超聲波水位計在船閘自動控制中應用

【摘要】隨著船閘電氣控制自動化水平的發展，水位信號檢測在船閘運行工程中發揮越來越重要的作用，與傳統壓阻式水位計相比，超聲波水位計具有易安裝，抗干擾能力強，工作穩定，維修方便等優點。

【關鍵詞】壓阻 激光測距 超聲波 水位計

隨著船閘電氣控制自動化水平的大幅提升，運行現場各類檢測信號在船閘自動控制中發揮重要作用，水位檢測信號也不例外。目前船閘水位檢測元件主要有：壓阻式水位計、激光測距水位計等，其中壓阻式水位計使用占90%以上，壓阻式水位計直接放在水里，激光測距水位計需要在水面放置浮標，它們主要存在抗干擾能力差、易跑偏、維護成本高、使用壽命短等問題，因此它們輸出信號僅作為船閘運行畫面的水位顯示，而且經常與實際水位不相符，很難參與船閘運行自動控制。2013年蘇北運河淮安二號船閘首次使用了超聲波水位計作為船閘新型水位計，與壓阻式水位計和激光測距水位計相比，具有易安裝、抗干擾能力強、工作穩定可靠、維修方便等優點。

1、超聲波水位計工作原理及特點

一般把振動頻率超過20kHz的聲波稱為超聲波，屬于機械波的一種，其特征是頻率高、波長短、繞射現象小，另外方向性強，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，超聲波液位計測量液位正是利用了它的這一特征。超聲波液位計工作時，超聲波換能器（探頭）發出高頻脈沖聲波，遇到被測水面的表面被反射回來，折回的反射回波被換能器接收，轉換成電信號。聲波的傳播時間與換能器到被測介質表面的距離成正比。聲波傳輸距離L與聲速C和傳輸時間T的關系可用公式（1）表示：

L=C×T/2 （1）

超聲波水位計在發射超聲波脈沖時，不能同時檢測反射回波。由于發射的超聲波脈沖具有一定的時間寬度，且發射完超聲波后換能器存在余振，期間不能檢測反射回波，造成探頭表面下的一小段區域內的反射波與發射波重迭，無法識別，不能正常檢測，這一段區域稱為測量盲區。盲區的大小與超聲波水位計的量程有關。

超聲波水位計作為一種非接觸式物位測量儀表，具有測量精度高、安裝簡便、基本免維護等特點，常用于測量各種容器內液體的液位，以及水渠、 水池、水庫、江河湖海等水位的測量，也可以測量界位、液位差，尤其適用于污水、有腐蝕性的場合，和槽、堰配合構成明渠流量計還可以測量流量，因此 在鋼鐵、石化、水處理及水利等諸多行業或領域得到越來越廣泛的應用。

2、超聲波水位計在船閘中的實際應用

2.1安裝要求

（1）探頭發射面到最低液位之間的距離應小于液位計的量程；

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

圖1 超聲波水位計安裝示意圖

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

2.2 安裝過程注意事項

（1）一般采用法蘭或螺紋安裝方式，不建議吊裝，因為吊裝易受風的影響而產生晃動；

（2）探頭的正下方應盡量避開進、出料口等液 面有劇烈波動的位置，如圖2所示；

圖2

由于聲束角的存在，探頭安裝時應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，不能有障礙物，安裝時應盡量避開池內或容器內設施，如扶梯、管路、攪拌器等；

（3）安裝地點應盡可能遠離易產生強電磁干擾的設備；

（4）應盡量避免安裝在液面容易堆積泡沫、漂浮物或劇烈波動的地方，因為會影響回波質量，產生虛假回波，從而影響測量精度。必要時可加裝導波管，其長度至最低液位即可，應保證管內、外液體能自由、同步升降，內壁要光滑；

（5）當容器上有接管且接管無法縮短使得探頭發射面不能伸出容器內壁時或者探頭發射面到最高液位的距離小于盲區，導致無法正確檢測時，需加裝延伸管，延伸管應與液面垂直，內壁要光滑；

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

（7）安裝位置應避免強震動，如安裝在輕震動區域，可安裝橡膠墊圈減振；

（8）露天安裝時應加裝遮陽（雨）罩；

（9）信號線應采用屏蔽電纜，且單點接地；

2.3數據傳輸

采用4～20mA或RS485（Modbus協議或其他定制協議連接到顯示表或各種DCS系統中，為工業的自動化運行提供實時的液位數據。

2.3實際效果

從蘇北運河水位差較大的淮安船閘管理所和解臺船閘船閘管理所的使用情況來看，超聲波水位計有效解決了船閘水位測量的難題，提高了船閘水位測量的準確度和穩定度，提高了船閘自動化管理水平，同時，不用像老式壓阻式水位計那樣需要經常維護和校準，降低了船閘養護人員的勞動強度和安全風險。

2.4用途拓展

超聲波水位計測得的水位數據，通過蘇北運河專用網絡，可以及時將實時水位信息傳輸到蘇北處總調度室，為調度船舶提供依據，提高船舶調度的安全性，而且還能借助短信平臺將實時水情告知待閘船舶，提升服務質量；同時將水位數據保存到蘇北處大系統數據庫，提供蘇北運河水位演變的基礎數據。

3總結

超聲波水位計具有精度高、性能穩定、易于維護、使用方便等優點，不僅適宜在蘇北運河船閘使用，也適用于強腐蝕性等污水的液位測量，其發展空間必將十分廣闊。

作者：余向陽，男，19781123，漢族，安徽，京杭運河江蘇省交通運輸廳蘇北航務管理處，研究生，工程師