测量仪表在水电站中的应用探讨

　　摘要：在水电站工程中，对水库水位、拦污栅压差、集水井水位、压力水管道压差等测量仪表选型的过程中，由于受水位变幅、信号传输距离、测量精度、环境温度、设备布置条件及电站自动化设计水平等因素的影响，如何选择合适的测量方法和测量仪表，使电站水位测量系统优化配置，保证其良好运行并能减少维护量，提高电站运行的安全性和可靠性是水电工程中关键所在。文章重点对水电站采用的浮标式液位测量、投入式压力仪表液位测量、非接触式液位测量3种测量方式的优劣比对和一些新的测量装置的使用进行了探讨。
　　关键词：水位，测量装置，应用，比较
　　概述
　　水位测量仪表在水电站中主要应用于库区上、下游水位及机组进水口拦污栅前后压差和集水井水位测量。库水位的准确测量对判定河流来水情况和收集水文资料、水库的经济调度具有十分重要的意义。集水井水位的测量为保证电站水工建筑物安全运行提供必不可缺少的条件。因此优良的一次测量元件的选择与自动监控系统配套使用是保证水工建筑物安全稳定的基础。
　　2水位测量装置的应用
　　迄今为止，已有多种水位测量装置应用在水电站工程中。80年代建成的龙羊峡水电站上、下游水位及拦污栅压差的水位测量采用了干簧管浮球式液位信号器；90年代黄河上游建成的大多数电站自动排水系统采用浮子机械码盘测量装置测量水位；90年代建成的黄河大峡、李家峡等水电站，集水井水位控制采用多连杆电极式水位计。
　　2.1浮标式液位传感器
　　2.1.1测量原理
　　浮标式液位传感器主要由浮标(浮子)、重锤、测绳(或连杆)、测量轮、编码器(电动同位器)、传输设备等部分组成。传感器安装在现场设的测井上，水位升降带动浮子，通过测绳和重锤带动挂轮转动，再通过变速，使接触式轴角编码器转动，从而使传感器输出随水位变化的数字量(格雷码)，传感器通过多芯电缆与中控室的数据处理器相连，处理后实现显示、报警等功能，同时可以配置现地显示装置。
　　2.1.2浮标式液位法的优缺点
　　电站上、下游水位及拦污栅压差的测量以前主要采用浮标式液位进行测量，该方法的优点是抗干扰能力强，传送编码不存在信号衰减问题，对电磁干扰和电路串扰具有良好的抑制作用，基本满足设计需求。现场测量设备体积庞大，需要接触并浮于水面，安装复杂，调试困难；在多泥沙河流，漂浮物较多的地方，测井易堵塞,浮子容易发卡；维护工作量大，工作人员要经常调整钢线和码盘，以确保测量精度；码盘机械制造精度要求较高，且需要
　　耐磨损、高强度材料；与水接触的浮子要求采用高级防锈、防污材料。
　　2.2投入式液位传感器
　　2.2.1测量原理
　　投入式液位传感器测量主要用于电站集水井水位测量，也可以用于电站上、下游水位及拦污栅压差的监测。投入式液位传感器主要由静压探头、导气电缆、变送器组成，通常变送器的安装在测量介质的上方，将静压探头投入液体中，液面至探头的垂直高度乘以液体的比重形成的静压作用在探头上，探头输出相应的信号，由导气电缆传输给变送器，经放大后输出标准的直流电流4～20mA，同时可以配置现地显示装置。
　　根据静压探头测量原理的不同，压力传感器可以分为CVD感应电容、CCS陶瓷电容传感及石英晶体压力传感等，测量方式可以分为探孔受压膜片和平齐隔膜受压。后来KDGMEBREYLTD生产的9700系列的电子液位变送器与以前投入液位传感器的不同点是变送器的核心部件是陶瓷电容传感器(CCS)，其提供了平齐的隔离膜，避免了传感器阻塞，并确保极低的滞后，最小的输出漂移和高重复性。此种传感器的测量原理也是把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经放大电路转化成标准电流(或电压)信号输出，建立起输出电信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深度的测量。
　　2.2.2投入式液位传感器测量方法的优缺点
　　该方法的优点是安装方便，占地较小，适应各种恶劣情况，抗干扰能力强，CCS陶瓷电容传感器对结垢(例如钙)无影响，避免因水质结垢而引起测量不可靠。其最大的传感器飘移只有0.025mm，长期稳定性较好，长时间使用无须维护保养。
　　测量精度可以达到0.1%FS，石英晶体压力传感器精度甚至可以达0.01%FS，测量范围可以达到0～100m左右。投入式液位传感器测量信号4～20mA，传输距离可以达到100～300m，传送信号不存在信号衰减问题，如果用于电站上、下游水位及拦污栅压差监测远距离传输，信号输出和接入必须加调制解调器。另外探头与接线盒间的通用电缆不可对折，否则造成空气通道堵塞而无法传导正确的实际大气压力,使测量元件不能准确测量。
　　2.3无接触式液位测量
　　无接触式液位测量主要由电子单元(发射器)、数模转换元件、波导管，测量时由主机电子单元发射高频电磁波脉冲，经由声头转换为低频声波(超声波测量)，或直接沿波导管向下传播(导波雷达测量)，以声速(超声波测量)或光速(导波雷达测量)传播，遇到液面后反射回去，被膜片吸收后转换为电信号，通过计算反射时间即可以测量液位，经过处理后既可以提供模拟量，也可以提供开关量。
　　由于目前水电站多采用浮子式液位计或投入式液位计来进行水位测量。在龙羊峡、李家峡电站应用后发现测量精度低，不可靠，经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测不准的现象，且电站工作人员维护工作量大，安装、调试不便，采集到的仅是模拟告警信号，不能直接进入电厂计算机监控系统。脉冲发送和接收之间的时间(声波的运动时间)与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：Ｓ＝Ｃ×Ｔ，例如：声速C=344m/s，传输时间为100ms，即可算出传输的距离为34.4m，测定距离为17.2m。无接触式液位测量装置能够精确地测量脉冲的返回时间，测量精度甚至可以达到±1mm，免维护，零漂移。使用超声波水位测量采集到的数据由于是数字信号，可以很方便的实现由PLC对采集量进行处理，并且把实时水位和压差数据送到中控室，显示和越限报警。采用RS422/RS232接口还可以把实时数据送到大坝集中控制室工控机，处理成计算机通信报文，最终将采集量送到电厂计算机监控系统上位机。
　　结束语
　　根据多年的实际经验及已建电站的反馈信息，一般情况下，如果电站上、下游水位变幅较大(>50m)，应选用浮标式液位传感器的方法。如果电站上、下游水位变幅较小，可以选用CCS投入式液位传感器测量。如果经济情况允许，测量精度有特殊要求，建议选用无接触式液位测量—导波雷达测量仪，其精度可以达到1mm，不受任何外界因数的影响，零漂移，适用于各种环境，而且安装检修极其方便简单，免维护。

《测量仪表在水电站中的应用探讨》

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