智慧水务中的非接触式监测：水位、流量与水质的高效感知方案

       水务水利工程中，为了实时获取水位、流量、水质、雨量等关键参数，广泛应用了各类非接触式监测设备。所谓非接触式，即传感器无需直接浸入水体或接触被测介质，而是通过物理信号（如声波、微波、光波等）进行遥测。这类设备具有安装维护方便、安全性高（无需断流或取样）、适应恶劣环境等优点。本文基安云智慧水务公司按照不同监测类型分章节介绍水位、流量、水质、雨量等非接触式监测设备的原理、应用场景及主流实例，供工程技术人员参考。

水位是水利监测的基本参数，非接触式水位计则包括雷达式、超声波式、激光式等类型：

（1）雷达式水位计

       利用微波雷达测距原理非接触测量水位。雷达天线朝向水面发射电磁波脉冲，测量其往返水面的时间或频率变化来计算距离，从而得到水位值。雷达微波在空气中传播速度恒定且不依赖介质，因此雷达法不受空气温度、压力影响，在真空、高温等环境也可工作。此外，雷达波可穿透蒸汽、尘埃等介质表层干扰，而这些往往是超声波设备的弱点。雷达水位计一般采用高频微波（常用24GHz或60GHz频段），频率越高波束越窄、精度越高。其天线可安装在桥梁、水闸上方或水库大坝顶端，远离洪水冲击。典型应用包括河道水位站、水库水位自动监测等，尤其适用于水面宽、流速快且不易布设接触式传感器的场合（如洪水期的江河）。

（2）超声波水位计

       利用高频声波的飞行时间来测量水位距离。超声波传感器安装在水面上方，发出20～200 kHz的声脉冲，声波遇到水面反射回传感器，计算往返时间即可得水位高度。超声波液位计结构简单、成本较低，在泵站水池、水处理沉淀池等场景大量应用。不过，空气中声速会随温度、湿度变化而改变，需对量程进行温度补偿修正。同时，现场环境对超声测量影响较大：水面的湍流、波浪或浮沫会散射吸收声波，导致回波减弱或失真；蒸汽、浓雾以及化学气体也可能削弱声波强度。为提高可靠性，工程上常加装导波管（静水井）来平稳水面回波，或选用智能信号处理的超声波仪表过滤杂波影响。尽管有上述局限，超声波水位计由于价格低、无机械部件、维护方便，仍是应用最为广泛的非接触式水位监测仪表之一。在城市排水渠液位监控、污水处理厂池位、给水调节池液位等领域，超声波传感器都是常见选择。

（3）激光式水位计

       采用激光测距原理的非接触水位计。典型地，仪器向水面发射一束激光，接收反射光并测量飞行时间，从而精确计算距离。由于激光具有方向性强、光束发散小的特点，在烟雾、蒸汽环境下仍能较好地穿透且受到干扰小。激光水位计测距精度高、响应快，可用于要求高精度测量的场所，例如实验渠道、水力学模型等。同时激光传感器也适合在矿井、水洞等有雾气的封闭空间监测液位。然而，激光光学设备价格相对昂贵，其光学窗口需要定期清洁以保证测量准确。在户外长期使用时，灰尘和水汽容易在透镜上积聚，因此激光水位计的维护要求较高。目前激光式液位计主要用于工业过程和特殊场景，在大多数水利工程中应用相对较少，但随着成本下降和技术进步，也开始出现在一些高端监测站中作为补充。

（4）视频图像水位监测

       近年来兴起的一种新技术，通过岸边安装的摄像机采集河道或水库的水尺刻度、堰槽出流等图像，利用计算机视觉算法识别水位。比如，对准量水尺拍摄的图像可以通过模式识别读出刻度淹没高度，从而得到水位值；或者通过分析水面在堰板上的浸润高度来推算上游水位。视频水位监测实现了真正的远程非接触测量，适合无法安装传感器或需要利用现有监控摄像头的情况。目前一些“智慧水务”系统中已有试点应用，将城市河道的监控摄像头图像用于水位自动采集。这种方法受限于光照、摄像机角度等因素，但随着人工智能图像识别的提高，有望成为传统水位计的有益补充。

       非接触式水位监测设备几乎覆盖了所有水利场景。在江河、湖泊等自然水体中，雷达水位计因其量程大、抗风浪能力强，非常适合长期无人值守的水文站和防洪预警站使用。在水库大坝和水电站中，雷达或激光水位计可高精度监测库水位、闸门上下游水位，以指导调度运行。在城市给排水系统中，超声波水位计安装于下水道检查井或泵站集水井顶部，用于监测管网水位和防涝预警。在工业过程如水处理厂的沉淀池、清水池，常见超声波或雷达液位计实现液位自动控制。

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