常用水位传感器的比较和选择

安 全，范瑞琪

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引言

1 水位传感器的工作原理及优缺点

1.1 浮子式水位传感器

浮子式水位传感器是国内使用最广泛，应用最成熟的水位传感器，工作原理是通过浮子在垂直方向上随水位变化，通过绳索牵动水位计的计程轮转动，最后将计程轮的位置变化转换为水位的测量仪器。根据计程方式的不同可分为绝对式和增量式，根据计程原理又分为机械式、电磁式、光电式等。浮子式水位传感器具有结构简单、造价低廉、功耗小、易维护等优点；缺点是一般需要修建测井或钢管井，土建规模大、投资高，对于多沙河流，测井清淤工作繁重，若水位测验变幅大，浮子与重锤的钢绳易打绞，易发生机械故障。

1.2 压力式水位传感器

压力式水位传感器根据传感器所处位置不同可分为投入式和气泡式 2 种。

1.2.1 投入式压力水位传感器

投入式压力水位传感器的工作原理是通过固定在水下的压力传感单元将水压力转换为电信号，再通过电信号与水深的换算关系推求水位。根据传感单元的压电转换原理又可分为压阻式、振弦式等。投入式压力水位传感器具有量程大、安装简单、土建工程量小、设备价格低等优点。缺点是受泥沙、温度等环境因素影响大，存在温度、时间、非线性漂移等现象，使用时需定期进行校核和率定，长期观测精度较差；传感器需采用导电线缆传输信号，易受电磁干扰和雷击，工作可靠性较差；传感器安装在水底，对设备的维护较困难。

1.2.2 气泡式压力水位传感器

气泡式压力水位传感器的工作原理是通过“吹气引压”将水下固定点的水压力通过气管引至岸上，在岸上完成对水压力的测量，然后再换算为水位。这种压力式传感器可避免压力传感单元长期处于受压状态而寿命缩短，同时也避免了室外导电线缆的连接，提高了设备的抗干扰性，且由于气泡式水位传感器测量设备置于水面以上，使得对设备的维护和管理变得简单易行。因此气泡式水位传感器测量精度高、量程大、不受水质影响、可靠性高、土建投资小，缺点是设备价格较高，仪器结构较复杂，对气管气密性的安装要求高，维护不太方便等。

气泡式水位传感器根据吹气方式的不同，又分为自带气泵的自泵式和需高压气瓶的恒流式 2 种。自泵式使用空气吹气，为排除空气中水汽的影响，需要定期加装干燥剂；恒流式采用高纯氮供气，可获得更高的测量精度，但需要定期更换氮气。

1.3 超声波水位传感器

超声波水位传感器的工作原理是利用超声波（机械波）测距原理测量水位，根据传感器的安装位置，又分为气介式和液介式 2 种。气介式水位传感器架设于水面以上，而液介式固定于水面以下。这类传感器具有无需测井，土建投资小，设备价格低，安装维护方便等优点；缺点是由于采用的是超声波测距原理，受气（水）温、空气（水）密度、湿度、泥沙含量等的影响较大，测量精度和可靠性较差，在水面漂浮物较多时亦无法使用。

1.4 雷达水位传感器

雷达水位传感器与超声波水位传感器类似，只是采用的是电磁波，电磁波比超声波有更好的抗干扰性和较小的发散角，使得水位传感器具有寿命长、测验精度高、量程大、抗干扰能力强、可靠性好、安装简单方便、无需建设测井、基建投资小等优点。缺点是价格昂贵，设备较复杂，损坏后不易修复，水面漂浮物较多时也不适用；另外在大雨时，因测量端面充满水体而导致雷达波放射混乱，会影响测量数据。

困境儿童概念体系的建构是一个过程。在此处，笔者根据目前已经提出的各方面的概念，建议如下体系（见图1）。

1.5 激光水位传感器

激光水位传感器跟雷达水位传感器类似，只是采用激光测距原理，优点是测量量程大、周期短、精度高，无发散角，体积小等；缺点是设备结构较复杂，损坏后修复困难，设备本身的可靠性不如雷达水位计，且安装时水面需要反射板，安装维护较复杂。

2 水位传感器的比较

2.1 测量精度的比较

浮子式水位传感器测量精度约为 0.3% FS，投入式压力水位传感器的测量精度大约为 0.5% FS，气泡式水位传感器精度约 0.05% FS，超声波水位传感器精度约 0.3% FS，雷达式水位传感器精度约 0.03% FS，激光水位传感器精度约 0.005% FS。仅从测量精度比较，激光水位传感器最高，雷达式和气泡式水位传感器次之，浮子式、超声波式水位传感器的精度相当，投入式压力水位传感器的精度最差。

2.2 测量量程的比较

浮子式水位传感器的测量量程一般不超过 40 m，通过定制最大可达 80 m，但量程越大受浮子牵引绳稳定性的影响越大；投入式压力水位传感器的量程可达 500 m，甚至更高；气泡式水位传感器的量程一般不超过 40 m，目前最大量程可达 140 m[3]；超声波式水位传感器的量程一般小于 20 m；雷达式水位传感器的最大量程一般小于 70 m；激光式水位传感器的量程可达 200 m，甚至更高。从各传感器的测量量程看，投入压力式和激光式水位传感器的量程最大，基本不受限制，气泡式、雷达式、浮子式水位传感器的测量量程相当，超声波式水位传感器的测量量程最小。

2.3 设备可靠性的比较

实践生产中水位传感器的可靠性至关重要，从应用经验来看，浮子式水位传感器使用率最高，设备最成熟，可靠性高；投入式压力水位传感器由于价格低廉、使用方便应用也较多，但因受安装环境和设备本身特性的影响，常易损坏，可靠性较差；气泡式和雷达式水位传感器是近些年兴起的新型水位传感器，目前也有了一定范围的应用，从应用效果看，可靠性也较好；超声波式水位传感器目前已基本被淘汰，可靠性较差；激光式水位传感器由于技术还不成熟，可靠性较差。

2.4 设备安装的配套土建比较

浮子式水位传感器需配套建设测井，土建工程量大，土建投资高，测井每米投资约为 10000～50000 元，且测井施工难度大，土建建设标准高；投入式压力水位传感器的配套土建有线缆保护设施和传感探头在水下的固定设施 2 部分，土建工程量小、投资少，但水下部分施工难度较大；气泡式水位传感器的配套土建有气管管路的保护设施和气管管口的固定设施 2 部分，土建工程与投入式压力水位传感器类似；雷达式水位传感器的配套土建是安装支架，一般采用钢结构制造，土建工程量小，造价较低，施工难度较小；超声波式的配套土建与雷达式类似；激光式水位传感器由于需要反射板，土建一般需要建钢管井，土建工程量较大，造价较高，一般需依附有直立面的水工建筑物修建。

2.5 设备运行维护的比较

浮子式水位传感器结构简单，维护容易、方便，但测井由于存在淤沙问题，需定期清淤，在泥沙含量较高的河流中维护工作繁重；投入式压力水位传感器由于固定于水下，安装后难以维护，损坏后一般只能重新更换新设备；气泡式水位传感器由于测量单元在水面以上，运行维护较方便，但由于设备本身较精密，维护难度较高；超声波式和雷达式均安装于水面以上，维护较方便，同样由于设备较精密，维护难度较高，另外水面漂浮物对这类水位传感器影响较大，因此水面漂浮物的清理也是维护工作的重要部分；激光水位传感器设备精密，安装要求高，维护难度较大。

3 水位传感器的选择

水位传感器的选择与测量要求、测量水体特性、测量环境、运行维护水平、投资预算等因素有关，是一个综合比选的过程[4]。各水位传感器的优缺点不同，各个厂家的生产工艺和质量也不同，在传感器选择时，一般应遵循可靠、精确、经济的先后原则，不宜仅追求仪器的标称精度，而不注重仪器的适用性。

实践经验表明，对于河道水位站，河流泥沙含量不高，且具备建设测井条件的，多采用浮子式水位传感器；若不具备测井建设条件，又需要获得较高水位测验精度的，多采用气泡式水位传感器；若河流水面漂浮物不多，水位变幅也不大，且岸坡陡峻的情况，雷达水位传感器是不错的选择；若为临时水位观测，使用期限要求不长，且测验精度要求不高的，如施工期临时水位观测，则多选择投入式压力水位传感器。

对于水库或湖泊等静水水体的水位观测，若水位变幅不大，有建设测井或钢管井条件的，可采用浮子式水位传感器；对于水位变幅较大，且观测精度要求高的，可采用气泡式水位传感器；若为临时水位观测，且观测精度要求不高，如水库初期蓄水水位观测，可采用投入式压力水位传感器；若水体变幅范围内有直立面，具备建设悬臂支架条件的，可采用雷达式水位传感器。

对于测量水面有结冰情形的，测量水面的水位传感器将不适用，精度要求较高时可采用气泡式水位传感器，精度要求不高时可采用投入式压力水位传感器。

以上仅是一般情况下选择水位传感器的一些经验，在实践中必须结合现场条件和测验要求，多分析比较后论证确定。另外需要指出的是，随着科技的进步，很多智能化的新型水位传感器不断涌现，标称精度很高，但在实践检验中经常不如传统水位传感器稳定和可靠。分析原因，一方面是因为水位传感器的标称精度是在实验室环境下测得的，在实际应用环境中差别可能会很大；另一方面新型水位传感器的结构一般较复杂，安装要求较严格，这在实践中经常不能得到满足，从而影响了水位传感器的测量精度和可靠性，因此在尝试应用新型水位传感器时，更需要因地制宜地合理选用。

在选定水位传感器后，严格按照厂家的安装说明进行设备安装和调试，并在运行中注重设备的检查和维护，适时调整或标定设备环境参数，是保证水位传感器测验精度和可靠性的前提。除此以外，注重人员素质的培养，注重数据的后期分析和处理，在实践中不断总结和积累经验，是提高水位传感器测验精度和可靠性的重要保证。

4 结语

水文测验中水位传感器的比较和选择是保证水位观测可靠性、精度的重要技术手段，是水文测验中的一项重要基础性工作。本文阐述了在我国水文测验中常用的几种水位传感器的工作原理及主要优缺点，总结了在实践中水位传感器选择的一些基本经验，结果表明各类水位传感器在测量量程、精度、可靠性、所需配套土建等方面各有优缺点，水位传感器的比选应因地制宜，结合具体测量条件、测量要求、投资预算等，遵守可靠、精确、经济的先后原则，通过多方案综合比较分析后确定。

[1]张岩，王琳菲，许连波. 人工观测水位与自记水位的对比分析[J]. 河南水利与南水北调，2008 (1): 23-24.

[2]李晓斌，肖舸，李永红，等. 梯级水库调度自动化系统[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012: 31-52.

[3]范瑞琪，安全，朱祯，等. 锦屏一级水电站库水位站建设方案研究与探讨[J]. 人民长江，2014, 45 (3): 33-35.

[4]曹平. 水位观测仪器的选择与应用[J]. 台湾海峡，2001, 20 (3): 292-297.