超聲波液位計在隧道積水監(jiān)測中的應(yīng)用

隧道積水深度的遠(yuǎn)程監(jiān)測對于交通事故的發(fā)生具有重要防范意義。該系統(tǒng)通過前端超聲波液位計將水深這一物理量轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過簡單處理后傳輸給后級主控芯片做進(jìn)一步處理，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，之后利用集成的無線通信模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。

考慮到陰雨天氣情況下較為密閉的隧道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量不穩(wěn)定問題，以及LoRa技術(shù)的遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本、可靠性高等特性，可以同時兼顧更長的隧道距離和更低的功耗，系統(tǒng)選用LoRa模塊作為第一步無線傳輸，再將隧道外部的接收端LoRa與4G通信模塊進(jìn)行集成，將信息傳輸?shù)娇刂浦行?，接著由相關(guān)部門利用廣播電臺發(fā)出警示信息，同時隧道遠(yuǎn)處的可變情報板上會提供行車建議，搭建完備的城市隧道積水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。超聲波液位計輸出電流信號，經(jīng)過簡單信號處理轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后傳輸給后一級。主控芯片選用TI設(shè)計生產(chǎn)的MSP430系列單片機(jī)，芯片內(nèi)集成的ADC模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，利用串口與無線通信模塊進(jìn)行信息交換。

目前市面上進(jìn)行液位測量時，根據(jù)測量應(yīng)用需求的不同和測量原理的差異性，主要有浮力式、電容式、激光式液位傳感器等。隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，超聲波液位測量方法得到了普遍的應(yīng)用。相較于其他測量技術(shù)，其較大特性為無需接觸介質(zhì)就能滿足大部分測量環(huán)境要求，且對待測環(huán)境影響較小，同時避免了壓力式、浮力式等傳統(tǒng)測量方式可能出現(xiàn)的纏繞、堵塞、介質(zhì)腐蝕、維護(hù)不便等不足。就隧道積水監(jiān)測這一應(yīng)用而言，考慮到大部分時間下隧道內(nèi)出現(xiàn)積水的可能性極低，該系統(tǒng)選擇超聲波液位測量方法。

超聲波液位計采用四線制輸出接口，分別為電源正、電源負(fù)、輸出正以及輸出負(fù)，將聲信號轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號。在實際使用過程中，通常將電源負(fù)和輸出負(fù)短接。測量原理圖如圖1所示。

傳感器安裝在隧道內(nèi)較低處的正上方，探頭產(chǎn)生超聲脈沖波，通過媒介傳遞到被測液面，然后被反射回傳感器，利用式（1）可以計算出液位高度：h=H-L=H-v×t/2（1）

其中，h為液面實際高度，H表示探頭端面到底部的總高度，L表示探頭端面到液面的距離（超聲波傳輸距離的一半），v表示超聲波傳輸速度，t表示超聲波傳播時間。

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