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【摘要】随着船闸电气控制自动化水平的发展，水位信号检测在船闸运行工程中发挥越来越重要的作用，与传统压阻式水位计相比，超声波水位计具有易安装，抗干扰能力强，工作稳定，维修方便等优点。
【关键词】压阻 激光测距 超声波 水位计
随着船闸电气控制自动化水平的大幅提升，运行现场各类检测信号在船闸自动控制中发挥重要作用，水位检测信号也不例外。目前船闸水位检测元件主要有：压阻式水位计、激光测距水位计等，其中压阻式水位计使用占90%以上，压阻式水位计直接放在水里，激光测距水位计需要在水面放置浮标，它们主要存在抗干扰能力差、易跑偏、维护成本高、使用寿命短等问题，因此它们输出信号仅作为船闸运行画面的水位显示，而且经常与实际水位不相符，很难参与船闸运行自动控制。2013年苏北运河淮安二号船闸首次使用了超声波水位计作为船闸新型水位计，与压阻式水位计和激光测距水位计相比，具有易安装、抗干扰能力强、工作稳定可靠、维修方便等优点。
1、超声波水位计工作原理及特点
一般把振动频率超过20kHz的声波称为超声波，属于机械波的一种，其特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性强，能够成为射线而定向传播。超声波在液体中的衰减很小，因而穿透能力强，超声波液位计测量液位正是利用了它的这一特征。超声波液位计工作时，超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波，遇到被测水面的表面被反射回来，折回的反射回波被换能器接收，转换成电信号。声波的传播时间与换能器到被测介质表面的距离成正比。声波传输距离L与声速C和传输时间T的关系可用公式（1）表示：
L=C×T/2 （1）
超声波水位计在发射超声波脉冲时，不能同时检测反射回波。由于发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，且发射完超声波后换能器存在余振，期间不能检测反射回波，造成探头表面下的一小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能正常检测，这一段区域称为测量盲区。盲区的大小与超声波水位计的量程有关。
超声波水位计作为一种非接触式物位测量仪表，具有测量精度高、安装简便、基本免维护等特点，常用于测量各种容器内液体的液位，以及水渠、 水池、水库、江河湖海等水位的测量，也可以测量界位、液位差，尤其适用于污水、有腐蚀性的场合，和槽、堰配合构成明渠流量计还可以测量流量，因此 在钢铁、石化、水处理及水利等诸多行业或领域得到越来越广泛的应用。
2、超声波水位计在船闸中的实际应用
2.1安装要求
（1）探头发射面到最低液位之间的距离应小于液位计的量程；
（2）探头发射面到最高液位之间的距离应大于液位计的盲区（安装高度>最高液位+盲区），如图 1。
图1 超声波水位计安装示意图
（3）探头发射面应该与被测液面保持平行，这样声波就可以垂直发射到被测液面，以保证最大的能量返回。
2.2 安装过程注意事项
（1）一般采用法兰或螺纹安装方式，不建议吊装，因为吊装易受风的影响而产生晃动；
（2）探头的正下方应尽量避开进、出料口等液 面有剧烈波动的位置，如图2所示；
图2
由于声束角的存在，探头安装时应与器壁或池壁保持一定的间距，如图3所示；
图3
超声波波束所辐射的范围内，不能有障碍物，安装时应尽量避开池内或容器内设施，如扶梯、管路、搅拌器等；
（3）安装地点应尽可能远离易产生强电磁干扰的设备；
（4）应尽量避免安装在液面容易堆积泡沫、漂浮物或剧烈波动的地方，因为会影响回波质量，产生虚假回波，从而影响测量精度。必要时可加装导波管，其长度至最低液位即可，應保证管内、外液体能自由、同步升降，内壁要光滑；
（5）当容器上有接管且接管无法缩短使得探头发射面不能伸出容器内壁时或者探头发射面到最高液位的距离小于盲区，导致无法正确检测时，需加装延伸管，延伸管应与液面垂直，内壁要光滑；
（6）尽量不要使用在有水蒸汽的场合，如果有蒸汽，易形成水珠附着在探头的表面，对正常测量造成影响；
（7）安装位置应避免强震动，如安装在轻震动区域，可安装橡胶垫圈减振；
（8）露天安装时应加装遮阳（雨）罩；
（9）信号线应采用屏蔽电缆，且单点接地；
2.3数据传输
采用4～20mA或RS485（Modbus协议或其他定制协议连接到显示表或各种DCS系统中，为工业的自动化运行提供实时的液位数据。
2.3实际效果
从苏北运河水位差较大的淮安船闸管理所和解台船闸船闸管理所的使用情况来看，超声波水位计有效解决了船闸水位测量的难题，提高了船闸水位测量的准确度和稳定度，提高了船闸自动化管理水平，同时，不用像老式压阻式水位计那样需要经常维护和校准，降低了船闸养护人员的劳动强度和安全风险。
2.4用途拓展
超声波水位计测得的水位数据，通过苏北运河专用网络，可以及时将实时水位信息传输到苏北处总调度室，为调度船舶提供依据，提高船舶调度的安全性，而且还能借助短信平台将实时水情告知待闸船舶，提升服务质量；同时将水位数据保存到苏北处大系统数据库，提供苏北运河水位演变的基础数据。
3总结
超声波水位计具有精度高、性能稳定、易于维护、使用方便等优点，不仅适宜在苏北运河船闸使用，也适用于强腐蚀性等污水的液位测量，其发展空间必将十分广阔。
作者：余向阳，男，19781123，汉族，安徽，京杭运河江苏省交通运输厅苏北航务管理处，研究生，工程师
【关键词】压阻 激光测距 超声波 水位计
随着船闸电气控制自动化水平的大幅提升，运行现场各类检测信号在船闸自动控制中发挥重要作用，水位检测信号也不例外。目前船闸水位检测元件主要有：压阻式水位计、激光测距水位计等，其中压阻式水位计使用占90%以上，压阻式水位计直接放在水里，激光测距水位计需要在水面放置浮标，它们主要存在抗干扰能力差、易跑偏、维护成本高、使用寿命短等问题，因此它们输出信号仅作为船闸运行画面的水位显示，而且经常与实际水位不相符，很难参与船闸运行自动控制。2013年苏北运河淮安二号船闸首次使用了超声波水位计作为船闸新型水位计，与压阻式水位计和激光测距水位计相比，具有易安装、抗干扰能力强、工作稳定可靠、维修方便等优点。
1、超声波水位计工作原理及特点
一般把振动频率超过20kHz的声波称为超声波，属于机械波的一种，其特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性强，能够成为射线而定向传播。超声波在液体中的衰减很小，因而穿透能力强，超声波液位计测量液位正是利用了它的这一特征。超声波液位计工作时，超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波，遇到被测水面的表面被反射回来，折回的反射回波被换能器接收，转换成电信号。声波的传播时间与换能器到被测介质表面的距离成正比。声波传输距离L与声速C和传输时间T的关系可用公式（1）表示：
L=C×T/2 （1）
超声波水位计在发射超声波脉冲时，不能同时检测反射回波。由于发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，且发射完超声波后换能器存在余振，期间不能检测反射回波，造成探头表面下的一小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能正常检测，这一段区域称为测量盲区。盲区的大小与超声波水位计的量程有关。
超声波水位计作为一种非接触式物位测量仪表，具有测量精度高、安装简便、基本免维护等特点，常用于测量各种容器内液体的液位，以及水渠、 水池、水库、江河湖海等水位的测量，也可以测量界位、液位差，尤其适用于污水、有腐蚀性的场合，和槽、堰配合构成明渠流量计还可以测量流量，因此 在钢铁、石化、水处理及水利等诸多行业或领域得到越来越广泛的应用。
2、超声波水位计在船闸中的实际应用
2.1安装要求
（1）探头发射面到最低液位之间的距离应小于液位计的量程；
（2）探头发射面到最高液位之间的距离应大于液位计的盲区（安装高度>最高液位+盲区），如图 1。
图1 超声波水位计安装示意图
（3）探头发射面应该与被测液面保持平行，这样声波就可以垂直发射到被测液面，以保证最大的能量返回。
2.2 安装过程注意事项
（1）一般采用法兰或螺纹安装方式，不建议吊装，因为吊装易受风的影响而产生晃动；
（2）探头的正下方应尽量避开进、出料口等液 面有剧烈波动的位置，如图2所示；
图2
由于声束角的存在，探头安装时应与器壁或池壁保持一定的间距，如图3所示；
图3
超声波波束所辐射的范围内，不能有障碍物，安装时应尽量避开池内或容器内设施，如扶梯、管路、搅拌器等；
（3）安装地点应尽可能远离易产生强电磁干扰的设备；
（4）应尽量避免安装在液面容易堆积泡沫、漂浮物或剧烈波动的地方，因为会影响回波质量，产生虚假回波，从而影响测量精度。必要时可加装导波管，其长度至最低液位即可，應保证管内、外液体能自由、同步升降，内壁要光滑；
（5）当容器上有接管且接管无法缩短使得探头发射面不能伸出容器内壁时或者探头发射面到最高液位的距离小于盲区，导致无法正确检测时，需加装延伸管，延伸管应与液面垂直，内壁要光滑；
（6）尽量不要使用在有水蒸汽的场合，如果有蒸汽，易形成水珠附着在探头的表面，对正常测量造成影响；
（7）安装位置应避免强震动，如安装在轻震动区域，可安装橡胶垫圈减振；
（8）露天安装时应加装遮阳（雨）罩；
（9）信号线应采用屏蔽电缆，且单点接地；
2.3数据传输
采用4～20mA或RS485（Modbus协议或其他定制协议连接到显示表或各种DCS系统中，为工业的自动化运行提供实时的液位数据。
2.3实际效果
从苏北运河水位差较大的淮安船闸管理所和解台船闸船闸管理所的使用情况来看，超声波水位计有效解决了船闸水位测量的难题，提高了船闸水位测量的准确度和稳定度，提高了船闸自动化管理水平，同时，不用像老式压阻式水位计那样需要经常维护和校准，降低了船闸养护人员的劳动强度和安全风险。
2.4用途拓展
超声波水位计测得的水位数据，通过苏北运河专用网络，可以及时将实时水位信息传输到苏北处总调度室，为调度船舶提供依据，提高船舶调度的安全性，而且还能借助短信平台将实时水情告知待闸船舶，提升服务质量；同时将水位数据保存到苏北处大系统数据库，提供苏北运河水位演变的基础数据。
3总结
超声波水位计具有精度高、性能稳定、易于维护、使用方便等优点，不仅适宜在苏北运河船闸使用，也适用于强腐蚀性等污水的液位测量，其发展空间必将十分广阔。
作者：余向阳，男，19781123，汉族，安徽，京杭运河江苏省交通运输厅苏北航务管理处，研究生，工程师