1、超聲波液位計的選型及其在原型水位自動檢測系統中的實際應用ll水利自動化li超聲波液位計的選型及其在原型水位自動檢測系統中的實際應用武鋒趙明z蚌埠233000)【摘要】傳統的原型水位自動檢測系統大都采用投入壓力式液位計或浮子式液位計來進行水位檢測,由于有些原型河道泥砂雜物較多,測管或測井極易產生堵塞,從而產生較大的誤差和數據漂移等問題,造成原型水位自動檢測系統可靠性較差,維護工作量案以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原型水位的自動檢測.【關鍵詞】超聲波液位計;原型水位;選型;自動檢測系統;應用1概述在以往的原型水位自動檢測系統中,大都是采用傳統的投入壓力式液位計或浮子式

2、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,特別是傳統的投入壓力式液位計,本身就可能存在數據漂移較大的問題,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的發展趨勢之一,從目前國內外的實際發展應用情況來看,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

3、,近年來隨著超聲波傳感器價格的不斷下降,國內外采用超聲波液超聲波水位檢測技術,提出了利用超聲波液位計對傳統的原型水位自動檢測系統進行更新改波液位計為核心,采用非接觸測量方式來實現原型水位的自動檢測.2系統的設計與實現采用超聲波液位計來實現非接觸式的原型水位自動檢測系統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,應根據所選用的超聲波液位計的性能參數合理地配置后續的儀表設備和自動采集系統,使之組成一個完整的非接觸式原型水位自動檢測系統.超聲波液位計是利用超

4、聲波的回波時間來檢測水位的,根據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出的一束超聲波經空氣向水面傳播,當該束超聲波遇到水面時會產生回波,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.(1)(2)氣介式測量原理示意圖掖-Jr式測量原理示意圖圖1超聲波液位計的測量原理示意圖8鯪水利自動化il宴10?

5、0圖2系統組成框圖8:00水位對比過程線-f十人工囊位I/,I-sScRlI._一一一J*圖3上午8點水位對比過程線14:00位對比過程線f=/,-.u-SttlIr.I圖4下午2點水位對比過程線H=CT/2(1)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);卜一發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.W=W一H(2)式中:W水位值(m);w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0.6rigs,且

6、為非線性變化IlI,所以為提高檢測精度,應選用帶有氣溫補償的超聲波液位變送器,如以氣溫T為參量,其氣溫補償如計算式(3)所示.C=331.4x,/(3)式中:C_一氣溫T下超聲波在空氣中的傳播速度(m,s);T-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出的一束超聲波經水體向水面傳播,當該束超聲波遇到水和空氣的交接面時會產生回波,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.H=CxT/2(4)式中:H變送器到水面線的距離(In);

7、c超聲波在空氣中的傳播速度(m/s);卜發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.W=W+H(5)式中:w一水位值(m);w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的超聲波液位變送器,如以水溫T為參量,其溫度補償如計算式(6)所示.C=1410+4.21T一0.037T(6)式中:c超聲波在空氣中的傳播速度(m/s);卜水溫().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

8、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,具有結構簡單,安裝調試方便,易于維護等優點,應此本設計方案選用了氣介式超聲波液位變送器.為便于安裝維護,本方案將選用一體化氣介式超聲波確定最大水位變幅,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8表1一體化超聲波水位計檢測值和人工觀測值的數據對比表工水位相對人工水位相對序號日期時間

9、明測值計值誤差時間觀測值計值誤差I,m)(m)(m)(m)(m)(m)樣選配后,經現場標定和校準,其水位檢測的平均誤差應可程時還應該考慮好盲區問題,氣介式超聲波液位計的盲區大區有特殊需要,可選用小盲區的氣介式超聲波液位計.為便于系統的現場安裝調試,本方案中的數據通訊擬采用無線數傳模塊來實現無線數據傳輸;供電電源分現場數據采集端和后方數據接收處理端兩部分,現場數據采集端采用由12V免維護電瓶和太陽能電池板組成的現場直流供電系統來進行供電,后方數據接收處理端采用220V交流電源經配套的長延時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的不

10、斷進步與發展,各種超聲波檢測中的自動補償技術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據對比.由表1可見,在8月14日至8月24日這段時間內,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,最大絕對誤差為O.03m,完全能滿足現場藪水利自動化li水位觀測的需要.根據表1中的數據,可分別繪制出在8月14日至8月24日這段時間內,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,運行穩定,適用范圍廣等特點,可在較為惡劣的是在超標準洪水條件下,更能顯示出其優越性.4結束語氣介式超聲波液位變送器實現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不斷進步與發展,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問題.當液位進入盲區后,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,必須留出盲區的余量,這樣才能保證對時,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