超声波液位计在南水北调中线工程中的应用

王庆磊

（南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，河北 石家庄 050000）

0 引言

南水北调中线工程，于丹江口水库陶岔引水，总干渠自陶岔分水闸引水，伏牛山南麓山前岗垅与平原相间的地带，向东北行进，经南阳过白河后入淮河流域，在河南荥阳市采用隧道穿过黄河，沿京广线西侧北上，自流至北京团城湖的输水工程。为实现供水目标，目前中线工程采用闸前常水位控制方式，实时监测水位，掌握水位的变化情况，对工程运行十分重要，因此水位测量是南水北调中线工程调度运行中的一个重要物理参数。近些年来随着计算机技术、通信技术、测量技术的不断深入发展，超声波液位计得到了广泛的应用，南水北调中线工程普遍使用压力式液位计和时差式超声波液位计，本文就应用情况进行了详细说明。

1 中线工程运行特点及设备选型

1.1 中线工程运行特点

南水北调中线干线工程，自丹江口水库的陶岔渠首，沿唐白河平原北缘、华北平原西部边缘，跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，全线采用明渠和暗涵相结合的方式输水，沿途与交叉道路、河流全部立交，充分利用地势条件，实现自流方式输水。中线工程自2014 年12 月建成并投入运行，经过近六年的通水运行，中线工程已累计向河南、河北、天津、北京平稳输水共计超过300 亿m3，缓解了京、津、华北地区水资源危机，持续改善供水区生态环境。

为实现对总干渠流量的调整，在总干渠内控制性建筑物进出口布置若干数量的节制闸，总干渠被这些节制闸分隔成一个个短的渠段，每个渠段类似于一个小型水库，远距离的输水渠道由这些小型水库联接而成，通过控制这些短的渠段水位来控制整个总干渠流量。另外，在总干渠沿线布置一定数量的分水口闸门，用于向沿线省市地区供水，在北京惠南庄设置一座大型泵站，用于在自流不能满足供水流量的情况下，向北京地区加压供水。中线工程采用节制闸、分水闸、退水闸、控制闸进行输水控制，全线与输水调度相关的控制性建筑物共计276 座，其中节制闸64 座、分水闸97 座、退水闸54 座、控制闸61 座。

中线工程采用闸前常水位控制方式，即水位不动点位于渠段下游段，当渠段内流量变化时，通过调整闸门开度来保持渠段下游段水位在稳定状态下基本不变，也称渠段下游常水位控制方式，以流量作为控制量输出。中线工程建成通水以来运行稳定，经受住了设计流量350 m3/s。

1.2 设备选型

南水北调中线水源取自丹江口水库，水库水质总体良好，常年符合Ⅱ类水质标准。超声波液位计是利用超声波脉冲原理进行非接触式的测量，大部分超声波液位计采用收发一体的超声波换能器，声波的发射和接收都共用一个换能器，首先由发射端向被测液面方向发射超声波信号，遇到被测液体表面被反射回来，部分反射回波被共用换能器接收，然后转换成电信号。计时单元测量超声波从发射到收到波被经过的时间，然后根据声波在空气中的传播速度，就可以计算出换能器到液面的距离，然后再根据安装参数计算得出待测液面的深度，工作原理如图1 所示。依据全线闸门的重要程度和水工建筑物结构类型，选用德国西门子量程分别为0～6 m、0～12 m 和0～15 m 的一体式超声波液位计。

图1 超声波液位计工作原理图

1.3 设备组成及技术指标

超声波液位计由超声波换能器、驱动电路、LCD液晶显示模块3 部分组成。采用二线制环路供电，螺纹采用M20 螺纹，显示液位计表头和电缆接口可以任意旋转，便于线和换能器调节以达到最佳观测位置，同时，西门子一体化超声波液位计使用标准西门子红外手操器，在有一定危险的区域不需要开盖即可进行操作。标准DC24 V 供电，输出信号为4～20 mA 模拟量，工作频率为54 kHz，环境温度范围可达-40 ℃～+80 ℃。超声波液位计中内置了一个温度传感元件，用来补偿工程现场的环境温度变化，防护等级可达IP68，测量精度可做到量程的±0.15%。电缆采用双层屏蔽电缆，超声波液位计主要技术指标如表1 所示。

2 液位计的安装和使用注意事项

2.1 液位计的安装

超声波液位计的安装主要包括换能器的安装、支架安装、信号电缆连接。

表1 超声波液位计主要技术指标

（1）安装原则

安装时液位计换能器底端发射部分到待测最低水位之间的距离应小于超声波液位计的最大量程。换能器底端发射部分到最高水位之间的距离必须大于液位计盲区。换能器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，减少虚假回波产生，保障测量数据的精度。

（2）换能器安装

换能器的安装中最主要的是定位，考虑到安装位置应与被测界面垂直，避开横档或其他障碍物。同时安装在方便的可视显示屏和通过手持操作器编程，因此安装至渡槽槽身顶端和拉梁中间位置。采用刚性较好的材质制作支架，将换能器安装在制作好的支架的法兰盘上，支架另一端固定槽身上，其次，安装好换能器后，要准确测出换能器的实际安装参数，一般采用自身激光测距功能定位与闸后渠底距离、液位计的安装高程等参数。图2 为超声波液位计安装情况。

（3）信号线缆连接

采用双层双绞屏蔽线电缆连接换能器和PLC，从电缆一端剥开外层约65 mm 左右，将电缆通过密封接头穿入换能器内。将电缆连接到接线端子上，拧紧密封接头，形成良好的密封效果。盖上外盖并旋紧螺丝，但也不应拧得太紧，通常推荐力矩在1.1～1.7 N·m 之间。电缆另一端连接至PLC。

图2 超声波液位计安装情况

2.2 使用和安装注意事项

（1）应有防高温、防低温、防风等保护措施。

（2）对仪器要定期进行校验，一般周期为一年。

（3）要做到定期维护和定期清洁，每6 个月对导压管进行排污。

（4）运行过程当中，仪表应达到规定性能指标。

（5）安装位置应尽可能避开产生强电磁干扰的设备。

（6）因为换能器有一定的锥形发射角度存在，满量程状态下换能器安装时应与渡槽槽壁保持一定的距离。

（7）在超声波波束辐射的范围以内，不得有任何障碍物，安装时应尽量远离槽内设施。

（8）应避免将超声波液位计安装在水位波动较大的位置，否则就会影响回波质量，产生虚假回波，从而影响测量数据的准确度。

3 液位计的调试

（1）按照说明书的要求，使用PC 运行西门子专用软件实现远程编程，或使用手持编程器与LCD 显示屏配合进入编程模式在相应菜单项目中输入现场实测的安装数据。

（2）检查液位计输出的工作情况，如工作电压、LCD 显示屏显示状态、模拟量输出情况等。若一切正常，液位计即可进入正常的工作状态。

（3）通过PLC 与闸站监控系统终端进行通信测试，在客户端设置好相应的通信协议，检查水位数据是否准确性。

以上硬件安装和软件调试都已经完毕，超声波液位计已经可以实现现场某一断面水位测量，根据设计要求，目前在渡槽节制闸闸后3 孔槽身各安装1 套液位计，现场每0.5 h 观测水尺度数与闸站监控系统中水位数据做对比，由图3 闸站监控系统水位测量数据情况可以看出闸后水深3 孔测量数据一致性较好，经过近一段时间的水位数据观测比对发现，超声波液位计工作正常，水位测量准确，测量精度满足现场要求。

图3 闸站监控系统水位测量数据情况

4 结束语

超声波液位计与传统的液位测量仪器相比，具有非接触式、高可靠性、高性价比、易于安装、方便维护等优点的液位测量仪器。它能在无需接触介质的情况下就能满足物位测量要求，集水位测量、显示、传输等功能于一体，且不受介质的粘度、密度等影响，可广泛适用于水利工程、城市集水池、河流湖泊等各种场景，实现各种液体高度的测量。南水北调中线工程中的超声波液位计是闸站监控系统的一个小的部件，通过上位机与PLC 连接，实现了水位数据的实时监视和记录，为南水北调中线工程的水量调度与计量发挥了重要作用。随着我国经济水平的提高，超声波液位计作为一种日益成熟的设备，将在各行各业中得到越来越广泛的应用。