浅谈超声波水位计在水闸工程中的应用

2022-04-01周杰

治淮 2022年3期

周杰

（安徽省茨淮新河工程管理局怀远 233400）

水位计是最为常见的水位测量方式，常见水位计通常包括电容式、浮子式、压力式、超声波式、电子水尺等。不同水位计的功能特点存在一定差异，超声波水位计无需直接与液体进行接触，受干扰因素较少，设备使用和布置无需破坏现有水体结构，整体成本较低，可以在不同复杂环境下有效使用，由于不存在机械磨损，使用寿命较长，目前得到广泛应用。

1 超声波水位计的原理

超声波水位计依托用速度、时间、距离三者计算公式进行计算，即根据s=vt，且已知超声波在大气环境中的传播速度v 为固定，因此仅需获知t，即可计算得s，此处的时间t 为该水位计发出信号至获得信号之间的时间差，而次数的距离s 可以表示水位计至被测对象间的双向距离。由此可见，发送信号至获得信号之间的时间属于双倍距离时间，因此实际被测距离计算公式应为：s=vt/2。同时超声波传感器和液体容器底部的对应距离是固定的（可用H表示），因此计算公式为h=H-s。

超声波水位计普遍以二线制、三线制或四线制为基础，其中在二线制产品中，供电和信号共用一个输出，属于典型的无源测量传感器；在三线制产品中，供电和信号均保持独立输出，在使用直流24V 进行供电时，可配置一根三芯电缆线，此时供电负端与信号输出负端可以同时使用一根芯线；在四线制产品中，使用交流220V 或直流24V 供电时，需确保供电和信号输出之间保持完全独立，此时应配置一根四芯电缆线。

2 超声波水位计在水闸工程中的应用

2.1 超声波水位计在水闸工程中的安装

水闸工程项目在设计时，需考虑如何完成超声波水位计布置，通常并不将超声波水位计布置在闸门周边，这是由于在闸门启闭过程中，附近流水波动较为明显，容易导致测量结果出现偏差。通常超声波水位计需安装于水流波动较小、无漂浮物、无传播靠近的水势相对平缓的位置。在实际安装时，需结合水位计自身量程范围，规避测量距离超限的情况；接线时需选择密封接线盒，并确保盒子水密性，避免由于水体侵入而出现短路。此外也需考虑工程对应的设计警戒水位位置，避免由于水体过高导致设备浸泡后失效。

2.2 超声波水位计的主要输出形式

水闸水位数据系统近年来受到社会各界关注，在智能化、高效化的控制模式下大幅提升工作效率，其数据采集组件包括传感器、数据转换器、后台处理设备等。按照环境差异，可安装布置适合的水位计。不同水位计的原理并不一致，但对应输出信号一般包括下述三种：

2.2.1 开关量信号该类信号能够对接控制回路，根据水位变化完成对电路的控制。

2.2.2 模拟量信号

该类信号能够可以实现模数转换，一般可以直接对接PLC 模拟量模块。在二线制模式下的接线途径如图1所示。

图1 二线制接线方式图

模拟量模块能够设定具体的模拟量输入范围，具体规格包括0～10V，4～20mA 等，在获得数据信息采集之后，将电流相关数值转变为对应的数字量，如某模块将其对应为6400～32000，程序内部标度变换数值为0～10m，即在实际测量中，4mA 的相应数字量和物理量分比为6400 和0m，而20mA 的相应数字量和物理量为32000 和10m。此过程与函数公式Y=KX+b 存在相通性，即Y 表示水位值，X 表示输入值，具体转换如图2所示，其中I＿DI 模块和DI＿R 模块分别意为整数转变成双整数和双整数转变成实数，且在运算过程中，SUB＿R、MUL＿R和DIV＿R 分别代指减法、乘法和除法。

图2 设备原始值与计算值转换过程图

2.2.3 485 信号

485 信号能够对接PLC 串口端或电脑通讯端，从而实现数据转换功能。PLC 能够和设备通讯口之间实现引脚匹配，PLC 编程步骤如下：首先进行端口初始化，随后反馈读数，接着进入适当延时和读端口返回数据环节，此时若需进行确认，则可反馈确认命令，最后开始发下一轮命令，从而实现读数循环。如西门子200 对内部程序块作出调用：在程序编辑时，基于SM0.1 完成初始化，基于SM0.0 制定对应参数。参数说明可以在子程序对应的局部变量表中实现（如图3）。

图3内容对应的参数意义如下所示：

图3 内部程序调用图

Mode 代指模式选择：启停MODBUS，其中1 表示启动，0 表示停止；在Port0 处于从站协议通讯状态时，不得用于其他目的。MBUS_INIT 指令可用于Port0 控制，设置其处于从站协议通讯状态或PPI 状态。

Addr 代指从站地址：表示MODBUS 对应的从站地址，取值范围为1～247。

Baud 代指波特率：可选数值包括1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600；Parity 表示奇偶校验，其中0 表示为“无校验”，1 表示为“奇校验”，2 表示为“偶校验”。

Delay（延时）：能够反映出附加字符之间的延时情况，其中缺省值数值为0。

MaxIQ 代指最大I/Q 位：表示在通讯环节中的最高I/O 点数。

MaxAI 代指最大AI 字数：表示在通讯环节中的最大AI 通道数，通常数值为16 或32。

MaxHold 代指最大保持寄存器区：表示在通讯过程中的V 存储区字（VW）。

HoldSt 代指保持寄存器区起始地址，通常可通过&VBx 指定。

Done 和Error 分别代指初始化完成标志和初始化错误代码。

MODBUS 表示执行，其中在通讯中设定为1。

3 超声波水位计应用实例

荆山湖退洪闸工程位于怀远县荆山湖行洪区下口门上游300m 处，大（2）型水闸，主要建筑物2 级、次要建筑物3 级，按Ⅶ度地震设防。闸底板高程17.0m，开敞式水闸，共30 孔，单孔净宽为10m，闸室总宽度为340.6m。因原淮河侧水下淤泥较多，所以造成淮河侧水文站连接管道经常淤堵，原水文站使用的浮子式水位计使用效果不佳。

荆山湖退洪闸2018年对淮河侧水文站水文设施改造项目，该项目属于典型的自动化系统改造项目，软硬件性能直接关乎水闸自动化系统运行安全性，浮子式水位计需要设置围堰，造工成本过大；水域内淤泥较多，压力式水位计使用效果不佳。综合考虑水域水流、水闸作用等情况，该项目选用超声波水位计对水位进行检测。项目已运行几年，系统长期保持可靠性和稳定性，超声波水位计在此过程中发挥重要作用。