摘要：现代水闸、泵站等工程管理中，自动化设备已经广泛运用。其中水位数据监测是自动化监控系统的重要组成部分，水位数值是调度指令的下达、执行，工程安全运行的重要技术参数。学习掌握浮子式水位计、超声波水位计的原理与应用有利于水闸、泵站工程基层管理人员及时有效的排查与维护，为水闸、泵站工程的安全运行提供保障。
关键词：浮子式、超声波式水位计；水闸工程；应用
1前提
随着全面推行水利工程标准化、精细化管理的进程，水闸、泵站工程进入“建管并重”的新型模式。水位数据的自动化采集正是水闸、泵站工程安全运行管理的基础。
水闸、泵站工程多用于防汛、防洪、抗旱、排涝，工程的合理运用、运行责任重大。而水位数据作为水闸、泵站闸门的启闭调度、电机运行的台数流量的重要依据具有至关重要的作用。因此准确及时的测量水位，对于水闸、泵站工程来说非常重要。过去水位测量基本靠人、靠天，白天测量水位是观测加水尺，晚上是人工吊绳加电筒，水位读数受环境的影响、受人为因素的影响较大，效率较低。随着社会的发展、科技、技术的进步，水位测量方法有了质的变化，现阶段主要是使用水位计，水位计的种类有：电容式水位计、浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、雷达水位计，激光水位计、磁性液位计等。
2浮子式水位计
目前工程中最常用的水位计有浮子式水位计与超声波水位计，其中浮子式水位计 利用浮子跟踪水位升降，以机械方式直接传动记录，适合岸坡稳定、河床冲淤不大的低含沙河段。浮子式水位计适用于长期测量水闸、泵站、水库、河流、湖泊、坝体等的水位，是监测水位变化的有效监测设备。优点是其测量精度高、量程大、稳定性好、没有温漂和时漂的影响。如无自动存储、报送功能不需外接电源、信号线。水位计可配合采用磁光编码原理进行测量，信号可接入MCU-32型分布式模块化自动测量单元或直接接入计算机，实现水位变化的自动监测。缺点是因为是机械式，浮子需要上下动作，相对容易损坏，另外如果有杂物，容易把浮子卡住，浮子测绳容易打滑绞缠。且浮子式水位计必须配合水位测井或测管使用，测井的垂直度、牢固度、直径的大小直接影响水位计的工作，设备临水安装，施工难度大，安装投入费用较大，辅材较多，设备配件较为复杂。
3浮子式水位计工作原理
水位计以浮子感测水位变化，工作状态下，浮子、平衡锤与悬索连接牢固，悬索悬挂在水位轮的“V”形槽中。平衡锤起拉紧悬索和平衡作用，调整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水线上。在水位不变的情况下，浮子与平衡锤两边的力是平衡的。当水位上升时，浮子产生向上浮力，使平衡锤拉动悬索带动水位轮作顺时针方向旋转，水位编码器的显示读数增加；水位下降时，则浮子下沉，并拉动悬索带动水位轮逆时针方向旋转，水位编码器的显示器读数减小。如水位轮测量圆周长为32厘米，且水位轮与编码器为同轴联接，水位轮每转一圈，编码器也转一圈，输出对应的32组数字编码。当水位上升或下降，编码器的轴就旋转一定的角度，编码器同步输出一组对应的数字编码（二进制循环码，又称格雷码）。不同量程的仪器使用不同长度的悬索能够输出1024至4096组不同的编码，可以用于测量10至40米水位变幅。
通过与仪器插座相联接的多芯电缆线可将编码信号传输给观察室内的电显示器或计算机，用作观测、记录或进行数据处理；安装有RS485数字通信接口（或4-20mA）的水位计，可以直接与通信机、计算机或相应仪表相联接，组成为水文自动测报系统。仪器的内置式RS485数字通信接口（选装），具备选址、选通功能，能以二线制方式远距离传输信息，在一对双绞线信号线上可以驱动或接收多台水位（或闸位）传感器，实现遥测组网。
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4超声波水位计
超声波水位计由于设备与测量液体无接触，不易受污泥堵塞、冲刷、液体腐蚀；具有自动功率调整、增益控制、温度补偿，设备造价低，安装不破坏水体结构、不需建造水位测井，节省投资，检测技术先进，适用各种复杂环境，无机械磨损，稳定耐用，安装检修方便等优点，被广泛使用在水闸、泵站工程的水位测量中。尤其超声波液位计针对有污染的、腐蚀性、有结层或者是含酸碱废水来说，都是一种非常理想的测量工具。可测量的介质包括盐酸、硫酸、氢氧化物、废水、树脂、石蜡、泥浆、碱液和漂白剂等工业用剂。劣势是超声波水位传感器的测验程一般不大（20m以下，受超声波自身特性的影响，测验精度也不很高(一般为0.25％FS左右)．适宜在水位变幅不大的河流水位测量中使用。对于变幅较大的河流，该类型水位传感器可能会出现较大的测验误差。
超声波液位计是由微处理器控制的数字液位仪表。在测量中超声波脉冲由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一传感器接收或超声波接收器，通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号，并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离。超声波水位计简单运用速度、时间、距离的计算公式s = vt，超声波在空气中传播的速度v是一定的，只要计算出超声波水位计在发送和接收超声波信号之间的时间t，则可以计算出超声水位计与被测液体之间的双向距离s。由于发送与接收信号使用的是双倍时间，所以最终被测距离为：s = vt/2。因为超声传感器与容器的底部距离H是一定的，则被测液位就会被计算h = H-s而得。
超声波水位计的主要输出形式水闸、泵站的水位数据采集，主要由传感设备、数据转换设备及后台处理软件等组成。根据不同环境、安装要求选择相适应的水位计。各种水位计原理不同，但输出信号基本是下面3种：开关量信号、模拟量信号（4 ～ 20 mA或5 V电压）和485通讯。开关量信号输出：开关量信号直接接入控制回路，通过水位的变化控制电路。模拟量信号输出：模拟量信号需要通过模数转换模块转化，最常用的是接入PLC模拟量模块。4 8 5信号输出通讯：485信号直接与PLC串口或电脑通讯进行数据转换。PLC与设备通讯口引脚分配定义相对应，PLC编程梯形图
5浮子式水位计在入海道通榆河立交工程中的应用
超声波水位计在水闸、泵站工程的安装位置不宜选择在靠近闸门的位置，闸门启闭时靠近闸门处水流波动起伏较大，容易使测量不准确。安装位置宜选择在水流波动小且没有漂浮物（如水葫芦）及没有船只靠近的水流平缓处。且在选择安装位置时应计算超声波水位计量程，避免超出测量范围；接线时应采用密封接线端子盒，防止水侵造成短路。同时应当考虑水闸、泵站工程的设计警戒水位，避免水体过高时浸泡设备造成损坏。
入海道通榆河立交工程主要由立交地涵和上下游河道组成，河道中有隔堤进行清污分离和高底水位分离，对于工程来说隔堤两边的水位和上下游水位非常重要。由于涵洞口正常位于水面以下，所以河道内杂草、漂浮物不能通过涵洞，不断在上游闸口汇集，平时风向、水流的方向一定程度上决定了上游闸口漂浮物离水闸的位置的远近，漂浮物数量的多少，漂浮物厚度的大小，因此不适宜在工程上游设置超声波水位计，而是设置浮子式水位计。
由于环境的特殊，在浮子式水位计测井安装中对测井的材料、锚固的材料、施工方案都有特别的要求，使投入成本较大。通榆河立交工程水位计测井的安装有很多方面需要注意：第一，由于杂草等较多，为了防止浮子被缠绕，测井进入水下的深度必须进行控制。第二，考虑杂草、杂物的影响，测井表面周围进出水开孔大小、位置必须进行控制；第三，由于测井会受到漂浮物的挤压、撞击，行洪时水流的影响，波纹管强度不足不能满足要求，钢管韧性不足不适宜使用，一般都使用Φ400的PE加厚管材，PE管还有现场加工方便等优点。第四，考虑翼墙顶到水面的距离较大，PE管材重，考虑安全等因数，在施工中保证锚固件质量的前提下，加密锚固件数量，需有吊车的配合。虽然正常情况下通榆河立交工程闸门为常开、全开状态，闸上、下游水位差不大，但仍在下游设置水位计互相备用。浮子式水位计投入使用多年，稳定可靠，极少发生故障，为工程的有效运行提供了保障。
作者简介
吴昌成（1979-07），男，汉族，籍贯：江苏盐城，当前职称：中级，学历：本科，研究方向：工程管理。
论文作者:吴昌成
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/14
标签：水位计论文; 水位论文; 浮子论文; 水闸论文; 泵站论文; 超声波论文; 工程论文; 《电力设备》2018年第20期论文;