引 言

液位測量在工業(yè)生產(chǎn)中應用極為廣泛，準確的液位測量是生產(chǎn)過程控制的重要手段，在水電行業(yè)的檢測中更是如此。目前常用的液位測量主要采用直讀法、浮力法、差壓法等。水電站機組頂蓋液位測量工況十分復雜，頂蓋內(nèi)水位波動較大，水花飛濺，對液位測量準確性產(chǎn)生很大的影響。一般的液位測量方法，如采用投入式的液位傳感器測量頂蓋內(nèi)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(chǎn)生測量誤差;而采用超聲波液位計測量頂蓋水位，方法簡單，探頭不直接與介質(zhì)接觸，但其缺點也很明顯，容易受頂蓋振動、水位波動等環(huán)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都得到很好的兼顧，滿足生產(chǎn)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(zhì)中傳播時，有較好的方向性，波速與普通聲波相同，具有傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時能形成反射的特性，故可采用回波測距原理來間接測量液位，其基本原理如圖1 所示。E 通常被稱作總高，設超聲波的空氣中波速為 V，發(fā)射時刻 T 0 ，收到回波時刻為 T 1 ，則液位 H可表示為:

1． 2 液位計超聲波在測量中的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現(xiàn)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降，或反射、散射的結果，使能量不能再沿著原來的方向傳播，在這一類事件中，超聲波的實際總能量并沒有減少;另一類是，超聲傳播中，由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)換成為熱能，因而使聲能減小。后一類的機理比較復雜，主要有粘滯吸收、弛豫吸收、相對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因素分析及解決辦法

2． 1 干擾因素分析

由于超聲波液位計自身結構局限性及測量空間區(qū)域環(huán)境影響，均會對液位測量造成干擾，導致測量數(shù)據(jù)跳變、不穩(wěn)定，線性度變差，測量干擾主要來源于以下幾個方面:

(1)波束角。由于超聲波是散射波，超聲波探頭具有一定的波束角，那么在較低液位時，液面面積變小，露出水面障礙物如管道和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(chǎn)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 2 所示。

隨著發(fā)射波距離加大，聲波傳送的波束范圍也加大，在波束范圍內(nèi)的任何物件，包括容器壁都會產(chǎn)生反射回波。

 

(2)盲區(qū)。zui高液位到超聲液位計探頭表面的距離應大于探頭的盲區(qū)。這里需要注意的是:盲區(qū)是在比較理想的狀態(tài)下測得的，因此如果安裝在封閉的空間，那么盲區(qū)值zui好加大 20%。

(3)水面波動。當機組旋轉(zhuǎn)時，由于頂蓋內(nèi)壁四周有水泵及管路，水流旋轉(zhuǎn)沖擊在頂蓋內(nèi)產(chǎn)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(zhuǎn)，機組密封漏水受離心力作用向四周飛濺，對超聲波液位計測量造成干擾。

(5)探頭振蕩。機組運轉(zhuǎn)時，頂蓋振動不可避免，探頭安裝太緊或探頭側面接觸其它東西，探頭產(chǎn)生余振，諧振特性會改變導致測量不準。

(6)“虛假”液位。頂蓋液體表面漂浮有許多雜質(zhì)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經(jīng)常會有“虛高”現(xiàn)象發(fā)生。

(7)信號傳輸干擾。為便于水位采集，超聲波探頭安裝于頂蓋上，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(nèi)，采集裝置與探頭間存在一定的距離，在信號傳輸?shù)倪^程中，難免會與其他信號存在相互干擾。

 

2． 2 解決方案

經(jīng)對液位汁測量原理、安裝環(huán)境及材料選型反復研究，采取如下解決方法:

(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(nèi)傳播和反射，大大降低了無用回波的干擾，同時也可防止水流飛濺、水面波動等影響。導波筒是一剛性的、壁厚為 5 mm、內(nèi)壁十分光滑的不銹鋼圓筒，根據(jù)測量液位高度確定導波筒內(nèi)徑及長度，其內(nèi)徑需大于超聲波傳感器測量高度波束直徑。由于導波管相對封閉，在上端部開有 8 個呼氣導壓微孔，保證筒內(nèi)與筒外大氣連通，不會造成筒內(nèi)液面“虛高”現(xiàn)場。加裝導波管的頂蓋如圖 3 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(nèi)產(chǎn)生共振，影響采集精度，將導波管的上端裝在與頂蓋相配的法蘭上，下端安置在頂蓋底部斜面支撐架上，用螺栓連接，便于拆卸，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均加裝防振墊。

 

(3)在導波筒內(nèi)加裝浮板。為消除筒內(nèi)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(nèi)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，直徑略小于導波管內(nèi)徑。聚丙烯為無毒、無臭、無味的乳白色高結晶的聚合物，密度只有 0． 90 － 0． 91 g/cm 3 ，是目前所有塑料中zui輕的品種之一，能浮于頂蓋水面，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，防止在低水位時隔離浮板發(fā)卡或脫落。

(4)增加信號屏蔽線。為保證超聲波測量信號從探頭到裝置穩(wěn)定可靠，探頭引出線采用帶有屏蔽外殼的電纜，有效避免了與其余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(tǒng)實際應用

3． 1 測量系統(tǒng)配置

猴子巖水電站頂蓋水位控制系統(tǒng)裝設有一套超聲波液位計和一套投入式液位傳感器，根據(jù)不同的液位，自動啟停排水泵并根據(jù)預定邏輯報警，其中停泵水位 380 mm、啟工作泵水位 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。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，導波筒設計長度 1 330mm，內(nèi)徑 300 mm，浮板直徑 280 mm，厚度 10mm。

 

超聲波傳感器選用西門子 Echomax XPS －10型高頻率超聲波探頭，可用于各種固體和液體測量，量程:zui小 0． 30 m，zui大 10 m;頻率 44 kHZ;波束角 6°;A =88 mm，B =122 mm，如圖 4 所示。

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(nèi)部整流輸出 4 －20 mA 模擬量。在猴子巖的頂蓋水位中，通過將超聲波的 4 －20 mA 模擬量，上送至監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元 LCU 及頂蓋水位控制 PLC，進行水位控制并按預定邏輯報警。其具體接線如圖 5 所示。

猴子巖頂蓋水位控制系統(tǒng)屬于機組輔助設備控制系統(tǒng)，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，采用兩種方式上送監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元，一種方式是通過網(wǎng)絡通信上送;另一種方式采用超聲波 4 －20mA模擬量信號上送，為防止回路中“浪涌電流”對其他設備的損壞，信號經(jīng)過 1A 的保險，并安裝了施耐德信號防雷器。由于超聲波水位測控裝置只有一路 4 － 20mA 模擬量信號輸出，現(xiàn)場采用 Wei-dmuller ACT20P 型號的信號隔離器，將 4 － 20mA信號輸出一分為二，一路信號送頂蓋水位控制系統(tǒng) PLC 進行水位控制，另一路則直接通過硬接線(直采量)上送監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元 LCU 進行水位監(jiān)視，如圖 6 所示。

3． 3 測量系統(tǒng)應用

在靜水調(diào)整時，將超聲波液位計和投入式液位計顯示值調(diào)整一致。

 

3． 3． 1 頂蓋排水泵控制

通過頂蓋超聲波液位測量系統(tǒng)，將頂蓋液位轉(zhuǎn)換成 4 －20 mA 模擬量，再將 4 －20 mA 模擬量送至頂蓋水位控制系統(tǒng) PLC 之后，按照人為設定的程序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，頂蓋水位緩慢上漲，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下降線性度很好，未見跳變現(xiàn)象。

 

3． 3． 3 機組運行時情況

在機組運行帶 30 萬負荷時，現(xiàn)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逐漸上升，波動未超過 3mm，而投入式液位計顯示值呈跳躍式上升，波動zui大超過 20 mm。在頂蓋泵啟動運行時，水位緩慢下降，超聲波液位計顯示值逐漸平穩(wěn)下降，未見跳變現(xiàn)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，液位波動范圍較小，而投入式液位計測量液位波動范圍相對較大。

 

4 結 語

經(jīng)過對超聲波水位計原理及安裝環(huán)境分析，精心設計安裝方式和實際跟蹤調(diào)試，通過改進影響測量精度的薄弱環(huán)節(jié)，頂蓋內(nèi)復雜工況下的大部分干擾被成功抑制，液位數(shù)據(jù)采集準確、穩(wěn)定，現(xiàn)場運行平穩(wěn)。并且，從頂蓋超聲波液位測量原理、控制過程、抗干擾優(yōu)化及日常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分析研究，取得了一些有價值的成果，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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