水位計是水位自動監測的重要設備,廣泛應用于水利工程運行管理。水位計類型眾多,如浮子式水位計、激光水位計、雷達水位計等,它們在設備成本、安裝成本、維護成本、使用壽命等方面不盡相同。優選水位計有助于水利工程養護維修控制,保障工程日常有效監測,提高水位測量自動化水平。筆者基于工程經濟學理論,結合水利工程現場實際情況,厘清水位計的應用與選型。選取5種常用水位計即浮子式水位計、激光水位計、雷達水位計、超聲波水位計、電子水尺進行比較分析。
浮子式水位計為機械式結構,主要由浮子、平衡錘、水位編碼器組成。安裝時需建水位測井,有一定的施工難度,建設成本較高,但使用壽命較長,適用于岸坡穩定、有建設測井條件的場景。設備運行時,浮子隨水位變化上下移動。水位不變時,浮子與平衡錘兩側的力保持平衡,水位輪處于靜止狀態;水位上升時,浮子上浮,平衡錘隨之拉動懸索帶動水位輪順時針旋轉,水位編碼器顯示讀數增加;水位下降時,浮子下沉,平衡錘隨之拉動懸索帶動水位輪逆時針旋轉,水位編碼器顯示讀數減小。如WFH-2A型浮子式水位計的浮子采用低重心不銹鋼外配重材質結構,平穩性較好,能夠在波涌環境下穩定工作,安裝時采用20~30cm內徑的水位測井,可降低安裝成本。
激光水位計適用于短量程狹窄復雜環境,測量準確度較高。工作原理是利用激光測距技術,在水位計測量管內安裝1個浮子,浮子隨水位變化上下浮動,水位計的激光傳感器將激光打到浮子表面并接收其反射激光,水位計根據激光往返時間自動計算距離,并輸出電流模擬量信號,PLC系統進行信號采集和運算,得到當前水位值。如HX-DLS-050型激光水位計采用全鋁鑄造防爆外殼,防水等級為IP67,能耐受惡劣氣候,適合長期室外使用的場景。
雷達水位計是利用雷達波進行測距的電子設備。雷達波不受溫度、濕度、風、霜、雨、雪等環境因素影響,雷達水位計運行穩定,測量精度極高,安裝中不需要建立測井,安裝成本相對較低。工作原理是由傳感器發射雷達波照射水面并接收其回波,由此獲得由水面至雷達波發射點的時間,由于雷達波傳播速度為常數,系統可自動計算當前水位值。如SEBAPLUS35型雷達水位計精度極高,設備密封性極好,安裝便捷,維護成本低,使用壽命長,但購置成本較高。
超聲波水位計是利用超聲波測距的電子設備。超聲波受流水波動、泥沙、漂浮物、水溫等因素影響較大,使用范圍有限。安裝時不需要建立測井,安裝成本較低。工作原理是水位計向水面發出超聲波,水面反射超聲波后,儀器測得超聲波往返水面的時間,由系統計算當前水位值。如YDZ-YL9型超聲波水位計穿透蒸汽能力、過濾障礙物能力、測量穩定性較以往超聲波水位計有所提升。
電子水尺通過傳感器發射電磁波等形式進行水位測量,工作原理與雷達水位計類似,測量精度較高,安裝簡單且自由,可垂直安裝,亦可傾斜安裝,還可沿河道面自下而上階梯安裝,但量程較短。如HXCAR810D型雷達式電子水尺采用不銹鋼管式防護外殼,測量中可以有效過濾波浪干擾。
5種類型水位計主要技術參數對比如表1所示。雷達水位計設備價格最高,為浮子式水位計的6倍,量程、工作環境溫度、功耗等參數最佳。其他4種水位計在各項參數上各有優劣,因此必須結合水利工程的現場情況進行選擇。與此同時,5種水位計的使用壽命、設備購置費、設備安裝費差異較大,如浮子式水位計要配套建設測井,其安裝費遠高于其他水位計,無法通過這3項參數直接判斷設備的經濟性。因此需引入工程經濟學中設備全壽命周期費用和經濟壽命相關理論計算、分析不同水位計的經濟性。
