UL-12超聲波液位計(jì)工程應(yīng)用比測(cè)分析

劉艷平，郭曈曈，安保慶，熊光亞

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211000）

UL-12超聲波液位計(jì)工程應(yīng)用比測(cè)分析

劉艷平，郭曈曈，安保慶，熊光亞

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211000）

本文簡(jiǎn)介UL-12超聲波液位計(jì)的工作原理、技術(shù)指標(biāo)及安裝要點(diǎn)；對(duì)比分析三峽隧洞口使用的UL-12型超聲波液位計(jì)采集的水位數(shù)據(jù)與氣泡水位計(jì)數(shù)據(jù)；分析表明UL-12超聲波液位計(jì)在測(cè)量水位方面精度較高，能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

UL-12；超聲波液位計(jì)；應(yīng)用；比測(cè)；分析

0 引言

在生產(chǎn)和生活中的許多領(lǐng)域都需要液位測(cè)量，如江河水位、廢水液位、罐裝液體液位等。近幾年來(lái)，我國(guó)連續(xù)遭遇洪災(zāi)、雪災(zāi)、大地震等自然災(zāi)害，國(guó)家承受了很大的經(jīng)濟(jì)損失，為了減少這些損失，對(duì)大自然環(huán)境的觀(guān)測(cè)與預(yù)警現(xiàn)在成為現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)的一個(gè)重要的議題。在防洪防汛這一領(lǐng)域，水庫(kù)、河流的液位測(cè)量顯得尤其重要。就液位測(cè)量?jī)x表的類(lèi)型來(lái)看，超聲波液位計(jì)是比較理想的非接觸式測(cè)量?jī)x表。

1 UL-12超聲波液位計(jì)[1]

UL-12是南京南瑞集團(tuán)公司自產(chǎn)的一款氣介式超聲波液位計(jì)。它是一種非接觸測(cè)量的液位計(jì)，適用于江河、湖泊、水庫(kù)、河口、渠道、船閘及各種水工建筑物處水位測(cè)量，不受水體污染影響，不破壞水流結(jié)構(gòu)，不需建造測(cè)井，節(jié)省土建投資，采用法蘭或螺紋連接，安裝方便。相比普通氣介式超聲波液位計(jì)其測(cè)量精度更高。

1.1 工作原理

UL-12超聲波液位計(jì)安裝于被測(cè)液面上方，以空氣為介質(zhì)，在電子單元的控制下，探頭向被測(cè)面發(fā)射一束超聲波脈沖，聲波遇到液面后反射，部分高能量反射回波由探頭接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。從超聲波發(fā)射到重新被接收，其時(shí)間與探頭至被測(cè)面的距離成正比；由電子單元檢測(cè)記錄該時(shí)間并根據(jù)當(dāng)前聲速（修正后）計(jì)算出被測(cè)距離，然后將液位高度轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)輸出；也可通過(guò)RS485串口通信方式傳輸至后臺(tái)控制中心。圖1為其原理框圖。

圖2為水位測(cè)量示意圖，其中探頭到被測(cè)水面的距離L計(jì)算公式為：

圖1 原理框圖

圖2 水位測(cè)量示意圖

式中：L——探頭到被測(cè)水面的距離，m；

c——聲速，m/s；

t——聲波的傳播時(shí)間，s。

由于超聲波行程是從探頭到水面再返回探頭，所以實(shí)際距離需除以2。

當(dāng)探頭的安裝高度為H時(shí)（見(jiàn)圖2），水位Z可以用下列公式表達(dá)：

因此，只要能準(zhǔn)確測(cè)量距離L，就可以得到準(zhǔn)確的水位。聲波脈沖發(fā)射過(guò)程中換能器機(jī)械惰性占用了一定的傳輸時(shí)間，使靠近超聲波換能器的一小段區(qū)域內(nèi)聲波不能被接收，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為盲區(qū)。盲區(qū)大小不會(huì)影響盲區(qū)外的測(cè)量，因此與測(cè)量精度無(wú)關(guān)。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）測(cè)量范圍：12m ；

（2）精度：空氣中滿(mǎn)量程的±0.2%；

（3）分辨率：3mm；

（4）盲區(qū)：0.4m；

（5）溫漂：0.03%FS/10℃；

（6）響應(yīng)時(shí)間：2s；

（7）平均功耗：0.8W。

1.3 主要特性

UL-12超聲波液位計(jì)采用數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)，精度高至0.2%；具有脈沖功率驅(qū)動(dòng)電路，可發(fā)射等幅超聲波，轉(zhuǎn)換效率高；具有液位、距離互換功能；內(nèi)置自動(dòng)溫度補(bǔ)償單元，在空氣中滿(mǎn)量程范圍內(nèi)無(wú)精度下降；聲束發(fā)射角小于8°，能量集中；外殼防護(hù)IP65等級(jí)，可在雨中使用；多種信號(hào)輸出（4～20MA、RS485、高低報(bào)警輸出）；設(shè)備小巧，便于安裝。

1.4 安裝與調(diào)試

UL-12超聲波液位計(jì)安裝尺寸圖以及安裝附件的尺寸圖見(jiàn)圖3。

安裝方式與安裝位置的地形有關(guān)，不同地形采用不同的安裝方法。UL-12超聲波液位計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，不需要建造水井。在岸上立一根立桿，水平方向支一根1～6m長(zhǎng)的橫臂，橫臂為鍍鋅鋼板，寬度大于100mm，開(kāi)一個(gè)80～86mm直徑的圓孔，斜拉管焊點(diǎn)位于橫臂的三分之二處，橫臂前端由法蘭固定超聲波水位計(jì)，見(jiàn)圖4。如果現(xiàn)場(chǎng)有符合條件伸出水面的懸臂，在懸臂前端上開(kāi)一個(gè)80～86mm直徑的圓孔，由法蘭固定超聲波水位計(jì)（注：為保證測(cè)量精度，建議加裝通風(fēng)百葉箱，遮陽(yáng)通風(fēng)）。

圖3 安裝尺寸圖以及安裝附件的尺寸圖

圖4 超聲波水位計(jì)水位安裝方法

圖5 三峽隧洞口圖

2 工程應(yīng)用

UL-12超聲波液位計(jì)在許多工程中有應(yīng)用，工程應(yīng)用前曾在三峽某一隧洞口進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)。此隧洞口河道縱坡小水流平緩，該地河床由細(xì)沙、礫石為主，水流集中，當(dāng)受風(fēng)浪影響河流水面上才出現(xiàn)波浪現(xiàn)象，見(jiàn)圖5。

此隧洞口已建好水位測(cè)站，所用水位測(cè)量?jī)x器儀器為Sutron氣泡水位計(jì)。其技術(shù)參數(shù)如下[2]：

（1）測(cè)量范圍：35m;

（2）精度：±0.05%FS；

（3）分辨率：0.1mm；

（4）信號(hào)輸出：SDI-12。

UL-12超聲波液位計(jì)安裝在氣泡水位計(jì)測(cè)站旁邊，見(jiàn)圖6，UL-12放在百葉箱中。超聲波液位計(jì)和氣泡水位計(jì)傳輸?shù)浇y(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)，測(cè)量間隔為每10分鐘一次。

3 比測(cè)資料分析

隧洞口水面清澈，水位起伏穩(wěn)定，便于比測(cè)。水位變化主要由降雨造成，水位突變主要由暴雨形成，暴雨持續(xù)時(shí)間一般為24h左右。

設(shè)置于隧洞口的UL-12型超聲波液位計(jì)自2014年5月與氣泡水位計(jì)的水位數(shù)據(jù)資料進(jìn)行比對(duì)。采集比測(cè)數(shù)據(jù)到現(xiàn)在超30000個(gè)。表1、表2、表3分別為2014年5月8日、6月28日和8月8日一段時(shí)間逐時(shí)水位實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖6 UL-12安裝圖

表1 2014年5月8日數(shù)據(jù) m

表2 2014年6月28日數(shù)據(jù) m

續(xù)表

表3 2014年8月8日數(shù)據(jù) m

通過(guò)表1～表3數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以看出不同時(shí)刻由UL-12超聲波液位計(jì)測(cè)得的水位與氣泡水位計(jì)的水位基本吻合，僅個(gè)別時(shí)段比測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)微小偏差，分析誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：①比測(cè)期間水面風(fēng)力較大導(dǎo)致波浪起伏頻繁，給超聲波液位計(jì)的測(cè)量造成一定影響；②水面漂浮物影響了超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度；③氣泡水位計(jì)也有一定的測(cè)量誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

UL-12超聲波液位計(jì)具有無(wú)需建井、便于安裝、自動(dòng)溫度補(bǔ)償、觀(guān)測(cè)精度高、性能穩(wěn)定及無(wú)人值守等特點(diǎn)；通過(guò)三峽隧洞口和氣泡水位計(jì)比測(cè)分析，UL-12超聲波液位計(jì)采集的水位數(shù)據(jù)資料完全符合《水位觀(guān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138）規(guī)定的精度要求。特別是在容易淤積的河道、海岸和不易建設(shè)水位測(cè)井的地方，更能顯示出它的優(yōu)勢(shì)。

[1] 劉艷平，等． 高精度氣介式超聲波液位計(jì)研制．水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2013，37（4），27-29．

[2] Accubar Bubbler （Bubble Gauge） 5600-0131 [EB/ OL]．http：//www．sutron．com/product/accubar-bubbler-bubblegauge-5600-0131．htm/

劉艷平（1984—），男，電力工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化、大壩安全監(jiān)測(cè)、水情水調(diào)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。E-mail：liuyanping@sgepri．sgcc．com．cn

郭曈曈（1983—），女，電力工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。E-mail：guotongtong@sgepri．sgcc．com．cn

安保慶（1984—），男，電力工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化、大壩安全監(jiān)測(cè)、水情水調(diào)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。E-mail：anbaoqing@sgepri．sgcc．om．cn

Engineering application and contrast analysis of UL-12 type ultrasonic level gauge

LIU Yanping，GUO Tongtong，AN Baoqing，XIONG Guangya（NANJING NARI GROUP CORPORATION，Nanjing 211000，China）

A brief introduction was made on the working principle， index and installation essentials of UL-12 type ultrasonic level gauge. UL-12 type ultrasonic level gauge was used at tunnel opening of the three gorges. As compared with bubble water level， the data out of ultrasonic level gauge has higher accuracy up to requirements of standard.

UL-12; ultrasonic level gauge; application; contrast measurement; analysis