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簡(jiǎn)述壓阻投入式液位變送器在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用
發(fā)表時(shí)間：2018-07-21 ??點(diǎn)擊次數(shù)：863? 技術(shù)支持：1560-1403-222
本文前言
云峰發(fā)電廠衛(wèi)星水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建成于1996年。該系統(tǒng)在中朝界河鴨綠江上游面積為17165km2的云峰流域內(nèi)，為沿江的12個(gè)水文遙測(cè)站與集安市水文自動(dòng)測(cè)報(bào)中心站之間提供穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，保證水文數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，為云峰發(fā)電廠水庫(kù)調(diào)度提供及時(shí)的數(shù)據(jù)信息。
云峰衛(wèi)星水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)移動(dòng)衛(wèi)星組織的Inmarsat-C業(yè)務(wù)類(lèi)型，利用衛(wèi)星作為中心站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波，實(shí)現(xiàn)云峰流域各遙測(cè)站與測(cè)報(bào)中心站之間的相互通信，頻率為300MHz?300GHz,屬于微波接力的一種特殊形式。其中，C型中心站由隔離變壓器、交流凈化電源、UPS、前置機(jī)、24V專(zhuān) 用電源X型終端、天線等組成；C型遙測(cè)站由雨量傳感器、水位傳感器、人工置數(shù)器、RTU控制器、C型終端、天線、蓄電池、防過(guò)充控制器、太陽(yáng)能光板等組成。云峰水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)對(duì)水位傳感器的設(shè)計(jì)要求是:
①結(jié)構(gòu)合理、信號(hào)穩(wěn)定，可現(xiàn)場(chǎng)使用和自動(dòng)控制；
②電纜長(zhǎng)度可選擇200m?300m;
③能長(zhǎng)期投人水中使用，使用溫度為－40°C?40°C;
④傳感器精度即測(cè)童、收集水文信息的精度，是整個(gè)測(cè)報(bào)系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)終水文預(yù)報(bào)的精度*故精度要求高；
⑤傳感器精度由傳感器分辨率和測(cè)景精度表示，系統(tǒng)要求傳感器分辨率為1cm，水位測(cè)量**誤差小于3cm的概率應(yīng)大于95%。據(jù)此，我們選擇壓阻投入式液位變送器進(jìn)行水位測(cè)量。
1工作原理
壓阻投入式液位變送器在云峰水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)水位遙測(cè)站運(yùn)行過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，為水庫(kù)調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)。該變送器是一種全封閉、潛入式擴(kuò)散硅液位測(cè)量?jī)x表，由10系列壓阻式OEM傳感器及高精度的變送器專(zhuān)路裝入一個(gè)不銹鋼殼體組成。一體化的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號(hào)，為現(xiàn)場(chǎng)使用和自動(dòng)控制提供了方便。變送器頂部的鋼帽一方面起保護(hù)傳感器膜片的作用，另一方面能使液體流暢地接觸到膜片，防水電纜與外殼密封連接，通氣管在電纜內(nèi)，可長(zhǎng)期投入水中運(yùn)行。
壓阻投入式液位變送器的測(cè)元件是一個(gè)壓阻式傳感器，它利用半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓力與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。被測(cè)液體的壓力作用到不銹鋼膜片上，通過(guò)不銹鋼與敏感芯片之間灌充的硅油，把壓力傳送到敏感芯片上（見(jiàn)圖1)，敏感芯片通過(guò)導(dǎo)線與變送器專(zhuān)用放大電路連接（見(jiàn)圖2),由于敏感芯片上的惠斯登電橋達(dá)到很高的一致性，使輸出的電信號(hào)與作用壓力有著良好的線性關(guān)系，再加上半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的髙度線性的、與激勵(lì)電壓也成正比的電流信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水位壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。
簡(jiǎn)言之，變送器對(duì)液位的測(cè)量，就是把與液體深度成正比的液體靜壓力通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出，從而建立起輸出信號(hào)與液體深度的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位（即液體深度）的測(cè)a(見(jiàn)圖3)，計(jì)算公式如下：
p=rh
式中：p為變送器在測(cè)量點(diǎn)受到的液體靜壓力；r為液體的比重; r為測(cè)量點(diǎn)至液面的深度，即液位。
2基本性能
壓阻投入式液位變送器輸出信號(hào)穩(wěn)定，靈敏度高，一般金屬應(yīng)變方式傳感輸出僅為10mV，而該變送器采用的傳感器芯體滿(mǎn)量程輸出可達(dá)10010mV，使它的分辨率大大提高，信號(hào)輸出穩(wěn)定，特別是在零點(diǎn)附近的低量程段無(wú)死區(qū)，且線性良好。該變送器精度較高，在傳感器芯體上對(duì)壓力感受、敏感轉(zhuǎn)換和檢測(cè)3個(gè)部分由同一個(gè)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，所以，重復(fù)性和遲滯等誤差極小;同時(shí)，由于硅單晶本身剛度很大，形變很小，保證了良好的線性，所采用的放大電路大非線性?xún)H為萬(wàn)分之一以下，使它的綜合靜態(tài)精度相對(duì)較高。傳感器采用的部分硅元件彈性薄膜在工作時(shí)形變?yōu)閬單⒚讛?shù)量級(jí)，因而無(wú)磨損、無(wú)疲勞、無(wú)老化，壽命長(zhǎng)達(dá)107壓力循環(huán)次，且體積小、重量輕、固有頻率高，在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，可達(dá)到較寬的頻帶范圍。
壓阻投入式液位變送器的主要技術(shù)指標(biāo)如下。量程為20mH20;輸出信號(hào)為4mA?20mADC;供電電源為15V?30VDC;靈敏度為(X8mA/mH20;非線性為小于士0.5%滿(mǎn)量程;工作溫度為0°C?50°C;負(fù)載為小于—15V)/0.02A。
壓阻投入式液位變送器結(jié)構(gòu)較精密，外殼采用不銹鋼lCrl8Ni9Ti材料，橡膠套管采用丁晴橡膠材料，電纜采用7.5mm聚乙烯專(zhuān)用電纜,膜片采用性能優(yōu)良的不銹鋼316L材料，接線盒材料為鑄鋁(ZL102)，如圖4所示。
壓阻投入式液位變送器的電氣連接采用三線制方式（見(jiàn)圖5),目的是防止回路電阻的干擾，采用三線制接法可以很好地消除回路電阻對(duì)變送器的影響。
3安裝和應(yīng)用
該變送器用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中河道水位的測(cè)量，安裝前應(yīng)注意檢査安裝地點(diǎn)的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會(huì)超過(guò)變送器量程、所測(cè)河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會(huì)堵塞變送器的進(jìn)水孔。
變送器的安裝方向應(yīng)該為垂直向下。由于該變送器是在動(dòng)水中使用，所以一定要注意保持其感應(yīng)面與水流方向平行，需要安裝保持靜水的裝置。我們采用在河道淺水區(qū)域建積水井的方式，在積水井底部連接一個(gè)進(jìn)水管，進(jìn)水管方向以順河道水流方向?yàn)橐?，其長(zhǎng)度可按實(shí)際情況適當(dāng)選擇，進(jìn)水管末端需要做好阻尼層，以阻尼水波和消除動(dòng)水壓力的影響，又能起到過(guò)濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
4實(shí)際工作情況
該變送器用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中河道水位的測(cè)量, 安裝前應(yīng)注意檢查安裝地點(diǎn)的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會(huì)超過(guò)變送器的量程、所測(cè)河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會(huì)堵塞變送器的進(jìn)水孔。
變送器的安裝方向應(yīng)該為垂直向下。由于該變送器是在動(dòng)水中使用, 所以一定要注意保持其感應(yīng)面與水流方向平行, 需要安裝保持靜水的裝置。我們采用在河道淺水區(qū)域建積水井的方式, 在積水井底部連接一個(gè)進(jìn)水管, 進(jìn)水管方向以順河道水流方向?yàn)橐? 其長(zhǎng)度可按實(shí)際情況適當(dāng)選擇, 進(jìn)水管末端需要做好阻尼層, 以阻尼水波和消除動(dòng)水壓力的影響, 又能起到過(guò)濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
在該變送器的安裝過(guò)程中，我們采用了以下經(jīng)驗(yàn)措施，來(lái)保證安裝工作和變送器運(yùn)行的順利、穩(wěn)定：
①在變送器的探頭上加固一個(gè)保護(hù)套筒，以減小水流和人為的損壞•，
②采用敷設(shè)在地面以下1.5m的方式，以防止雷擊和人為的破壞;③采用鐵管來(lái)保護(hù)變送器電纜；
④在變送器電纜外皮上纏繞一層塑料套管，以避免在檢修時(shí)磨損電纜外皮，造成電纜和變送器短路；
⑤由于水位測(cè)量點(diǎn)距控制設(shè)備較遠(yuǎn)，所需變送器電纜較長(zhǎng)，在中間的合適位置建一個(gè)工作檢查井，以便于維修。
上一條：破局進(jìn)口儀表壟斷 國(guó)產(chǎn)儀表未來(lái)路漫漫其修遠(yuǎn)
下一條：簡(jiǎn)化科研儀器采購(gòu)流程 為科技插上騰飛的“雙翼”
云峰發(fā)電廠衛(wèi)星水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建成于1996年。該系統(tǒng)在中朝界河鴨綠江上游面積為17165km2的云峰流域內(nèi)，為沿江的12個(gè)水文遙測(cè)站與集安市水文自動(dòng)測(cè)報(bào)中心站之間提供穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，保證水文數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，為云峰發(fā)電廠水庫(kù)調(diào)度提供及時(shí)的數(shù)據(jù)信息。
云峰衛(wèi)星水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)移動(dòng)衛(wèi)星組織的Inmarsat-C業(yè)務(wù)類(lèi)型，利用衛(wèi)星作為中心站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波，實(shí)現(xiàn)云峰流域各遙測(cè)站與測(cè)報(bào)中心站之間的相互通信，頻率為300MHz?300GHz,屬于微波接力的一種特殊形式。其中，C型中心站由隔離變壓器、交流凈化電源、UPS、前置機(jī)、24V專(zhuān) 用電源X型終端、天線等組成；C型遙測(cè)站由雨量傳感器、水位傳感器、人工置數(shù)器、RTU控制器、C型終端、天線、蓄電池、防過(guò)充控制器、太陽(yáng)能光板等組成。云峰水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)對(duì)水位傳感器的設(shè)計(jì)要求是:
①結(jié)構(gòu)合理、信號(hào)穩(wěn)定，可現(xiàn)場(chǎng)使用和自動(dòng)控制；
②電纜長(zhǎng)度可選擇200m?300m;
③能長(zhǎng)期投人水中使用，使用溫度為－40°C?40°C;
④傳感器精度即測(cè)童、收集水文信息的精度，是整個(gè)測(cè)報(bào)系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)終水文預(yù)報(bào)的精度*故精度要求高；
⑤傳感器精度由傳感器分辨率和測(cè)景精度表示，系統(tǒng)要求傳感器分辨率為1cm，水位測(cè)量**誤差小于3cm的概率應(yīng)大于95%。據(jù)此，我們選擇壓阻投入式液位變送器進(jìn)行水位測(cè)量。
1工作原理
壓阻投入式液位變送器在云峰水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)水位遙測(cè)站運(yùn)行過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，為水庫(kù)調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)。該變送器是一種全封閉、潛入式擴(kuò)散硅液位測(cè)量?jī)x表，由10系列壓阻式OEM傳感器及高精度的變送器專(zhuān)路裝入一個(gè)不銹鋼殼體組成。一體化的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號(hào)，為現(xiàn)場(chǎng)使用和自動(dòng)控制提供了方便。變送器頂部的鋼帽一方面起保護(hù)傳感器膜片的作用，另一方面能使液體流暢地接觸到膜片，防水電纜與外殼密封連接，通氣管在電纜內(nèi)，可長(zhǎng)期投入水中運(yùn)行。
壓阻投入式液位變送器的測(cè)元件是一個(gè)壓阻式傳感器，它利用半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓力與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。被測(cè)液體的壓力作用到不銹鋼膜片上，通過(guò)不銹鋼與敏感芯片之間灌充的硅油，把壓力傳送到敏感芯片上（見(jiàn)圖1)，敏感芯片通過(guò)導(dǎo)線與變送器專(zhuān)用放大電路連接（見(jiàn)圖2),由于敏感芯片上的惠斯登電橋達(dá)到很高的一致性，使輸出的電信號(hào)與作用壓力有著良好的線性關(guān)系，再加上半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的髙度線性的、與激勵(lì)電壓也成正比的電流信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水位壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。
簡(jiǎn)言之，變送器對(duì)液位的測(cè)量，就是把與液體深度成正比的液體靜壓力通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出，從而建立起輸出信號(hào)與液體深度的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位（即液體深度）的測(cè)a(見(jiàn)圖3)，計(jì)算公式如下：
p=rh
式中：p為變送器在測(cè)量點(diǎn)受到的液體靜壓力；r為液體的比重; r為測(cè)量點(diǎn)至液面的深度，即液位。
2基本性能
壓阻投入式液位變送器輸出信號(hào)穩(wěn)定，靈敏度高，一般金屬應(yīng)變方式傳感輸出僅為10mV，而該變送器采用的傳感器芯體滿(mǎn)量程輸出可達(dá)10010mV，使它的分辨率大大提高，信號(hào)輸出穩(wěn)定，特別是在零點(diǎn)附近的低量程段無(wú)死區(qū)，且線性良好。該變送器精度較高，在傳感器芯體上對(duì)壓力感受、敏感轉(zhuǎn)換和檢測(cè)3個(gè)部分由同一個(gè)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，所以，重復(fù)性和遲滯等誤差極小;同時(shí)，由于硅單晶本身剛度很大，形變很小，保證了良好的線性，所采用的放大電路大非線性?xún)H為萬(wàn)分之一以下，使它的綜合靜態(tài)精度相對(duì)較高。傳感器采用的部分硅元件彈性薄膜在工作時(shí)形變?yōu)閬單⒚讛?shù)量級(jí)，因而無(wú)磨損、無(wú)疲勞、無(wú)老化，壽命長(zhǎng)達(dá)107壓力循環(huán)次，且體積小、重量輕、固有頻率高，在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，可達(dá)到較寬的頻帶范圍。
壓阻投入式液位變送器的主要技術(shù)指標(biāo)如下。量程為20mH20;輸出信號(hào)為4mA?20mADC;供電電源為15V?30VDC;靈敏度為(X8mA/mH20;非線性為小于士0.5%滿(mǎn)量程;工作溫度為0°C?50°C;負(fù)載為小于—15V)/0.02A。
壓阻投入式液位變送器結(jié)構(gòu)較精密，外殼采用不銹鋼lCrl8Ni9Ti材料，橡膠套管采用丁晴橡膠材料，電纜采用7.5mm聚乙烯專(zhuān)用電纜,膜片采用性能優(yōu)良的不銹鋼316L材料，接線盒材料為鑄鋁(ZL102)，如圖4所示。
壓阻投入式液位變送器的電氣連接采用三線制方式（見(jiàn)圖5),目的是防止回路電阻的干擾，采用三線制接法可以很好地消除回路電阻對(duì)變送器的影響。
3安裝和應(yīng)用
該變送器用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中河道水位的測(cè)量，安裝前應(yīng)注意檢査安裝地點(diǎn)的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會(huì)超過(guò)變送器量程、所測(cè)河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會(huì)堵塞變送器的進(jìn)水孔。
變送器的安裝方向應(yīng)該為垂直向下。由于該變送器是在動(dòng)水中使用，所以一定要注意保持其感應(yīng)面與水流方向平行，需要安裝保持靜水的裝置。我們采用在河道淺水區(qū)域建積水井的方式，在積水井底部連接一個(gè)進(jìn)水管，進(jìn)水管方向以順河道水流方向?yàn)橐?，其長(zhǎng)度可按實(shí)際情況適當(dāng)選擇，進(jìn)水管末端需要做好阻尼層，以阻尼水波和消除動(dòng)水壓力的影響，又能起到過(guò)濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
4實(shí)際工作情況
該變送器用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中河道水位的測(cè)量, 安裝前應(yīng)注意檢查安裝地點(diǎn)的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會(huì)超過(guò)變送器的量程、所測(cè)河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會(huì)堵塞變送器的進(jìn)水孔。
變送器的安裝方向應(yīng)該為垂直向下。由于該變送器是在動(dòng)水中使用, 所以一定要注意保持其感應(yīng)面與水流方向平行, 需要安裝保持靜水的裝置。我們采用在河道淺水區(qū)域建積水井的方式, 在積水井底部連接一個(gè)進(jìn)水管, 進(jìn)水管方向以順河道水流方向?yàn)橐? 其長(zhǎng)度可按實(shí)際情況適當(dāng)選擇, 進(jìn)水管末端需要做好阻尼層, 以阻尼水波和消除動(dòng)水壓力的影響, 又能起到過(guò)濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
在該變送器的安裝過(guò)程中，我們采用了以下經(jīng)驗(yàn)措施，來(lái)保證安裝工作和變送器運(yùn)行的順利、穩(wěn)定：
①在變送器的探頭上加固一個(gè)保護(hù)套筒，以減小水流和人為的損壞•，
②采用敷設(shè)在地面以下1.5m的方式，以防止雷擊和人為的破壞;③采用鐵管來(lái)保護(hù)變送器電纜；
④在變送器電纜外皮上纏繞一層塑料套管，以避免在檢修時(shí)磨損電纜外皮，造成電纜和變送器短路；
⑤由于水位測(cè)量點(diǎn)距控制設(shè)備較遠(yuǎn)，所需變送器電纜較長(zhǎng)，在中間的合適位置建一個(gè)工作檢查井，以便于維修。
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