劉艷平，郭曈曈，安保慶，熊光亞

（國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211000）

UL-12超聲波液位計工程應用比測分析

劉艷平，郭曈曈，安保慶，熊光亞

（國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211000）

本文簡介UL-12超聲波液位計的工作原理、技術(shù)指標及安裝要點；對比分析三峽隧洞口使用的UL-12型超聲波液位計采集的水位數(shù)據(jù)與氣泡水位計數(shù)據(jù)；分析表明UL-12超聲波液位計在測量水位方面精度較高，能滿足規(guī)范要求。

UL-12；超聲波液位計；應用；比測；分析

0 引言

在生產(chǎn)和生活中的許多領(lǐng)域都需要液位測量，如江河水位、廢水液位、罐裝液體液位等。近幾年來，我國連續(xù)遭遇洪災、雪災、大地震等自然災害，國家承受了很大的經(jīng)濟損失，為了減少這些損失，對大自然環(huán)境的觀測與預警現(xiàn)在成為現(xiàn)代社會科學的一個重要的議題。在防洪防汛這一領(lǐng)域，水庫、河流的液位測量顯得尤其重要。就液位測量儀表的類型來看，超聲波液位計是比較理想的非接觸式測量儀表。

1 UL-12超聲波液位計[1]

UL-12是南京南瑞集團公司自產(chǎn)的一款氣介式超聲波液位計。它是一種非接觸測量的液位計，適用于江河、湖泊、水庫、河口、渠道、船閘及各種水工建筑物處水位測量，不受水體污染影響，不破壞水流結(jié)構(gòu)，不需建造測井，節(jié)省土建投資，采用法蘭或螺紋連接，安裝方便。相比普通氣介式超聲波液位計其測量精度更高。

1.1 工作原理

UL-12超聲波液位計安裝于被測液面上方，以空氣為介質(zhì)，在電子單元的控制下，探頭向被測面發(fā)射一束超聲波脈沖，聲波遇到液面后反射，部分高能量反射回波由探頭接收后轉(zhuǎn)換為電信號。從超聲波發(fā)射到重新被接收，其時間與探頭至被測面的距離成正比；由電子單元檢測記錄該時間并根據(jù)當前聲速（修正后）計算出被測距離，然后將液位高度轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號輸出；也可通過RS485串口通信方式傳輸至后臺控制中心。圖1為其原理框圖。

圖2為水位測量示意圖，其中探頭到被測水面的距離L計算公式為：

圖1 原理框圖

圖2 水位測量示意圖

式中：L——探頭到被測水面的距離，m；

c——聲速，m/s；

t——聲波的傳播時間，s。

由于超聲波行程是從探頭到水面再返回探頭，所以實際距離需除以2。

當探頭的安裝高度為H時（見圖2），水位Z可以用下列公式表達：

因此，只要能準確測量距離L，就可以得到準確的水位。聲波脈沖發(fā)射過程中換能器機械惰性占用了一定的傳輸時間，使靠近超聲波換能器的一小段區(qū)域內(nèi)聲波不能被接收，這個區(qū)域稱為盲區(qū)。盲區(qū)大小不會影響盲區(qū)外的測量，因此與測量精度無關(guān)。

1.2 技術(shù)指標

技術(shù)指標如下：

（1）測量范圍：12m ；

（2）精度：空氣中滿量程的±0.2%；

（3）分辨率：3mm；

（4）盲區(qū)：0.4m；

（5）溫漂：0.03%FS/10℃；

（6）響應時間：2s；

（7）平均功耗：0.8W。

1.3 主要特性

UL-12超聲波液位計采用數(shù)字化信號處理技術(shù)，精度高至0.2%；具有脈沖功率驅(qū)動電路，可發(fā)射等幅超聲波，轉(zhuǎn)換效率高；具有液位、距離互換功能；內(nèi)置自動溫度補償單元，在空氣中滿量程范圍內(nèi)無精度下降；聲束發(fā)射角小于8°，能量集中；外殼防護IP65等級，可在雨中使用；多種信號輸出（4～20MA、RS485、高低報警輸出）；設(shè)備小巧，便于安裝。

1.4 安裝與調(diào)試

UL-12超聲波液位計安裝尺寸圖以及安裝附件的尺寸圖見圖3。

安裝方式與安裝位置的地形有關(guān)，不同地形采用不同的安裝方法。UL-12超聲波液位計的最大優(yōu)點是安裝簡單，不需要建造水井。在岸上立一根立桿，水平方向支一根1～6m長的橫臂，橫臂為鍍鋅鋼板，寬度大于100mm，開一個80～86mm直徑的圓孔，斜拉管焊點位于橫臂的三分之二處，橫臂前端由法蘭固定超聲波水位計，見圖4。如果現(xiàn)場有符合條件伸出水面的懸臂，在懸臂前端上開一個80～86mm直徑的圓孔，由法蘭固定超聲波水位計（注：為保證測量精度，建議加裝通風百葉箱，遮陽通風）。

圖3 安裝尺寸圖以及安裝附件的尺寸圖

圖4 超聲波水位計水位安裝方法

圖5 三峽隧洞口圖

2 工程應用

UL-12超聲波液位計在許多工程中有應用，工程應用前曾在三峽某一隧洞口進行比測試驗。此隧洞口河道縱坡小水流平緩，該地河床由細沙、礫石為主，水流集中，當受風浪影響河流水面上才出現(xiàn)波浪現(xiàn)象，見圖5。

此隧洞口已建好水位測站，所用水位測量儀器儀器為Sutron氣泡水位計。其技術(shù)參數(shù)如下[2]：

（1）測量范圍：35m;

（2）精度：±0.05%FS；

（3）分辨率：0.1mm；

（4）信號輸出：SDI-12。

UL-12超聲波液位計安裝在氣泡水位計測站旁邊，見圖6，UL-12放在百葉箱中。超聲波液位計和氣泡水位計傳輸?shù)浇y(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，測量間隔為每10分鐘一次。

3 比測資料分析

隧洞口水面清澈，水位起伏穩(wěn)定，便于比測。水位變化主要由降雨造成，水位突變主要由暴雨形成，暴雨持續(xù)時間一般為24h左右。

設(shè)置于隧洞口的UL-12型超聲波液位計自2014年5月與氣泡水位計的水位數(shù)據(jù)資料進行比對。采集比測數(shù)據(jù)到現(xiàn)在超30000個。表1、表2、表3分別為2014年5月8日、6月28日和8月8日一段時間逐時水位實測對比數(shù)據(jù)。

圖6 UL-12安裝圖

表1 2014年5月8日數(shù)據(jù) m

表2 2014年6月28日數(shù)據(jù) m

續(xù)表

表3 2014年8月8日數(shù)據(jù) m

通過表1～表3數(shù)據(jù)對比分析，可以看出不同時刻由UL-12超聲波液位計測得的水位與氣泡水位計的水位基本吻合，僅個別時段比測數(shù)據(jù)出現(xiàn)微小偏差，分析誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：①比測期間水面風力較大導致波浪起伏頻繁，給超聲波液位計的測量造成一定影響；②水面漂浮物影響了超聲波液位計的測量精度；③氣泡水位計也有一定的測量誤差。

4 結(jié)束語

UL-12超聲波液位計具有無需建井、便于安裝、自動溫度補償、觀測精度高、性能穩(wěn)定及無人值守等特點；通過三峽隧洞口和氣泡水位計比測分析，UL-12超聲波液位計采集的水位數(shù)據(jù)資料完全符合《水位觀測標準》（GB/T 50138）規(guī)定的精度要求。特別是在容易淤積的河道、海岸和不易建設(shè)水位測井的地方，更能顯示出它的優(yōu)勢。

[1] 劉艷平，等． 高精度氣介式超聲波液位計研制．水電自動化與大壩監(jiān)測，2013，37（4），27-29．

[2] Accubar Bubbler （Bubble Gauge） 5600-0131 [EB/ OL]．http：//www．sutron．com/product/accubar-bubbler-bubblegauge-5600-0131．htm/

劉艷平（1984—），男，電力工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化、大壩安全監(jiān)測、水情水調(diào)環(huán)境監(jiān)測等。E-mail：liuyanping@sgepri．sgcc．com．cn

郭曈曈（1983—），女，電力工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化。E-mail：guotongtong@sgepri．sgcc．com．cn

安保慶（1984—），男，電力工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化、大壩安全監(jiān)測、水情水調(diào)環(huán)境監(jiān)測等。E-mail：anbaoqing@sgepri．sgcc．om．cn

Engineering application and contrast analysis of UL-12 type ultrasonic level gauge

LIU Yanping，GUO Tongtong，AN Baoqing，XIONG Guangya（NANJING NARI GROUP CORPORATION，Nanjing 211000，China）

A brief introduction was made on the working principle， index and installation essentials of UL-12 type ultrasonic level gauge. UL-12 type ultrasonic level gauge was used at tunnel opening of the three gorges. As compared with bubble water level， the data out of ultrasonic level gauge has higher accuracy up to requirements of standard.

UL-12; ultrasonic level gauge; application; contrast measurement; analysis