超聲波液位計的選型及其在原型水位自動檢測系統(tǒng)中的實際應用

武 鋒趙 明

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

1 概述

在以往的原型水位自動檢測系統(tǒng)中，大都是采用傳統(tǒng)的投入壓力式液位計或浮子式液位計來進行水位檢測的，它們都屬于接觸式測量方法，由于有些原型河道或湖泊中淤泥、砂石、雜草等雜物較多，因此常會造成保護管或測井的通水孔堵塞，導致水位檢測誤差增大，檢測的精度和穩(wěn)定性變差。長時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，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量中的液位計在高水位時維修不便，即使汛后維修，其費用成本也較高，給正常的使用和維護帶來了很大的不便，從而造成有些原型水位自動檢測系統(tǒng)可靠性差，維護工作量大。

非接觸式測量方法是未來量測技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，從目前國內(nèi)外的實際發(fā)展應用情況來看，超聲波檢測方法是目前比較成熟和實用的非接觸式測量方式之一，近年來隨著超聲波傳感器價格的不斷下降，國內(nèi)外采用超聲波液位計來進行液位檢測的應用也越來越多。本文結(jié)合新型的超聲波水位檢測技術(shù)，提出了利用超聲波液位計對傳統(tǒng)的原型水位自動檢測系統(tǒng)進行更新改造的方案。本方案以合理選擇新型實用的超聲波液位計為核心，采用非接觸測量方式來實現(xiàn)原型水位的自動檢測。

2 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

采用超聲波液位計來實現(xiàn)非接觸式的原型水位自動檢測系統(tǒng)首先是要合理選擇超聲波液位計，選擇超聲波液位計時應根據(jù)原型水位的最大變幅和實際工況等對超聲波液位計的形式、量程、精度、供電、信號輸出、安裝方式等進行合理實用的選擇。

在選擇好超聲波液位計后，應根據(jù)所選用的超聲波液位計的性能參數(shù)合理地配置后續(xù)的儀表設備和自動采集系統(tǒng)，使之組成一個完整的非接觸式原型水位自動檢測系統(tǒng)。

2.1超聲波液位計的選擇

超聲波液位計是利用超聲波的回波時間來檢測水位的，根據(jù)其安裝檢測方式的不同，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超聲波變送器到水面線間的距離來檢測水位的，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)鞑ィ斣撌暡ㄓ龅剿鏁r會產(chǎn)生回波，變送器檢測到回波后，如果預先知道超聲波在空氣中的傳播速度C，再計算出由變送器發(fā)出超聲波到檢測到回波的時間T，由此就可算出變送器到水面線的距離H，如計算式（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)出超聲波到檢測到回波的時間（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]，所以為提高檢測精度，應選用帶有氣溫補償?shù)某暡ㄒ何蛔兯推鳎缫詺鉁豑為參量，其氣溫補償如計算式（3）所示。

式中：C——氣溫T下超聲波在空氣中的傳播速度（m/s）；

T——氣溫（℃）。

液介式超聲波液位變送器是通過檢測水深的變化來檢測水位的，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斣撌暡ㄓ龅剿涂諝獾慕唤用鏁r會產(chǎn)生回波，變送器檢測到回波后，如果預先知道超聲波在該水體中的傳播速度C，再計算出由變送器發(fā)出超聲波到檢測到回波的時間T，由此就可算出變送器到水面線的距離H，如計算式（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)出超聲波到檢測到回波的時間（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會受到水溫變化的影響，為提高檢測精度，應選用帶有溫度補償?shù)某暡ㄒ何蛔兯推鳎缫运疁豑為參量，其溫度補償如計算式（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水位的方式都有所不同，因此對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量方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)試方便、易于維護等優(yōu)點，應此本設計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，本方案將選用一體化氣介式超聲波液位計來組建原型水位自動檢測系統(tǒng)。組建系統(tǒng)時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（帶溫度補償功能）的一體化氣介式超聲波液位計和專用顯示儀表，這樣選配后，經(jīng)現(xiàn)場標定和校準，其水位檢測的平均誤差應可以控制在2cm以內(nèi)。在選擇一體化氣介式超聲波液位計的量程時還應該考慮好盲區(qū)問題，氣介式超聲波液位計的盲區(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。

表1 一體化超聲波水位計檢測值和人工觀測值的數(shù)據(jù)對比表

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

本次設計實施方案的系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

3 超聲波液位計的應用效果

目前隨著電子技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，各種超聲波檢測中的自動補償技術(shù)也得到了不斷的提高，許多帶有自動補償功能的氣介式超聲波液位計已在部分水利單位得到了成功的應用，表1所示是某個一體化超聲波液位計的檢測值和人工觀測值的數(shù)據(jù)對比。

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

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日這段時間內(nèi)，上午8點和下午2點的水位對比過程線圖，分別如圖3和圖4所示。

從該實際應用效果來看，與同類產(chǎn)品相比，帶有自動補償功能的超聲波水位計具有性能可靠、運行穩(wěn)定、適用范圍廣等特點，可在較為惡劣的氣候條件下實現(xiàn)全天候工作[2]。特別是在超標準洪水條件下，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現(xiàn)了非接觸的水位測量，是一種較為新型的水位檢測方式，對測量的水質(zhì)沒有要求，目前很多泥沙含量較高的水位觀測大多使用了該測量方式。相信隨著超聲波和電子技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，氣介式超聲波液位變送器必將會得到更加廣泛的應用和發(fā)展,氣介式超聲波液位計在實際安裝使用時，必須考慮超聲波液位變送器的盲區(qū)問題。當液位進入盲區(qū)后，超聲波液位計就無法正確測量液位了，所以在確定超聲波液位計的量程時，必須留出盲區(qū)的余量，這樣才能保證對液位的準確監(jiān)測及保證超聲波液位變送器的可靠運行。同時，氣介式超聲波液位計在安裝使用時還必須考慮到防雷問題，在其電源和信號端應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].儀器儀表學報，2005，8（增刊）:443-444.

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