液位傳感器裝置在三峽船閘的應用分析

王心沁，王禮侖，余燦，譚惠尹，王余旺

摘 要：液位傳感器俗稱水位計，可測量液位深淺，它是工廠、船閘廣泛運用的重要傳感設備，本文主要分析幾種常見類型的液位傳感器在三峽船閘中運用的可能性和優劣比較。

關鍵詞：三峽船閘;水位計;液位傳感器;超聲波;雷達 。

中圖分類號：U641 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）11-0027-02

1 水位計在三峽船閘的作用

水位計在三峽船閘自動化控制系統中應用廣泛，它給船閘PLC自動控制系統提供了大量的水位信息，系統通過對南北線上下游及各閘室水位數據分析，不僅可以自動判斷雙線五級船閘的運行級數，是否補水以及補水厚度等重要運行參數設置，還可以影響到相鄰閘室平壓開啟人字門條件的觸發以及各閘首閥門動水關閥、緊急關閥保護指令的執行。除此之外，水位計還在三峽船閘輔助設施檢修排水泵房中起到了關鍵性的作用，與水位控制儀相互配合，直接參與了泵房輔機設備深井泵和潛水泵運行控制邏輯，在保護輔機設備可以正常運行的同時也保障了船閘主要設施、設備檢修計劃的實施。

1.1閥門控制

為防止輸水末期超灌超泄，保護機械設備和船舶安全，輸水流程中設置了動水關閥，例如三閘首水頭減小到六米時，閥門從全開位關閉。補水過程中補水量的計算及補水閥的開閉控制。滲漏排水泵房的潛水泵自動模式下啟動和停機也需水位計信號控制。

1.2水平信號

輸水水平的信號靠閘首兩側的水位計計算得出，現地水頭小于0.1米，集控水頭小于0.06米即被判斷為水平，此時程序自動暫停關閥，轉步為開閘門。開門過程中反向水頭大于0.4米則會停機。

1.3水位保護

三峽船閘上下游最大水位落差可達113米，而中間相鄰閘室工作水頭一般在40M左右（最大45.20M），這樣就造成了相鄰閘室間開啟閥門充、泄水時速度快，慣性大，如不及時將閥門關至小開度，必定會出現超灌或者超泄現象，產生較大的正向或者反向水頭，從而對人字門門體結構和啟閉機房液壓系統及通航船舶的安全產生了極大的影響，運行程序必須通過水位計提供的數據對閥門的開度和開、關閥時間做出相關控制，在一定水位差時下達動水關閥指令，達到保護船閘設備設施安全高效運行的目的。并在程序中設定有C類故障報警，當閘室水位可能超過最大通航水位，低于最小通航水位時，或閘首工作水頭超高時，將會報開閥水位條件不滿足或自動緊急關閥。

2 水位計類型比較

當前主流水位計有超聲波式，雷達式和投入靜壓式三種，下面著重比較他們的優劣和在三峽船閘運用的可能性。

2.1超聲波水位計

該超聲波傳感器一般安裝在水面的上方，工作時傳感器向水位發射超聲波脈沖，當脈沖信號到達水面后產生反射，反射回去的脈沖信號被超聲波傳感器接收，并由物理信號轉換成電信號。并根據脈沖的傳輸時間和脈沖的速度計算出傳感器到水面表面的距離。

特點：

（1）精度0.5%FS，量程50米。

（2）非接觸測量，不受水體污染，不破壞水流結構。

（3）不需建造測井，節省土建投資。

（4）無觸點開關元器件。

（5）無機械磨損，穩定耐用。

（6）自動功率調整、增益控制、溫度補償。

2.2雷達水位計

雷達水位計主要是靠從雷達水位傳感天線發射的電磁波脈信號沖作為測量元素，當電磁波脈信號沖遇到水面時，部分脈沖被反射形成回波信號，雷達水位計天線接收從水面反射回來的回波信號，并通過發射信號與接受到反射信號之間的時間差及電磁波的傳播速度，計算出雷達傳感器與被測水面的距離。

特點：

（1）精度小于0.1%FS，量程70米。

（2）波束角小，能量集中，抗干擾能力強。

（3）無機械磨損、非接觸型測量，壽命長，易維護。

（4）測量與水質無關，抗腐蝕能力強，不受泡沫、粉塵、蒸汽影響。

（5）要根據被測液體介電常數選用合適型號。

（6）跟超聲波一樣也有盲區，較小，0.2米左右。

2.3投入式靜壓水位計

投入式靜壓水位計計是采用硅晶片作為壓力檢測元件。當把傳感器放入水中一定深度時，硅晶片受壓產生形變，其電阻率呈線性變化。它與傳感器內部其他三個作為參考標準的電阻構成一個電橋，在外加24V直流電壓條件下，輸出信號呈線性變化的4-20MA電流值，并通過采集設備計算出當前水位。投入式靜壓液位變送器的傳感器部分可通過口徑匹配的不銹鋼鋼管投入到水中，這樣可以提高測量的穩定性和精度，避免水流波動產生的誤差及干擾。

特點：

（1）精度0.1%FS，量程200米。

（2）穩定性好，滿度、零位長期穩定性可達0.1%FS/年。在補償溫度0～70℃范圍內，溫度飄移小于0.1%FS，在整個允許工作溫度范圍內低于0.3%FS。

（3）直接投入到被測介質中，安裝使用相當方便，結構簡單、經濟耐用，其機械結構對過載及腐蝕性介質具有高抵抗性。

（4）固態結構，無可動部件，高可靠性，使用壽命長從水、油到粘度較大的糊狀都可以進行高精度測量，不受被測介質起泡、沉積、電氣特性的影響。

（5）具有反向保護、限流保護電路，在安裝時正負極接反不會損壞變送器，異常時變送器會自動限流在35mA以內。

3 總結

超聲波水位計由于在自然環境中（超）聲波頻段的干擾較多，像水流聲、設備諧振、回音等都會影響到超聲液位計的測量;并且頂部有盲區。精度一般，價格便宜，不適用于有氣泡或懸浮物的介質。容易受溫度、濕度、泡沫、障礙物、風浪的影響，所以閘室內不宜安裝超聲波水位計。

雷達水位計相對超聲波等液位計精度高，適用工況多。維護方便，操作過程也簡單。頂部盲區比超聲波水位計小。測量介質中有些易揮發的有機物會在雷達液位計的喇叭口或天線上結晶，需要進行定期檢查和清理。最初安裝必須是空倉，對容器有些要求，安裝調試麻煩。價格較貴。

投入式靜壓水位計由于原理限制，是先測出壓力再轉化為液位，精度不是很高。如果積垢或結晶附著在變送器模塊上，變送器靈敏就很低，所以需要介質純凈。一般不接觸底部安裝，留有砂石淤積的空隙，所以底部有盲區。

經過比較分析，當前適應三峽船閘水位計井的設備就是投入式靜壓水位計，因為其對井的要求較低，可以允許有水管、爬梯等設備，并且閘室內水面漂浮物較多，靜壓式水位計不受其干擾。平時調試率定簡單，幾乎不受溫度變化影響，并且安裝于水位計管內受水流影響較小。

參考文獻：

[1]劉艷艷. 超聲波液位計的研究[D]. 北京化工大學， 2007.

[2]陸石輝， 邱瑞鑫， 黃少先. 淺談雷達液位計及其構成的液位測量系統[J]. 中國水能及電氣化， 2007（10）.

[3]翟斌， 李可. 靜壓式液位計的應用與維護[J]. 計量技術， 2003（7）：60-60.