水位计是水位自动监测的重要设备,广泛应用于水利工程运行管理。水位计类型众多,如浮子式水位计、激光水位计、雷达水位计等,它们在设备成本、安装成本、维护成本、使用寿命等方面不尽相同。优选水位计有助于水利工程养护维修控制,保障工程日常有效监测,提高水位测量自动化水平。笔者基于工程经济学理论,结合水利工程现场实际情况,厘清水位计的应用与选型。选取5种常用水位计即浮子式水位计、激光水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺进行比较分析。
浮子式水位计为机械式结构,主要由浮子、平衡锤、水位编码器组成。安装时需建水位测井,有一定的施工难度,建设成本较高,但使用寿命较长,适用于岸坡稳定、有建设测井条件的场景。设备运行时,浮子随水位变化上下移动。水位不变时,浮子与平衡锤两侧的力保持平衡,水位轮处于静止状态;水位上升时,浮子上浮,平衡锤随之拉动悬索带动水位轮顺时针旋转,水位编码器显示读数增加;水位下降时,浮子下沉,平衡锤随之拉动悬索带动水位轮逆时针旋转,水位编码器显示读数减小。如WFH-2A型浮子式水位计的浮子采用低重心不锈钢外配重材质结构,平稳性较好,能够在波涌环境下稳定工作,安装时采用20~30cm内径的水位测井,可降低安装成本。
激光水位计适用于短量程狭窄复杂环境,测量准确度较高。工作原理是利用激光测距技术,在水位计测量管内安装1个浮子,浮子随水位变化上下浮动,水位计的激光传感器将激光打到浮子表面并接收其反射激光,水位计根据激光往返时间自动计算距离,并输出电流模拟量信号,PLC系统进行信号采集和运算,得到当前水位值。如HX-DLS-050型激光水位计采用全铝铸造防爆外壳,防水等级为IP67,能耐受恶劣气候,适合长期室外使用的场景。
雷达水位计是利用雷达波进行测距的电子设备。雷达波不受温度、湿度、风、霜、雨、雪等环境因素影响,雷达水位计运行稳定,测量精度极高,安装中不需要建立测井,安装成本相对较低。工作原理是由传感器发射雷达波照射水面并接收其回波,由此获得由水面至雷达波发射点的时间,由于雷达波传播速度为常数,系统可自动计算当前水位值。如SEBAPLUS35型雷达水位计精度极高,设备密封性极好,安装便捷,维护成本低,使用寿命长,但购置成本较高。
超声波水位计是利用超声波测距的电子设备。超声波受流水波动、泥沙、漂浮物、水温等因素影响较大,使用范围有限。安装时不需要建立测井,安装成本较低。工作原理是水位计向水面发出超声波,水面反射超声波后,仪器测得超声波往返水面的时间,由系统计算当前水位值。如YDZ-YL9型超声波水位计穿透蒸汽能力、过滤障碍物能力、测量稳定性较以往超声波水位计有所提升。
电子水尺通过传感器发射电磁波等形式进行水位测量,工作原理与雷达水位计类似,测量精度较高,安装简单且自由,可垂直安装,亦可倾斜安装,还可沿河道面自下而上阶梯安装,但量程较短。如HXCAR810D型雷达式电子水尺采用不锈钢管式防护外壳,测量中可以有效过滤波浪干扰。
5种类型水位计主要技术参数对比如表1所示。雷达水位计设备价格最高,为浮子式水位计的6倍,量程、工作环境温度、功耗等参数最佳。其他4种水位计在各项参数上各有优劣,因此必须结合水利工程的现场情况进行选择。与此同时,5种水位计的使用寿命、设备购置费、设备安装费差异较大,如浮子式水位计要配套建设测井,其安装费远高于其他水位计,无法通过这3项参数直接判断设备的经济性。因此需引入工程经济学中设备全寿命周期费用和经济寿命相关理论计算、分析不同水位计的经济性。
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