超聲波液位計在南水北調中線工程中的應用

王慶磊

（南水北調中線干線工程建設管理局河北分局，河北 石家莊 050000）

0 引言

南水北調中線工程，于丹江口水庫陶岔引水，總干渠自陶岔分水閘引水，伏牛山南麓山前崗垅與平原相間的地帶，向東北行進，經南陽過白河后入淮河流域，在河南滎陽市采用隧道穿過黃河，沿京廣線西側北上，自流至北京團城湖的輸水工程。為實現供水目標，目前中線工程采用閘前常水位控制方式，實時監測水位，掌握水位的變化情況，對工程運行十分重要，因此水位測量是南水北調中線工程調度運行中的一個重要物理參數。近些年來隨著計算機技術、通信技術、測量技術的不斷深入發展，超聲波液位計得到了廣泛的應用，南水北調中線工程普遍使用壓力式液位計和時差式超聲波液位計，本文就應用情況進行了詳細說明。

1 中線工程運行特點及設備選型

1.1 中線工程運行特點

南水北調中線干線工程，自丹江口水庫的陶岔渠首，沿唐白河平原北緣、華北平原西部邊緣，跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，全線采用明渠和暗涵相結合的方式輸水，沿途與交叉道路、河流全部立交，充分利用地勢條件，實現自流方式輸水。中線工程自2014 年12 月建成并投入運行，經過近六年的通水運行，中線工程已累計向河南、河北、天津、北京平穩輸水共計超過300 億m3，緩解了京、津、華北地區水資源危機，持續改善供水區生態環境。

為實現對總干渠流量的調整，在總干渠內控制性建筑物進出口布置若干數量的節制閘，總干渠被這些節制閘分隔成一個個短的渠段，每個渠段類似于一個小型水庫，遠距離的輸水渠道由這些小型水庫聯接而成，通過控制這些短的渠段水位來控制整個總干渠流量。另外，在總干渠沿線布置一定數量的分水口閘門，用于向沿線省市地區供水，在北京惠南莊設置一座大型泵站，用于在自流不能滿足供水流量的情況下，向北京地區加壓供水。中線工程采用節制閘、分水閘、退水閘、控制閘進行輸水控制，全線與輸水調度相關的控制性建筑物共計276 座，其中節制閘64 座、分水閘97 座、退水閘54 座、控制閘61 座。

中線工程采用閘前常水位控制方式，即水位不動點位于渠段下游段，當渠段內流量變化時，通過調整閘門開度來保持渠段下游段水位在穩定狀態下基本不變，也稱渠段下游常水位控制方式，以流量作為控制量輸出。中線工程建成通水以來運行穩定，經受住了設計流量350 m3/s。

1.2 設備選型

南水北調中線水源取自丹江口水庫，水庫水質總體良好，常年符合Ⅱ類水質標準。超聲波液位計是利用超聲波脈沖原理進行非接觸式的測量，大部分超聲波液位計采用收發一體的超聲波換能器，聲波的發射和接收都共用一個換能器，首先由發射端向被測液面方向發射超聲波信號，遇到被測液體表面被反射回來，部分反射回波被共用換能器接收，然后轉換成電信號。計時單元測量超聲波從發射到收到波被經過的時間，然后根據聲波在空氣中的傳播速度，就可以計算出換能器到液面的距離，然后再根據安裝參數計算得出待測液面的深度，工作原理如圖1 所示。依據全線閘門的重要程度和水工建筑物結構類型，選用德國西門子量程分別為0～6 m、0～12 m 和0～15 m 的一體式超聲波液位計。

圖1 超聲波液位計工作原理圖

1.3 設備組成及技術指標

超聲波液位計由超聲波換能器、驅動電路、LCD液晶顯示模塊3 部分組成。采用二線制環路供電，螺紋采用M20 螺紋，顯示液位計表頭和電纜接口可以任意旋轉，便于線和換能器調節以達到最佳觀測位置，同時，西門子一體化超聲波液位計使用標準西門子紅外手操器，在有一定危險的區域不需要開蓋即可進行操作。標準DC24 V 供電，輸出信號為4～20 mA 模擬量，工作頻率為54 kHz，環境溫度范圍可達-40 ℃～+80 ℃。超聲波液位計中內置了一個溫度傳感元件，用來補償工程現場的環境溫度變化，防護等級可達IP68，測量精度可做到量程的±0.15%。電纜采用雙層屏蔽電纜，超聲波液位計主要技術指標如表1 所示。

2 液位計的安裝和使用注意事項

2.1 液位計的安裝

超聲波液位計的安裝主要包括換能器的安裝、支架安裝、信號電纜連接。

表1 超聲波液位計主要技術指標

（1）安裝原則

安裝時液位計換能器底端發射部分到待測最低水位之間的距離應小于超聲波液位計的最大量程。換能器底端發射部分到最高水位之間的距離必須大于液位計盲區。換能器發射面應該與被測液面保持平行，這樣聲波就可以垂直發射到被測液面，以保證最大的能量返回，減少虛假回波產生，保障測量數據的精度。

（2）換能器安裝

換能器的安裝中最主要的是定位，考慮到安裝位置應與被測界面垂直，避開橫檔或其他障礙物。同時安裝在方便的可視顯示屏和通過手持操作器編程，因此安裝至渡槽槽身頂端和拉梁中間位置。采用剛性較好的材質制作支架，將換能器安裝在制作好的支架的法蘭盤上，支架另一端固定槽身上，其次，安裝好換能器后，要準確測出換能器的實際安裝參數，一般采用自身激光測距功能定位與閘后渠底距離、液位計的安裝高程等參數。圖2 為超聲波液位計安裝情況。

（3）信號線纜連接

采用雙層雙絞屏蔽線電纜連接換能器和PLC，從電纜一端剝開外層約65 mm 左右，將電纜通過密封接頭穿入換能器內。將電纜連接到接線端子上，擰緊密封接頭，形成良好的密封效果。蓋上外蓋并旋緊螺絲，但也不應擰得太緊，通常推薦力矩在1.1～1.7 N·m 之間。電纜另一端連接至PLC。

圖2 超聲波液位計安裝情況

2.2 使用和安裝注意事項

（1）應有防高溫、防低溫、防風等保護措施。

（2）對儀器要定期進行校驗，一般周期為一年。

（3）要做到定期維護和定期清潔，每6 個月對導壓管進行排污。

（4）運行過程當中，儀表應達到規定性能指標。

（5）安裝位置應盡可能避開產生強電磁干擾的設備。

（6）因為換能器有一定的錐形發射角度存在，滿量程狀態下換能器安裝時應與渡槽槽壁保持一定的距離。

（7）在超聲波波束輻射的范圍以內，不得有任何障礙物，安裝時應盡量遠離槽內設施。

（8）應避免將超聲波液位計安裝在水位波動較大的位置，否則就會影響回波質量，產生虛假回波，從而影響測量數據的準確度。

3 液位計的調試

（1）按照說明書的要求，使用PC 運行西門子專用軟件實現遠程編程，或使用手持編程器與LCD 顯示屏配合進入編程模式在相應菜單項目中輸入現場實測的安裝數據。

（2）檢查液位計輸出的工作情況，如工作電壓、LCD 顯示屏顯示狀態、模擬量輸出情況等。若一切正常，液位計即可進入正常的工作狀態。

（3）通過PLC 與閘站監控系統終端進行通信測試，在客戶端設置好相應的通信協議，檢查水位數據是否準確性。

以上硬件安裝和軟件調試都已經完畢，超聲波液位計已經可以實現現場某一斷面水位測量，根據設計要求，目前在渡槽節制閘閘后3 孔槽身各安裝1 套液位計，現場每0.5 h 觀測水尺度數與閘站監控系統中水位數據做對比，由圖3 閘站監控系統水位測量數據情況可以看出閘后水深3 孔測量數據一致性較好，經過近一段時間的水位數據觀測比對發現，超聲波液位計工作正常，水位測量準確，測量精度滿足現場要求。

圖3 閘站監控系統水位測量數據情況

4 結束語

超聲波液位計與傳統的液位測量儀器相比，具有非接觸式、高可靠性、高性價比、易于安裝、方便維護等優點的液位測量儀器。它能在無需接觸介質的情況下就能滿足物位測量要求，集水位測量、顯示、傳輸等功能于一體，且不受介質的粘度、密度等影響，可廣泛適用于水利工程、城市集水池、河流湖泊等各種場景，實現各種液體高度的測量。南水北調中線工程中的超聲波液位計是閘站監控系統的一個小的部件，通過上位機與PLC 連接，實現了水位數據的實時監視和記錄，為南水北調中線工程的水量調度與計量發揮了重要作用。隨著我國經濟水平的提高，超聲波液位計作為一種日益成熟的設備，將在各行各業中得到越來越廣泛的應用。