常用水位傳感器的比較和選擇

安 全，范瑞琪

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引言

1 水位傳感器的工作原理及優缺點

1.1 浮子式水位傳感器

浮子式水位傳感器是國內使用最廣泛，應用最成熟的水位傳感器，工作原理是通過浮子在垂直方向上隨水位變化，通過繩索牽動水位計的計程輪轉動，最后將計程輪的位置變化轉換為水位的測量儀器。根據計程方式的不同可分為絕對式和增量式，根據計程原理又分為機械式、電磁式、光電式等。浮子式水位傳感器具有結構簡單、造價低廉、功耗小、易維護等優點；缺點是一般需要修建測井或鋼管井，土建規模大、投資高，對于多沙河流，測井清淤工作繁重，若水位測驗變幅大，浮子與重錘的鋼繩易打絞，易發生機械故障。

1.2 壓力式水位傳感器

壓力式水位傳感器根據傳感器所處位置不同可分為投入式和氣泡式 2 種。

1.2.1 投入式壓力水位傳感器

投入式壓力水位傳感器的工作原理是通過固定在水下的壓力傳感單元將水壓力轉換為電信號，再通過電信號與水深的換算關系推求水位。根據傳感單元的壓電轉換原理又可分為壓阻式、振弦式等。投入式壓力水位傳感器具有量程大、安裝簡單、土建工程量小、設備價格低等優點。缺點是受泥沙、溫度等環境因素影響大，存在溫度、時間、非線性漂移等現象，使用時需定期進行校核和率定，長期觀測精度較差；傳感器需采用導電線纜傳輸信號，易受電磁干擾和雷擊，工作可靠性較差；傳感器安裝在水底，對設備的維護較困難。

1.2.2 氣泡式壓力水位傳感器

氣泡式壓力水位傳感器的工作原理是通過“吹氣引壓”將水下固定點的水壓力通過氣管引至岸上，在岸上完成對水壓力的測量，然后再換算為水位。這種壓力式傳感器可避免壓力傳感單元長期處于受壓狀態而壽命縮短，同時也避免了室外導電線纜的連接，提高了設備的抗干擾性，且由于氣泡式水位傳感器測量設備置于水面以上，使得對設備的維護和管理變得簡單易行。因此氣泡式水位傳感器測量精度高、量程大、不受水質影響、可靠性高、土建投資小，缺點是設備價格較高，儀器結構較復雜，對氣管氣密性的安裝要求高，維護不太方便等。

氣泡式水位傳感器根據吹氣方式的不同，又分為自帶氣泵的自泵式和需高壓氣瓶的恒流式 2 種。自泵式使用空氣吹氣，為排除空氣中水汽的影響，需要定期加裝干燥劑；恒流式采用高純氮供氣，可獲得更高的測量精度，但需要定期更換氮氣。

1.3 超聲波水位傳感器

超聲波水位傳感器的工作原理是利用超聲波（機械波）測距原理測量水位，根據傳感器的安裝位置，又分為氣介式和液介式 2 種。氣介式水位傳感器架設于水面以上，而液介式固定于水面以下。這類傳感器具有無需測井，土建投資小，設備價格低，安裝維護方便等優點；缺點是由于采用的是超聲波測距原理，受氣（水）溫、空氣（水）密度、濕度、泥沙含量等的影響較大，測量精度和可靠性較差，在水面漂浮物較多時亦無法使用。

1.4 雷達水位傳感器

雷達水位傳感器與超聲波水位傳感器類似，只是采用的是電磁波，電磁波比超聲波有更好的抗干擾性和較小的發散角，使得水位傳感器具有壽命長、測驗精度高、量程大、抗干擾能力強、可靠性好、安裝簡單方便、無需建設測井、基建投資小等優點。缺點是價格昂貴，設備較復雜，損壞后不易修復，水面漂浮物較多時也不適用；另外在大雨時，因測量端面充滿水體而導致雷達波放射混亂，會影響測量數據。

困境兒童概念體系的建構是一個過程。在此處，筆者根據目前已經提出的各方面的概念，建議如下體系（見圖1）。

1.5 激光水位傳感器

激光水位傳感器跟雷達水位傳感器類似，只是采用激光測距原理，優點是測量量程大、周期短、精度高，無發散角，體積小等；缺點是設備結構較復雜，損壞后修復困難，設備本身的可靠性不如雷達水位計，且安裝時水面需要反射板，安裝維護較復雜。

2 水位傳感器的比較

2.1 測量精度的比較

浮子式水位傳感器測量精度約為 0.3% FS，投入式壓力水位傳感器的測量精度大約為 0.5% FS，氣泡式水位傳感器精度約 0.05% FS，超聲波水位傳感器精度約 0.3% FS，雷達式水位傳感器精度約 0.03% FS，激光水位傳感器精度約 0.005% FS。僅從測量精度比較，激光水位傳感器最高，雷達式和氣泡式水位傳感器次之，浮子式、超聲波式水位傳感器的精度相當，投入式壓力水位傳感器的精度最差。

2.2 測量量程的比較

浮子式水位傳感器的測量量程一般不超過 40 m，通過定制最大可達 80 m，但量程越大受浮子牽引繩穩定性的影響越大；投入式壓力水位傳感器的量程可達 500 m，甚至更高；氣泡式水位傳感器的量程一般不超過 40 m，目前最大量程可達 140 m[3]；超聲波式水位傳感器的量程一般小于 20 m；雷達式水位傳感器的最大量程一般小于 70 m；激光式水位傳感器的量程可達 200 m，甚至更高。從各傳感器的測量量程看，投入壓力式和激光式水位傳感器的量程最大，基本不受限制，氣泡式、雷達式、浮子式水位傳感器的測量量程相當，超聲波式水位傳感器的測量量程最小。

2.3 設備可靠性的比較

實踐生產中水位傳感器的可靠性至關重要，從應用經驗來看，浮子式水位傳感器使用率最高，設備最成熟，可靠性高；投入式壓力水位傳感器由于價格低廉、使用方便應用也較多，但因受安裝環境和設備本身特性的影響，常易損壞，可靠性較差；氣泡式和雷達式水位傳感器是近些年興起的新型水位傳感器，目前也有了一定范圍的應用，從應用效果看，可靠性也較好；超聲波式水位傳感器目前已基本被淘汰，可靠性較差；激光式水位傳感器由于技術還不成熟，可靠性較差。

2.4 設備安裝的配套土建比較

浮子式水位傳感器需配套建設測井，土建工程量大，土建投資高，測井每米投資約為 10000～50000 元，且測井施工難度大，土建建設標準高；投入式壓力水位傳感器的配套土建有線纜保護設施和傳感探頭在水下的固定設施 2 部分，土建工程量小、投資少，但水下部分施工難度較大；氣泡式水位傳感器的配套土建有氣管管路的保護設施和氣管管口的固定設施 2 部分，土建工程與投入式壓力水位傳感器類似；雷達式水位傳感器的配套土建是安裝支架，一般采用鋼結構制造，土建工程量小，造價較低，施工難度較??；超聲波式的配套土建與雷達式類似；激光式水位傳感器由于需要反射板，土建一般需要建鋼管井，土建工程量較大，造價較高，一般需依附有直立面的水工建筑物修建。

2.5 設備運行維護的比較

浮子式水位傳感器結構簡單，維護容易、方便，但測井由于存在淤沙問題，需定期清淤，在泥沙含量較高的河流中維護工作繁重；投入式壓力水位傳感器由于固定于水下，安裝后難以維護，損壞后一般只能重新更換新設備；氣泡式水位傳感器由于測量單元在水面以上，運行維護較方便，但由于設備本身較精密，維護難度較高；超聲波式和雷達式均安裝于水面以上，維護較方便，同樣由于設備較精密，維護難度較高，另外水面漂浮物對這類水位傳感器影響較大，因此水面漂浮物的清理也是維護工作的重要部分；激光水位傳感器設備精密，安裝要求高，維護難度較大。

3 水位傳感器的選擇

水位傳感器的選擇與測量要求、測量水體特性、測量環境、運行維護水平、投資預算等因素有關，是一個綜合比選的過程[4]。各水位傳感器的優缺點不同，各個廠家的生產工藝和質量也不同，在傳感器選擇時，一般應遵循可靠、精確、經濟的先后原則，不宜僅追求儀器的標稱精度，而不注重儀器的適用性。

實踐經驗表明，對于河道水位站，河流泥沙含量不高，且具備建設測井條件的，多采用浮子式水位傳感器；若不具備測井建設條件，又需要獲得較高水位測驗精度的，多采用氣泡式水位傳感器；若河流水面漂浮物不多，水位變幅也不大，且岸坡陡峻的情況，雷達水位傳感器是不錯的選擇；若為臨時水位觀測，使用期限要求不長，且測驗精度要求不高的，如施工期臨時水位觀測，則多選擇投入式壓力水位傳感器。

對于水庫或湖泊等靜水水體的水位觀測，若水位變幅不大，有建設測井或鋼管井條件的，可采用浮子式水位傳感器；對于水位變幅較大，且觀測精度要求高的，可采用氣泡式水位傳感器；若為臨時水位觀測，且觀測精度要求不高，如水庫初期蓄水水位觀測，可采用投入式壓力水位傳感器；若水體變幅范圍內有直立面，具備建設懸臂支架條件的，可采用雷達式水位傳感器。

對于測量水面有結冰情形的，測量水面的水位傳感器將不適用，精度要求較高時可采用氣泡式水位傳感器，精度要求不高時可采用投入式壓力水位傳感器。

以上僅是一般情況下選擇水位傳感器的一些經驗，在實踐中必須結合現場條件和測驗要求，多分析比較后論證確定。另外需要指出的是，隨著科技的進步，很多智能化的新型水位傳感器不斷涌現，標稱精度很高，但在實踐檢驗中經常不如傳統水位傳感器穩定和可靠。分析原因，一方面是因為水位傳感器的標稱精度是在實驗室環境下測得的，在實際應用環境中差別可能會很大；另一方面新型水位傳感器的結構一般較復雜，安裝要求較嚴格，這在實踐中經常不能得到滿足，從而影響了水位傳感器的測量精度和可靠性，因此在嘗試應用新型水位傳感器時，更需要因地制宜地合理選用。

在選定水位傳感器后，嚴格按照廠家的安裝說明進行設備安裝和調試，并在運行中注重設備的檢查和維護，適時調整或標定設備環境參數，是保證水位傳感器測驗精度和可靠性的前提。除此以外，注重人員素質的培養，注重數據的后期分析和處理，在實踐中不斷總結和積累經驗，是提高水位傳感器測驗精度和可靠性的重要保證。

4 結語

水文測驗中水位傳感器的比較和選擇是保證水位觀測可靠性、精度的重要技術手段，是水文測驗中的一項重要基礎性工作。本文闡述了在我國水文測驗中常用的幾種水位傳感器的工作原理及主要優缺點，總結了在實踐中水位傳感器選擇的一些基本經驗，結果表明各類水位傳感器在測量量程、精度、可靠性、所需配套土建等方面各有優缺點，水位傳感器的比選應因地制宜，結合具體測量條件、測量要求、投資預算等，遵守可靠、精確、經濟的先后原則，通過多方案綜合比較分析后確定。

[1]張巖，王琳菲，許連波. 人工觀測水位與自記水位的對比分析[J]. 河南水利與南水北調，2008 (1): 23-24.

[2]李曉斌，肖舸，李永紅，等. 梯級水庫調度自動化系統[M]. 北京：中國水利水電出版社，2012: 31-52.

[3]范瑞琪，安全，朱禎，等. 錦屏一級水電站庫水位站建設方案研究與探討[J]. 人民長江，2014, 45 (3): 33-35.

[4]曹平. 水位觀測儀器的選擇與應用[J]. 臺灣海峽，2001, 20 (3): 292-297.