目前很多泥沙含量較高的水位觀測(cè)大多使用了該測(cè)量方式。相信隨著超聲波和電子技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，氣介式超聲波液位變送器必將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,氣介式超聲波液位計(jì)在實(shí)際安裝使用時(shí)，必須考慮超聲波液位變送器的盲區(qū)問題。當(dāng)液位進(jìn)入盲區(qū)后，超聲波液位計(jì)就無法正確測(cè)量液位了，所以在確定超聲波液位計(jì)的量程時(shí)，必須留出盲區(qū)的余量，這樣才能保證對(duì)液位的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)及保證超聲波液位變送器的可靠運(yùn)行。同時(shí)，氣介式超聲波液位計(jì)在安裝使用時(shí)還必須考慮到防雷問題，在其電源和信號(hào)端應(yīng)加裝合適的避雷裝置，以免雷擊損壞■

[1]倫翠芬,侯桂鳳等.智能超聲波物位儀的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，8（增刊）:443-444.

[2]孫繁亭,謝葆.HW-1000C非接觸超聲波水位計(jì)的應(yīng)用[J].巴州科技,2009,3:20-21.