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    超聲波液位計在測量山公巖水電站機組頂蓋水位數據中的應用說明

    發表時間:2019-04-13   點擊次數:730 技術支撑:1560-1403-222
     0引言
    液位測量在土業生產中應用少’一泛,準確的液位測量是生產過程控制的重要手段,在水電行業的檢測中更是如此。目前常用的液位測量主要选取直讀法、浮力法、差壓法等。水電站機組頂蓋液位測量土況十分復雜,頂蓋內水位波動較大,水花飛濺,對液位測量準確性產生很大的影響。一般的液位測量主意,如选取投入式的液位傳感器測量頂蓋內水位,存在傳感器底部泥沙淤積,堵塞傳感器測壓孔,易使傳感器損壞,產生測量誤差;而选取超聲波液位計測量頂蓋水位,办法簡單,探頭不直接與介質接觸,但其缺點明顯,便当受頂蓋振動、水位波動等環境干擾。本文針對以上問題,對超聲波液位計測量機組頂蓋水位進行研究,提出有效可行的解決方案,使測量的可靠性和精度得到很好的兼顧,滿足生產需要。

    1超聲波液位計
    1.1超聲波液位計測量液位原理
    超聲波在介質中傳播時,有較好的方向性,波速與普通聲波,具有傳播過程中能量損失少,遇到分界面時能酿成反射的特性,故可选择回波測距意思來間接測量液位,其基本原理如圖一所示。
    E通常被稱作總高,設超聲波的空氣中波速為V,發射時刻兀,收到回波時刻為T,,則液位H可表示為:
    H=EL=E-(V(T1-t0)/2

    超聲波液位計
    1.2液位計超聲波在測量中的衰減
    超聲波在介質中傳播,其能量隨著距離的添加而減小,這種現象稱為超聲波的衰減。超聲波衰減的因素主要有兩類:一類是聲束本身擴散,使單位面積上的能量下落,或反射、散射的結果,使能量不能再沿著的目标傳播,在這一類事变中,超聲波的實際總能量并沒有減少;另一類是,超聲傳播中,由十介質的吸收,聲能轉換成為熱能,是以使聲能減小。后一類的機理比復雜,主要有粘滯吸收、弛豫吸收、運動吸收及空化氣泡吸收等。

    2超聲波液位計在頂蓋液位測量中干撓身分解析及解決辦法
    2. 1干擾因素分析
    由十超聲波液位計本身結構局限性及測量空間區域環境影響,會對液位測量形成干擾,導致測量數據跳變、不穩定,線性度變差,測量干擾主要來源十以下幾個方面:
    y波束角。由十超聲波是散射波,超聲波探頭具有的波束角,那么在較低液位時,液面面積變小,露出水面障礙物如管道、斜面等對超聲波具有很強的回波反射,這樣對液位計輸出的液位信號就產生干擾,影響測量準確性。
    波束角與波束半徑、距離關系為:如圖二所不。
    隨著發射波距離加大,聲波傳送的波束范圍加大,在波束范圍內的任何物件,包含容器壁都會產生反射回波。

    超聲波液位計
    「2」盲區。高液位到超聲液位計探頭外观的距離應大十探頭的盲區。這里需要注意的是:盲區是在愿望的狀態下測得的,因而倘若安裝在封閉的空間,那么盲區值好加大20% o
    「3」水面波動。當機組旋轉時,由十頂蓋內壁方圆有水泵及管路,水流轉沖擊在頂蓋內產生縱向和橫向水流,導致水面波動較大,對超聲波傳感器測量造成干擾。
    「4」水流飛濺。隨水輪機旋轉,機組密封漏水受離心力效用向周围飛濺,對超聲波液位計測量变成干擾。
    「5」探頭振蕩。機組運轉時,頂蓋振動不可避免,探頭安裝緊或探頭側面接觸其它東西,探頭產生余振,諧振特点會改變導致測量不準的“虛假”液位。頂蓋液體外表漂浮有許多雜質和一些泡沫,當水氣聚集在超聲波傳感器下方時,超聲波液位計的輸出會有“虛高”現象發生。
    「7」信號傳輸干擾。為便十水位搜聚,超聲波探頭安裝十頂蓋上,而猴子巖電站設計時將超聲波采集裝置集成在頂蓋排水控制屏柜內,搜罗裝置與探頭間存在的距離,在信號傳輸的過程中,會與其他信號存在互相干擾。
    2. 2解決方案
    經對液位汁測量意思、安裝環境及质料選型反復考究,选取如下解決主意:

    超聲波液位計
    「1」選用導波筒。運用導波筒的目的是使得超聲波只能在管內傳播和反射,大大降低了無用回波的干擾,同時可防备水流飛濺、水面波動等影響。導波筒是一剛性的、壁厚為5 mm、內壁十分平滑的不銹鋼圓筒,根據測量液位高度確定導波筒內徑及長度,其內徑需大十超聲波傳感器測量高度波束直徑。由十導波管相對封閉,在上端部開有八個呼氣導壓微孔,保證筒內與筒外大氣連通,不會酿成筒內液面“虛高”現場。加裝導波管的頂蓋如圖三所示:
    「2」導波筒固定。為減小水流沖擊及機組振動引起超聲波傳感器在連接鋼制套筒內產生共振,影響收集精度,將導波管的上端裝在與頂蓋相配的法蘭上,下端部署在頂蓋底部斜面支撐架上,用螺栓連接,便十拆卸,保證導波筒豎直、牢固,同時在導波筒與支架、超聲波探頭與導波筒間加裝防振墊。
    「3」在導波筒內加裝浮板。為袪除筒內液面波動及液面泡沫對測量精度的影響,減小超聲波回波衰減,在導波筒內加裝返射超聲波的聚丙烯「PP」材料浮板,采用圓形設計,厚度適中,直徑小十導波管內徑。聚丙烯為無毒、無臭、無味的乳白色高結品的聚合物,密度只有0. 90一0. 91 g/cm3cm,是当前所有塑料中輕的品種之一,能浮十頂蓋水面,能有效增強回波反射、吸收液面泡沫的干擾。導波管底部安裝隔離浮板支架,防备在低水位時隔離浮板發片或脫落。
    「4」增加信號障蔽線。為保證超聲波測量信號從探頭裝置穩定可靠,探頭引出線选拔帶有屏障外殼的電纜,灵验避免了與此外信號線及動力纜線之間相互干擾。

    3超聲波檢測頂蓋液位測量系統實際應用
    3. 1測量系統配置
    猴子巖水電站頂蓋水位控制系統裝設有一套超聲波液位計和一套投入式液位傳感器,根據不同的液位,自動啟停排水泵并根據預定邏輯報警,其中停泵水位380 mm,啟土作泵水位750 mm,啟1#備用泵水位850 mm,啟2#備用泵水位950 mm,過高報警水位1 050 mm o
    根據現場環境條件,導波筒設計長度1 330mm,內徑300 mm浮板直徑280 mm厚度10
    超聲波傳感器選用西門子Echomax XPS一10型高頻率超聲波探頭,可用十各種和液體測量,量程:小0. 30 m大10 m;頻率44 kHZ ;波束角60;A=88 mm}B=122 mm,如圖四所示。

    超聲波液位計
    3.2超聲波液位計信號上送
    超聲波采集裝置采用電容式接收回路,通過內部整流輸出4 - 20 mA模擬量。在山公巖的頂蓋水位中,通過超聲波的4一20 mA模擬量,上送至監控系統現地控制單}}; LCU及頂蓋水位控制PLC,進行水位控制并按預定邏輯報警。其接線如圖五所示。
    超聲波液位計

    圖5超聲波采集裝置端子板示意圖
    猴子巖頂蓋水位控制系統屬十機組輔助設備控制系統,設計單獨的PLC「可編程控制器」,為保證水位測量信號上送安全可靠,选取兩種方式上送監控系統現地控制單兒,一種方式是通過網絡通讯上送;另一種方式拔取超聲波4一20 mA模擬量信號上送,為防范回路中“浪涌電流”對其他設備的損壞,信號經過1A的保險,并安裝了施耐德信號防雷器。由十超聲波水位測控裝置只有一起4一 20mA模擬量信號輸出,現場采取Wei-dmuller ACT20P型號的信號隔離器,4一20 mA信號輸出一分為二,沿路信號送頂蓋水位控制系統PLC進行水位控制,另一路則直接通過硬接線「采量」上送監控系統現地控制單}i; LCU進行水位監視,如圖六所示。

    超聲波液位計
    3 .3
    測量系統應用在靜水調整時,位計顯示值調整。超聲波液位計和投入式液3.3.1頂蓋排水泵控制
    通過頂蓋超聲波液位測量系統,將頂蓋液位轉換成4一20 mA模擬量,將4一20 mA模擬量送至頂蓋水位控制系統PLC之后,遵守人為設定的步调邏輯對頂蓋排水泵進行控制,從而達到頂蓋液位有效控制的目的。
    3.3.2機組停機時情況
    在機組停機時,頂蓋水位上漲,超聲波液位計顯示值跳變值未超過1 mm,而投入式液位計顯示值跳變超過5 mm;在頂蓋泵啟動后水位下降,超聲波液位計顯示值着落線性度很好,未見跳變現象。
    3.3.3機組運行時情況
    在機組運行帶三十萬負荷時,現地頂蓋PLC控制屏顯示,頂蓋泵停止運行后,水位緩慢上升,超聲波液位計顯示值上升,波動未超過3mm,而投入式液位計顯示值呈跳躍式上升,波動大超過20 mm。在頂蓋泵啟動運行時,水位緩J漫下落,超聲波液位計顯示值平穩下落,未見跳變現象。
    圖7為2號機上位機頂蓋液位測量趨勢圖。上位機記錄的頂蓋超聲波液位計和投入式液位計液位變化趨勢,圖中紅色和藍色表示超聲波液位計液位變化,綠色表示投入式液位計液位變化。圖示兩路超聲波液位計液位基本重合,液位波動范圍小,而投入式液位計測量液位波動范圍相對較大。

    4結語
    經過對超聲波水位計真理及安裝環境剖析,精心設計安裝方式和實際跟蹤調試,通過改進影響測量精度的单薄環節,頂蓋內復雜土況下的大部分干擾被成功按捺,液位數據采撷準確、穩定,現場運行平穩。而且,從頂蓋超聲波液位測量原理、控制過程、抗干擾優化及平素水位控制效果四個方面,對頂蓋超聲波液位測量在猴子巖水電站的實際應用進行解析研究,赢得了少许有價值的成效,對頂蓋水位的控制以及水淹廠房的事故預防具有重要意義。


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