【摘要】隨著船閘電氣控制自動(dòng)化水平的發(fā)展，水位信號檢測在船閘運(yùn)行工程中發(fā)揮越來越重要的作用，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)場各類檢測信號在船閘自動(dòng)控制中發(fā)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(jì)、激光測距水位計(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、使用壽命短等問題，因此它們輸出信號僅作為船閘運(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，遇到被測水面的表面被反射回來，折回的反射回波被換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。聲波的傳播時(shí)間與換能器到被測介質(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，無法識別，不能正常檢測，這一段區(qū)域稱為測量盲區(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量儀表，具有測量精度高、安裝簡便、基本免維護(hù)等特點(diǎn)，常用于測量各種容器內(nèi)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(gòu)成明渠流量計(jì)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(yè)或領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(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)該與被測液面保持平行，這樣聲波就可以垂直發(fā)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(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，從而影響測量精度。必要時(shí)可加裝導(dǎo)波管，其長度至最低液位即可，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)致無法正確檢測時(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(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（雨）罩；

（9）信號線應(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船閘船閘管理所的使用情況來看，超聲波水位計(jì)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(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)測得的水位數(shù)據(jù)，通過蘇北運(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，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量，其發(fā)展空間必將十分廣闊。

作者：余向陽，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