超聲波水位計(jì)在船閘自動(dòng)控制中應(yīng)用

【摘要】隨著船閘電氣控制自動(dòng)化水平的發(fā)展，水位信號(hào)檢測(cè)在船閘運(yùn)行工程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，與傳統(tǒng)壓阻式水位計(jì)相比，超聲波水位計(jì)具有易安裝，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】壓阻 激光測(cè)距 超聲波 水位計(jì)

隨著船閘電氣控制自動(dòng)化水平的大幅提升，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)各類檢測(cè)信號(hào)在船閘自動(dòng)控制中發(fā)揮重要作用，水位檢測(cè)信號(hào)也不例外。目前船閘水位檢測(cè)元件主要有：壓阻式水位計(jì)、激光測(cè)距水位計(jì)等，其中壓阻式水位計(jì)使用占90%以上，壓阻式水位計(jì)直接放在水里，激光測(cè)距水位計(jì)需要在水面放置浮標(biāo)，它們主要存在抗干擾能力差、易跑偏、維護(hù)成本高、使用壽命短等問(wèn)題，因此它們輸出信號(hào)僅作為船閘運(yùn)行畫面的水位顯示，而且經(jīng)常與實(shí)際水位不相符，很難參與船閘運(yùn)行自動(dòng)控制。2013年蘇北運(yùn)河淮安二號(hào)船閘首次使用了超聲波水位計(jì)作為船閘新型水位計(jì)，與壓阻式水位計(jì)和激光測(cè)距水位計(jì)相比，具有易安裝、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

1、超聲波水位計(jì)工作原理及特點(diǎn)

一般把振動(dòng)頻率超過(guò)20kHz的聲波稱為超聲波，屬于機(jī)械波的一種，其特征是頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性強(qiáng)，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體中的衰減很小，因而穿透能力強(qiáng)，超聲波液位計(jì)測(cè)量液位正是利用了它的這一特征。超聲波液位計(jì)工作時(shí)，超聲波換能器（探頭）發(fā)出高頻脈沖聲波，遇到被測(cè)水面的表面被反射回來(lái)，折回的反射回波被換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。聲波的傳播時(shí)間與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。聲波傳輸距離L與聲速C和傳輸時(shí)間T的關(guān)系可用公式（1）表示：

L=C×T/2 （1）

超聲波水位計(jì)在發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，不能同時(shí)檢測(cè)反射回波。由于發(fā)射的超聲波脈沖具有一定的時(shí)間寬度，且發(fā)射完超聲波后換能器存在余振，期間不能檢測(cè)反射回波，造成探頭表面下的一小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重迭，無(wú)法識(shí)別，不能正常檢測(cè)，這一段區(qū)域稱為測(cè)量盲區(qū)。盲區(qū)的大小與超聲波水位計(jì)的量程有關(guān)。

超聲波水位計(jì)作為一種非接觸式物位測(cè)量?jī)x表，具有測(cè)量精度高、安裝簡(jiǎn)便、基本免維護(hù)等特點(diǎn)，常用于測(cè)量各種容器內(nèi)液體的液位，以及水渠、 水池、水庫(kù)、江河湖海等水位的測(cè)量，也可以測(cè)量界位、液位差，尤其適用于污水、有腐蝕性的場(chǎng)合，和槽、堰配合構(gòu)成明渠流量計(jì)還可以測(cè)量流量，因此 在鋼鐵、石化、水處理及水利等諸多行業(yè)或領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2、超聲波水位計(jì)在船閘中的實(shí)際應(yīng)用

2.1安裝要求

（1）探頭發(fā)射面到最低液位之間的距離應(yīng)小于液位計(jì)的量程；

（2）探頭發(fā)射面到最高液位之間的距離應(yīng)大于液位計(jì)的盲區(qū)（安裝高度>最高液位+盲區(qū)），如圖 1。

圖1 超聲波水位計(jì)安裝示意圖

（3）探頭發(fā)射面應(yīng)該與被測(cè)液面保持平行，這樣聲波就可以垂直發(fā)射到被測(cè)液面，以保證最大的能量返回。

2.2 安裝過(guò)程注意事項(xiàng)

（1）一般采用法蘭或螺紋安裝方式，不建議吊裝，因?yàn)榈跹b易受風(fēng)的影響而產(chǎn)生晃動(dòng)；

（2）探頭的正下方應(yīng)盡量避開(kāi)進(jìn)、出料口等液 面有劇烈波動(dòng)的位置，如圖2所示；

圖2

由于聲束角的存在，探頭安裝時(shí)應(yīng)與器壁或池壁保持一定的間距，如圖3所示；

圖3

超聲波波束所輻射的范圍內(nèi)，不能有障礙物，安裝時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)池內(nèi)或容器內(nèi)設(shè)施，如扶梯、管路、攪拌器等；

（3）安裝地點(diǎn)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離易產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾的設(shè)備；

（4）應(yīng)盡量避免安裝在液面容易堆積泡沫、漂浮物或劇烈波動(dòng)的地方，因?yàn)闀?huì)影響回波質(zhì)量，產(chǎn)生虛假回波，從而影響測(cè)量精度。必要時(shí)可加裝導(dǎo)波管，其長(zhǎng)度至最低液位即可，應(yīng)保證管內(nèi)、外液體能自由、同步升降，內(nèi)壁要光滑；

（5）當(dāng)容器上有接管且接管無(wú)法縮短使得探頭發(fā)射面不能伸出容器內(nèi)壁時(shí)或者探頭發(fā)射面到最高液位的距離小于盲區(qū)，導(dǎo)致無(wú)法正確檢測(cè)時(shí)，需加裝延伸管，延伸管應(yīng)與液面垂直，內(nèi)壁要光滑；

（6）盡量不要使用在有水蒸汽的場(chǎng)合，如果有蒸汽，易形成水珠附著在探頭的表面，對(duì)正常測(cè)量造成影響；

（7）安裝位置應(yīng)避免強(qiáng)震動(dòng)，如安裝在輕震動(dòng)區(qū)域，可安裝橡膠墊圈減振；

（8）露天安裝時(shí)應(yīng)加裝遮陽(yáng)（雨）罩；

（9）信號(hào)線應(yīng)采用屏蔽電纜，且單點(diǎn)接地；

2.3數(shù)據(jù)傳輸

采用4～20mA或RS485（Modbus協(xié)議或其他定制協(xié)議連接到顯示表或各種DCS系統(tǒng)中，為工業(yè)的自動(dòng)化運(yùn)行提供實(shí)時(shí)的液位數(shù)據(jù)。

2.3實(shí)際效果

從蘇北運(yùn)河水位差較大的淮安船閘管理所和解臺(tái)船閘船閘管理所的使用情況來(lái)看，超聲波水位計(jì)有效解決了船閘水位測(cè)量的難題，提高了船閘水位測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，提高了船閘自動(dòng)化管理水平，同時(shí)，不用像老式壓阻式水位計(jì)那樣需要經(jīng)常維護(hù)和校準(zhǔn)，降低了船閘養(yǎng)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4用途拓展

超聲波水位計(jì)測(cè)得的水位數(shù)據(jù)，通過(guò)蘇北運(yùn)河專用網(wǎng)絡(luò)，可以及時(shí)將實(shí)時(shí)水位信息傳輸?shù)教K北處總調(diào)度室，為調(diào)度船舶提供依據(jù)，提高船舶調(diào)度的安全性，而且還能借助短信平臺(tái)將實(shí)時(shí)水情告知待閘船舶，提升服務(wù)質(zhì)量；同時(shí)將水位數(shù)據(jù)保存到蘇北處大系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供蘇北運(yùn)河水位演變的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3總結(jié)

超聲波水位計(jì)具有精度高、性能穩(wěn)定、易于維護(hù)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅適宜在蘇北運(yùn)河船閘使用，也適用于強(qiáng)腐蝕性等污水的液位測(cè)量，其發(fā)展空間必將十分廣闊。

作者：余向陽(yáng)，男，19781123，漢族，安徽，京杭運(yùn)河江蘇省交通運(yùn)輸廳蘇北航務(wù)管理處，研究生，工程師