液位測(cè)量在土業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為少’一泛，準(zhǔn)確的液位測(cè)量是生產(chǎn)過(guò)程控制的重要手段，在水電行業(yè)的檢測(cè)中更是如此。目前常用的液位測(cè)量主要采用直讀法、浮力法、差壓法等。水電站機(jī)組頂蓋液位測(cè)量土況十分復(fù)雜，頂蓋內(nèi)水位波動(dòng)較大，水花飛濺，對(duì)液位測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響。一般的液位測(cè)量方法，如采用投入式的液位傳感器測(cè)量頂蓋內(nèi)水位，存在傳感器底部泥沙淤積，堵塞傳感器測(cè)壓孔，易使傳感器損壞，產(chǎn)生測(cè)量誤差;而采用超聲波液位計(jì)測(cè)量頂蓋水位，方法簡(jiǎn)單，探頭不直接與介質(zhì)接觸，但其缺點(diǎn)也很明顯，容易受頂蓋振動(dòng)、水位波動(dòng)等環(huán)境干擾。本文針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)量機(jī)組頂蓋水位進(jìn)行研究，提出有效可行的解決方案，使測(cè)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(jì)

 

1.1超聲波液位計(jì)測(cè)量液位原理

 

       超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，有較好的方向性，波速與普通聲波相同，具有傳播過(guò)程中能量損失較少，遇到分界面時(shí)能形成反射的特性，故可采用回波測(cè)距原理來(lái)間接測(cè)量液位，其基本原理如圖1所示。

 

       E通常被稱作總高，設(shè)超聲波的空氣中波速為V，發(fā)射時(shí)刻兀，收到回波時(shí)刻為T,，則液位H可表示為:

 

       H=EL=E-(V(T1-t0)/2

 

1.2、液位計(jì)超聲波在測(cè)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(kuò)散，使單位面積上的能量下降，或反射、散射的結(jié)果，使能量不能再沿著原來(lái)的方向傳播，在這一類事件中，超聲波的實(shí)際總能量并沒(méi)有減少;另一類是，超聲傳播中，由十介質(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(jī)理比較復(fù)雜，主要有粘滯吸收、弛豫吸收、相對(duì)運(yùn)動(dòng)吸收及空化氣泡吸收等。

 

2、超聲波液位計(jì)在頂蓋液位測(cè)量中干撓因素分析及解決辦法

 

2. 1干擾因素分析

 

       由十超聲波液位計(jì)自身結(jié)構(gòu)局限性及測(cè)量空間區(qū)域環(huán)境影響，均會(huì)對(duì)液位測(cè)量造成干擾，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)跳變、不穩(wěn)定，線性度變差，測(cè)量干擾主要來(lái)源十以下幾個(gè)方面:

 

      （1）波束角。由十超聲波是散射波，超聲波探頭具有一定的波束角，那么在較低液位時(shí)，液面面積變小，露出水面障礙物如管道和斜面等對(duì)超聲波具有很強(qiáng)的回波反射，這樣對(duì)液位計(jì)輸出的液位信號(hào)就產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量準(zhǔn)確性。

 

       波束角與波束半徑、距離關(guān)系為:如圖2所不。

       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(huì)產(chǎn)生反射回波。

 

 

      (2)盲區(qū)。非常高液位到超聲液位計(jì)探頭表面的距離應(yīng)大十探頭的盲區(qū)。這里需要注意的是:盲區(qū)是在比較理想的狀態(tài)下測(cè)得的，因此如果安裝在封閉的空間，那么盲區(qū)值非常好加大20% o

 

      (3)水面波動(dòng)。當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，由十頂蓋內(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(dǎo)致水面波動(dòng)較大，對(duì)超聲波傳感器測(cè)量造成干擾。

 

      (4)水流飛濺。隨水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，機(jī)組密封漏水受離心力作用向四周飛濺，對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)量造成干擾。

 

      (5)探頭振蕩。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，頂蓋振動(dòng)不可避免，探頭安裝太緊或探頭側(cè)面接觸其它東西，探頭產(chǎn)生余振，諧振特性會(huì)改變導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)的“虛假”液位。頂蓋液體表面漂浮有許多雜質(zhì)和一些泡沫，當(dāng)水氣聚集在超聲波傳感器下方時(shí)，超聲波液位計(jì)的輸出經(jīng)常會(huì)有“虛高”現(xiàn)象發(fā)生。

 

      (7)信號(hào)傳輸干擾。為便十水位采集，超聲波探頭安裝十頂蓋上，而猴子巖電站設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，難免會(huì)與其他信號(hào)存在相互干擾。

 

2. 2解決方案

 

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

 

      (1)選用導(dǎo)波筒。運(yùn)用導(dǎo)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(wú)用回波的干擾，同時(shí)也可防止水流飛濺、水面波動(dòng)等影響。導(dǎo)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(cè)量液位高度確定導(dǎo)波筒內(nèi)徑及長(zhǎng)度，其內(nèi)徑需大十超聲波傳感器測(cè)量高度波束直徑。由十導(dǎo)波管相對(duì)封閉，在上端部開(kāi)有8個(gè)呼氣導(dǎo)壓微孔，保證筒內(nèi)與筒外大氣連通，不會(huì)造成筒內(nèi)液面“虛高”現(xiàn)場(chǎng)。加裝導(dǎo)波管的頂蓋如圖3所示:

      (2)導(dǎo)波筒固定。為減小水流沖擊及機(jī)組振動(dòng)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(dǎo)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，便十拆卸，保證導(dǎo)波筒豎直、牢固，同時(shí)在導(dǎo)波筒與支架、超聲波探頭與導(dǎo)波筒間均加裝防振墊。

 

      (3)在導(dǎo)波筒內(nèi)加裝浮板。為消除筒內(nèi)液面波動(dòng)及液面泡沫對(duì)測(cè)量精度的影響，減小超聲波回波衰減，在導(dǎo)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(shè)計(jì)，厚度適中，直徑略小十導(dǎo)波管內(nèi)徑。聚丙烯為無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)味的乳白色高結(jié)品的聚合物，密度只有0. 90一0. 91 g/cm3cm，是目前所有塑料中非常輕的品種之一，能浮十頂蓋水面，能有效增強(qiáng)回波反射、吸收液面泡沫的干擾。導(dǎo)波管底部安裝隔離浮板支架，防止在低水位時(shí)隔離浮板發(fā)片或脫落。

 

      (4)增加信號(hào)屏蔽線。為保證超聲波測(cè)量信號(hào)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(hào)線及動(dòng)力纜線之間相互干擾。

 

3超聲波檢測(cè)頂蓋液位測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

 

3. 1測(cè)量系統(tǒng)配置

 

      猴子巖水電站頂蓋水位控制系統(tǒng)裝設(shè)有一套超聲波液位計(jì)和一套投入式液位傳感器，根據(jù)不同的液位，自動(dòng)啟停排水泵并根據(jù)預(yù)定邏輯報(bào)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(guò)高報(bào)警水位1 050 mm 。

 

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，導(dǎo)波筒設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 330mm，內(nèi)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，可用十各種固體和液體測(cè)量，量程:非常小0. 30 m非常大10 m;頻率44 kHZ ;波束角60;A=88 mm}B=122 mm，如圖4所示。

3.2超聲波液位計(jì)信號(hào)上送

 

      超聲波采集裝置采用電容式接收回路，通過(guò)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(guò)將超聲波的4一20 mA模擬量，上送至監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單}}; LCU及頂蓋水位控制PLC，進(jìn)行水位控制并按預(yù)定邏輯報(bào)警。其具體接線如圖5所示。

 

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(tǒng)屬十機(jī)組輔助設(shè)備控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)單獨(dú)的PLC(可編程控制器)，為保證水位測(cè)量信號(hào)上送安全可靠，采用兩種方式上送監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單兒，一種方式是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信上送;另一種方式采用超聲波4一20 mA模擬量信號(hào)上送，為防止回路中“浪涌電流”對(duì)其他設(shè)備的損壞，信號(hào)經(jīng)過(guò)1A的保險(xiǎn)，并安裝了施耐德信號(hào)防雷器。由十超聲波水位測(cè)控裝置只有一路4一 20mA模擬量信號(hào)輸出，現(xiàn)場(chǎng)采用Wei-dmuller ACT20P型號(hào)的信號(hào)隔離器，將4一20 mA信號(hào)輸出一分為二，一路信號(hào)送頂蓋水位控制系統(tǒng)PLC進(jìn)行水位控制，另一路則直接通過(guò)硬接線(直采量)上送監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單}i; LCU進(jìn)行水位監(jiān)視，如圖6所示。

3 .3測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

      在靜水調(diào)整時(shí)，位計(jì)顯示值調(diào)整一致。將超聲波液位計(jì)和投入式液3.3.1頂蓋排水泵控制

 

      通過(guò)頂蓋超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)，將頂蓋液位轉(zhuǎn)換成4一20 mA模擬量，再將4一20 mA模擬量送至頂蓋水位控制系統(tǒng)PLC之后，按照人為設(shè)定的程序邏輯對(duì)頂蓋排水泵進(jìn)行控制，從而達(dá)到頂蓋液位有效控制的目的。

 

3.3.2機(jī)組停機(jī)時(shí)情況

 

在機(jī)組停機(jī)時(shí)，頂蓋水位緩慢上漲，超聲波液位計(jì)顯示值跳變值未超過(guò)1 mm，而投入式液位計(jì)顯示值跳變超過(guò)5 mm;在頂蓋泵啟動(dòng)后水位下降，超聲波液位計(jì)顯示值下降線性度很好，未見(jiàn)跳變現(xiàn)象。

 

3.3.3機(jī)組運(yùn)行時(shí)情況

 

      在機(jī)組運(yùn)行帶30萬(wàn)負(fù)荷時(shí)，現(xiàn)地頂蓋PLC控制屏顯示，頂蓋泵停止運(yùn)行后，水位緩慢上升，超聲波液位計(jì)顯示值逐漸上升，波動(dòng)未超過(guò)3mm，而投入式液位計(jì)顯示值呈跳躍式上升，波動(dòng)非常大超過(guò)20 mm。在頂蓋泵啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，水位緩J漫下降，超聲波液位計(jì)顯示值逐漸平穩(wěn)下降，未見(jiàn)跳變現(xiàn)象。

圖7為2號(hào)機(jī)上位機(jī)頂蓋液位測(cè)量趨勢(shì)圖。

 

      上位機(jī)記錄的頂蓋超聲波液位計(jì)和投入式液位計(jì)液位變化趨勢(shì)，圖中紅色和藍(lán)色表示超聲波液位計(jì)液位變化，綠色表示投入式液位計(jì)液位變化。圖示兩路超聲波液位計(jì)液位基本重合，液位波動(dòng)范圍較小，而投入式液位計(jì)測(cè)量液位波動(dòng)范圍相對(duì)較大。

 

4結(jié)語(yǔ)

 

      經(jīng)過(guò)對(duì)超聲波水位計(jì)原理及安裝環(huán)境分析，精心設(shè)計(jì)安裝方式和實(shí)際跟蹤調(diào)試，通過(guò)改進(jìn)影響測(cè)量精度的薄弱環(huán)節(jié)，頂蓋內(nèi)復(fù)雜土況下的大部分干擾被成功抑制，液位數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行平穩(wěn)。并且，從頂蓋超聲波液位測(cè)量原理、控制過(guò)程、抗干擾優(yōu)化及日常水位控制效果四個(gè)方面，對(duì)頂蓋超聲波液位測(cè)量在猴子巖水電站的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析研究，取得了一些有價(jià)值的成果，對(duì)頂蓋水位的控制以及水淹廠房的事故預(yù)防具有重要意義。