超声波液位计的选型及其在原型水位自动检测系统中的实际应用

武 锋赵 明

（1. 安徽省水利部淮河委员会 水利科学研究院 蚌埠 233000 2.蚌埠东辉自动化科技有限公司蚌埠 233000）

1 概述

在以往的原型水位自动检测系统中，大都是采用传统的投入压力式液位计或浮子式液位计来进行水位检测的，它们都属于接触式测量方法，由于有些原型河道或湖泊中淤泥、砂石、杂草等杂物较多，因此常会造成保护管或测井的通水孔堵塞，导致水位检测误差增大，检测的精度和稳定性变差。长时间堵塞极易造成传感器或变送器损坏，特别是传统的投入压力式液位计，本身就可能存在数据漂移较大的问题，且这种接触式水位测量中的液位计在高水位时维修不便，即使汛后维修，其费用成本也较高，给正常的使用和维护带来了很大的不便，从而造成有些原型水位自动检测系统可靠性差，维护工作量大。

非接触式测量方法是未来量测技术的发展趋势之一，从目前国内外的实际发展应用情况来看，超声波检测方法是目前比较成熟和实用的非接触式测量方式之一，近年来随着超声波传感器价格的不断下降，国内外采用超声波液位计来进行液位检测的应用也越来越多。本文结合新型的超声波水位检测技术，提出了利用超声波液位计对传统的原型水位自动检测系统进行更新改造的方案。本方案以合理选择新型实用的超声波液位计为核心，采用非接触测量方式来实现原型水位的自动检测。

2 系统的设计与实现

采用超声波液位计来实现非接触式的原型水位自动检测系统首先是要合理选择超声波液位计，选择超声波液位计时应根据原型水位的最大变幅和实际工况等对超声波液位计的形式、量程、精度、供电、信号输出、安装方式等进行合理实用的选择。

在选择好超声波液位计后，应根据所选用的超声波液位计的性能参数合理地配置后续的仪表设备和自动采集系统，使之组成一个完整的非接触式原型水位自动检测系统。

2.1超声波液位计的选择

超声波液位计是利用超声波的回波时间来检测水位的，根据其安装检测方式的不同，可分为气介式超声波液位变送器和液介式超声波液位变送器两种，其测量原理示意图分别如图 1中（1）、（2）所示。

气介式超声波液位变送器是通过检测超声波变送器到水面线间的距离来检测水位的，其基本原理是由变送器发出的一束超声波经空气向水面传播，当该束超声波遇到水面时会产生回波，变送器检测到回波后，如果预先知道超声波在空气中的传播速度C，再计算出由变送器发出超声波到检测到回波的时间T，由此就可算出变送器到水面线的距离H，如计算式（1）所示。

式中：H——变送器到水面线的距离（m）；

C——超声波在空气中的传播速度（m/s）；

T——发出超声波到检测到回波的时间（s）。

由（1）式得出变送器到水面线的距离H后，再用变送器的安装高程值减去H后即可得到水位值，如计算式（2）所示。

式中：W——水位值（m）；

W1——变送器的安装高程值（m）。

由于超声波在空气中的传播速度C会受到气温变化的影响，气温每变化1℃，声波的速率约变化0.6m/s，且为非线性变化[1]，所以为提高检测精度，应选用带有气温补偿的超声波液位变送器，如以气温T为参量，其气温补偿如计算式（3）所示。

式中：C——气温T下超声波在空气中的传播速度（m/s）；

T——气温（℃）。

液介式超声波液位变送器是通过检测水深的变化来检测水位的，其基本原理是由变送器发出的一束超声波经水体向水面传播，当该束超声波遇到水和空气的交接面时会产生回波，变送器检测到回波后，如果预先知道超声波在该水体中的传播速度C，再计算出由变送器发出超声波到检测到回波的时间T，由此就可算出变送器到水面线的距离H，如计算式（4）所示。

式中：H——变送器到水面线的距离（m）；

C——超声波在空气中的传播速度（m/s）；

T——发出超声波到检测到回波的时间（s）。

由（4）式得出变送器到水面线的距离H后，再用变送器的安装高程值加上H后即可得到水位值，如计算式（5）所示。

式中：W——水位值（m）；

W1——变送器的安装高程值（m）。

气介式超声波液位变送器一样，由于超声波在水体中的传播速度C会受到水温变化的影响，为提高检测精度，应选用带有温度补偿的超声波液位变送器，如以水温T为参量，其温度补偿如计算式（6）所示。

式中：C——超声波在空气中的传播速度（m/s）；

T——水温（℃）。

由于气介式超声波液位变送器和液介式超声波液位变送器的安装方法和检测水位的方式都有所不同，因此对其特性和要求也有所不同，如液介式超声波液位变送器必须具备很好的防水性能，而气介式超声波液位变送器必须考虑防雷措施。

由于气介式超声波液位变送器可直接安装在液面上部，是一种典型的非接触测量方式，具有结构简单、安装调试方便、易于维护等优点，应此本设计方案选用了气介式超声波液位变送器。

2.2系统的组成

为便于安装维护，本方案将选用一体化气介式超声波液位计来组建原型水位自动检测系统。组建系统时首先要确定最大水位变幅，如水位最大变幅约为10m左右，可选择采用量程为10m、精度在0.25%左右的高精度（带温度补偿功能）的一体化气介式超声波液位计和专用显示仪表，这样选配后，经现场标定和校准，其水位检测的平均误差应可以控制在2cm以内。在选择一体化气介式超声波液位计的量程时还应该考虑好盲区问题，气介式超声波液位计的盲区大小和量程、结构、工艺等有关，通常在30～50cm之间。如对盲区有特殊需要，可选用小盲区的气介式超声波液位计。

表1 一体化超声波水位计检测值和人工观测值的数据对比表

为便于系统的现场安装调试，本方案中的数据通讯拟采用无线数传模块来实现无线数据传输；供电电源分现场数据采集端和后方数据接收处理端两部分，现场数据采集端采用由12V免维护电瓶和太阳能电池板组成的现场直流供电系统来进行供电，后方数据接收处理端采用220V交流电源经配套的长延时UPS电源来进行供电。

本次设计实施方案的系统组成框图如图2所示。

3 超声波液位计的应用效果

目前随着电子技术的不断进步与发展，各种超声波检测中的自动补偿技术也得到了不断的提高，许多带有自动补偿功能的气介式超声波液位计已在部分水利单位得到了成功的应用，表1所示是某个一体化超声波液位计的检测值和人工观测值的数据对比。

由表1可见，在8月14日至8月24日这段时间内，一体化超声波水位计的检测值和人工观测值的相对误差大都在±0.01m以内，最大绝对误差为0.03m，完全能满足现场水位观测的需要。

根据表1中的数据，可分别绘制出在8月14日至8月24日这段时间内，上午8点和下午2点的水位对比过程线图，分别如图3和图4所示。

从该实际应用效果来看，与同类产品相比，带有自动补偿功能的超声波水位计具有性能可靠、运行稳定、适用范围广等特点，可在较为恶劣的气候条件下实现全天候工作[2]。特别是在超标准洪水条件下，更能显示出其优越性。

4 结束语

气介式超声波液位变送器实现了非接触的水位测量，是一种较为新型的水位检测方式，对测量的水质没有要求，目前很多泥沙含量较高的水位观测大多使用了该测量方式。相信随着超声波和电子技术的不断进步与发展，气介式超声波液位变送器必将会得到更加广泛的应用和发展,气介式超声波液位计在实际安装使用时，必须考虑超声波液位变送器的盲区问题。当液位进入盲区后，超声波液位计就无法正确测量液位了，所以在确定超声波液位计的量程时，必须留出盲区的余量，这样才能保证对液位的准确监测及保证超声波液位变送器的可靠运行。同时，气介式超声波液位计在安装使用时还必须考虑到防雷问题，在其电源和信号端应加装合适的避雷装置，以免雷击损坏■

[1]伦翠芬,侯桂凤等.智能超声波物位仪的研究[J].仪器仪表学报，2005，8（增刊）:443-444.

[2]孙繁亭,谢葆.HW-1000C非接触超声波水位计的应用[J].巴州科技,2009,3:20-21.