UL-12超声波液位计工程应用比测分析

刘艳平，郭曈曈，安保庆，熊光亚

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211000）

UL-12超声波液位计工程应用比测分析

刘艳平，郭曈曈，安保庆，熊光亚

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211000）

本文简介UL-12超声波液位计的工作原理、技术指标及安装要点；对比分析三峡隧洞口使用的UL-12型超声波液位计采集的水位数据与气泡水位计数据；分析表明UL-12超声波液位计在测量水位方面精度较高，能满足规范要求。

UL-12；超声波液位计；应用；比测；分析

0 引言

在生产和生活中的许多领域都需要液位测量，如江河水位、废水液位、罐装液体液位等。近几年来，我国连续遭遇洪灾、雪灾、大地震等自然灾害，国家承受了很大的经济损失，为了减少这些损失，对大自然环境的观测与预警现在成为现代社会科学的一个重要的议题。在防洪防汛这一领域，水库、河流的液位测量显得尤其重要。就液位测量仪表的类型来看，超声波液位计是比较理想的非接触式测量仪表。

1 UL-12超声波液位计[1]

UL-12是南京南瑞集团公司自产的一款气介式超声波液位计。它是一种非接触测量的液位计，适用于江河、湖泊、水库、河口、渠道、船闸及各种水工建筑物处水位测量，不受水体污染影响，不破坏水流结构，不需建造测井，节省土建投资，采用法兰或螺纹连接，安装方便。相比普通气介式超声波液位计其测量精度更高。

1.1 工作原理

UL-12超声波液位计安装于被测液面上方，以空气为介质，在电子单元的控制下，探头向被测面发射一束超声波脉冲，声波遇到液面后反射，部分高能量反射回波由探头接收后转换为电信号。从超声波发射到重新被接收，其时间与探头至被测面的距离成正比；由电子单元检测记录该时间并根据当前声速（修正后）计算出被测距离，然后将液位高度转换为4～20mA电流信号输出；也可通过RS485串口通信方式传输至后台控制中心。图1为其原理框图。

图2为水位测量示意图，其中探头到被测水面的距离L计算公式为：

图1 原理框图

图2 水位测量示意图

式中：L——探头到被测水面的距离，m；

c——声速，m/s；

t——声波的传播时间，s。

由于超声波行程是从探头到水面再返回探头，所以实际距离需除以2。

当探头的安装高度为H时（见图2），水位Z可以用下列公式表达：

因此，只要能准确测量距离L，就可以得到准确的水位。声波脉冲发射过程中换能器机械惰性占用了一定的传输时间，使靠近超声波换能器的一小段区域内声波不能被接收，这个区域称为盲区。盲区大小不会影响盲区外的测量，因此与测量精度无关。

1.2 技术指标

技术指标如下：

（1）测量范围：12m ；

（2）精度：空气中满量程的±0.2%；

（3）分辨率：3mm；

（4）盲区：0.4m；

（5）温漂：0.03%FS/10℃；

（6）响应时间：2s；

（7）平均功耗：0.8W。

1.3 主要特性

UL-12超声波液位计采用数字化信号处理技术，精度高至0.2%；具有脉冲功率驱动电路，可发射等幅超声波，转换效率高；具有液位、距离互换功能；内置自动温度补偿单元，在空气中满量程范围内无精度下降；声束发射角小于8°，能量集中；外壳防护IP65等级，可在雨中使用；多种信号输出（4～20MA、RS485、高低报警输出）；设备小巧，便于安装。

1.4 安装与调试

UL-12超声波液位计安装尺寸图以及安装附件的尺寸图见图3。

安装方式与安装位置的地形有关，不同地形采用不同的安装方法。UL-12超声波液位计的最大优点是安装简单，不需要建造水井。在岸上立一根立杆，水平方向支一根1～6m长的横臂，横臂为镀锌钢板，宽度大于100mm，开一个80～86mm直径的圆孔，斜拉管焊点位于横臂的三分之二处，横臂前端由法兰固定超声波水位计，见图4。如果现场有符合条件伸出水面的悬臂，在悬臂前端上开一个80～86mm直径的圆孔，由法兰固定超声波水位计（注：为保证测量精度，建议加装通风百叶箱，遮阳通风）。

图3 安装尺寸图以及安装附件的尺寸图

图4 超声波水位计水位安装方法

图5 三峡隧洞口图

2 工程应用

UL-12超声波液位计在许多工程中有应用，工程应用前曾在三峡某一隧洞口进行比测试验。此隧洞口河道纵坡小水流平缓，该地河床由细沙、砾石为主，水流集中，当受风浪影响河流水面上才出现波浪现象，见图5。

此隧洞口已建好水位测站，所用水位测量仪器仪器为Sutron气泡水位计。其技术参数如下[2]：

（1）测量范围：35m;

（2）精度：±0.05%FS；

（3）分辨率：0.1mm；

（4）信号输出：SDI-12。

UL-12超声波液位计安装在气泡水位计测站旁边，见图6，UL-12放在百叶箱中。超声波液位计和气泡水位计传输到统一数据平台，测量间隔为每10分钟一次。

3 比测资料分析

隧洞口水面清澈，水位起伏稳定，便于比测。水位变化主要由降雨造成，水位突变主要由暴雨形成，暴雨持续时间一般为24h左右。

设置于隧洞口的UL-12型超声波液位计自2014年5月与气泡水位计的水位数据资料进行比对。采集比测数据到现在超30000个。表1、表2、表3分别为2014年5月8日、6月28日和8月8日一段时间逐时水位实测对比数据。

图6 UL-12安装图

表1 2014年5月8日数据 m

表2 2014年6月28日数据 m

续表

表3 2014年8月8日数据 m

通过表1～表3数据对比分析，可以看出不同时刻由UL-12超声波液位计测得的水位与气泡水位计的水位基本吻合，仅个别时段比测数据出现微小偏差，分析误差产生的原因主要有以下几点：①比测期间水面风力较大导致波浪起伏频繁，给超声波液位计的测量造成一定影响；②水面漂浮物影响了超声波液位计的测量精度；③气泡水位计也有一定的测量误差。

4 结束语

UL-12超声波液位计具有无需建井、便于安装、自动温度补偿、观测精度高、性能稳定及无人值守等特点；通过三峡隧洞口和气泡水位计比测分析，UL-12超声波液位计采集的水位数据资料完全符合《水位观测标准》（GB/T 50138）规定的精度要求。特别是在容易淤积的河道、海岸和不易建设水位测井的地方，更能显示出它的优势。

[1] 刘艳平，等． 高精度气介式超声波液位计研制．水电自动化与大坝监测，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/

刘艳平（1984—），男，电力工程师，主要研究方向：电力系统自动化、大坝安全监测、水情水调环境监测等。E-mail：liuyanping@sgepri．sgcc．com．cn

郭曈曈（1983—），女，电力工程师，主要研究方向：电力系统自动化。E-mail：guotongtong@sgepri．sgcc．com．cn

安保庆（1984—），男，电力工程师，主要研究方向：电力系统自动化、大坝安全监测、水情水调环境监测等。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