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簡述壓阻投入式液位變送器在水文自動測報系統(tǒng)中的應(yīng)用
發(fā)表時間：2018-07-21 ??點擊次數(shù)：979? 技術(shù)支持：1560-1403-222
本文前言
云峰發(fā)電廠衛(wèi)星水文自動測報系統(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個水文遙測站與集安市水文自動測報中心站之間提供穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，保證水文數(shù)據(jù)準確無誤，為云峰發(fā)電廠水庫調(diào)度提供及時的數(shù)據(jù)信息。
云峰衛(wèi)星水文自動測報系統(tǒng)采用國內(nèi)移動衛(wèi)星組織的Inmarsat-C業(yè)務(wù)類型，利用衛(wèi)星作為中心站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，實現(xiàn)云峰流域各遙測站與測報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、24V專 用電源X型終端、天線等組成；C型遙測站由雨量傳感器、水位傳感器、人工置數(shù)器、RTU控制器、C型終端、天線、蓄電池、防過充控制器、太陽能光板等組成。云峰水文自動測報系統(tǒng)對水位傳感器的設(shè)計要求是:
①結(jié)構(gòu)合理、信號穩(wěn)定，可現(xiàn)場使用和自動控制；
②電纜長度可選擇200m?300m;
③能長期投人水中使用，使用溫度為－40°C?40°C;
④傳感器精度即測童、收集水文信息的精度，是整個測報系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)終水文預(yù)報的精度*故精度要求高；
⑤傳感器精度由傳感器分辨率和測景精度表示，系統(tǒng)要求傳感器分辨率為1cm，水位測量**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行水位測量。
1工作原理
壓阻投入式液位變送器在云峰水文自動測報系統(tǒng)水位遙測站運行過程中起到了關(guān)鍵作用，為水庫調(diào)度、洪水預(yù)報提供了及時、準確的水位數(shù)據(jù)。該變送器是一種全封閉、潛入式擴散硅液位測量儀表，由10系列壓阻式OEM傳感器及高精度的變送器專路裝入一個不銹鋼殼體組成。一體化的結(jié)構(gòu)和標準化的輸出信號，為現(xiàn)場使用和自動控制提供了方便。變送器頂部的鋼帽一方面起保護傳感器膜片的作用，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)，可長期投入水中運行。
壓阻投入式液位變送器的測元件是一個壓阻式傳感器，它利用半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)實現(xiàn)壓力與電信號的轉(zhuǎn)換。被測液體的壓力作用到不銹鋼膜片上，通過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（見圖1)，敏感芯片通過導(dǎo)線與變送器專用放大電路連接（見圖2),由于敏感芯片上的惠斯登電橋達到很高的一致性，使輸出的電信號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)生一個與壓力成正比的髙度線性的、與激勵電壓也成正比的電流信號，來實現(xiàn)對水位壓力的準確測量。
簡言之，變送器對液位的測量，就是把與液體深度成正比的液體靜壓力通過變送器轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，從而建立起輸出信號與液體深度的線性對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)對液位（即液體深度）的測a(見圖3)，計算公式如下：
p=rh
式中：p為變送器在測量點受到的液體靜壓力；r為液體的比重; r為測量點至液面的深度，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量程輸出可達10010mV，使它的分辨率大大提高，信號輸出穩(wěn)定，特別是在零點附近的低量程段無死區(qū)，且線性良好。該變送器精度較高，在傳感器芯體上對壓力感受、敏感轉(zhuǎn)換和檢測3個部分由同一個元件來實現(xiàn)，沒有中間環(huán)節(jié)，所以，重復(fù)性和遲滯等誤差極小;同時，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僅為萬分之一以下，使它的綜合靜態(tài)精度相對較高。傳感器采用的部分硅元件彈性薄膜在工作時形變?yōu)閬單⒚讛?shù)量級，因而無磨損、無疲勞、無老化，壽命長達107壓力循環(huán)次，且體積小、重量輕、固有頻率高，在動態(tài)應(yīng)用中，可達到較寬的頻帶范圍。
壓阻投入式液位變送器的主要技術(shù)指標如下。量程為20mH20;輸出信號為4mA?20mADC;供電電源為15V?30VDC;靈敏度為(X8mA/mH20;非線性為小于士0.5%滿量程;工作溫度為0°C?50°C;負載為小于—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變送器的影響。
3安裝和應(yīng)用
該變送器用于水文自動測報系統(tǒng)中河道水位的測量，安裝前應(yīng)注意檢査安裝地點的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會超過變送器量程、所測河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
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進水管，進水管方向以順河道水流方向為宜，其長度可按實際情況適當選擇，進水管末端需要做好阻尼層，以阻尼水波和消除動水壓力的影響，又能起到過濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
4實際工作情況
該變送器用于水文自動測報系統(tǒng)中河道水位的測量, 安裝前應(yīng)注意檢查安裝地點的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會超過變送器的量程、所測河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
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進水管, 進水管方向以順河道水流方向為宜, 其長度可按實際情況適當選擇, 進水管末端需要做好阻尼層, 以阻尼水波和消除動水壓力的影響, 又能起到過濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
在該變送器的安裝過程中，我們采用了以下經(jīng)驗措施，來保證安裝工作和變送器運行的順利、穩(wěn)定：
①在變送器的探頭上加固一個保護套筒，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采用鐵管來保護變送器電纜；
④在變送器電纜外皮上纏繞一層塑料套管，以避免在檢修時磨損電纜外皮，造成電纜和變送器短路；
⑤由于水位測量點距控制設(shè)備較遠，所需變送器電纜較長，在中間的合適位置建一個工作檢查井，以便于維修。
上一條：破局進口儀表壟斷 國產(chǎn)儀表未來路漫漫其修遠
下一條：簡化科研儀器采購流程 為科技插上騰飛的“雙翼”
云峰發(fā)電廠衛(wèi)星水文自動測報系統(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個水文遙測站與集安市水文自動測報中心站之間提供穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，保證水文數(shù)據(jù)準確無誤，為云峰發(fā)電廠水庫調(diào)度提供及時的數(shù)據(jù)信息。
云峰衛(wèi)星水文自動測報系統(tǒng)采用國內(nèi)移動衛(wèi)星組織的Inmarsat-C業(yè)務(wù)類型，利用衛(wèi)星作為中心站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，實現(xiàn)云峰流域各遙測站與測報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、24V專 用電源X型終端、天線等組成；C型遙測站由雨量傳感器、水位傳感器、人工置數(shù)器、RTU控制器、C型終端、天線、蓄電池、防過充控制器、太陽能光板等組成。云峰水文自動測報系統(tǒng)對水位傳感器的設(shè)計要求是:
①結(jié)構(gòu)合理、信號穩(wěn)定，可現(xiàn)場使用和自動控制；
②電纜長度可選擇200m?300m;
③能長期投人水中使用，使用溫度為－40°C?40°C;
④傳感器精度即測童、收集水文信息的精度，是整個測報系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)終水文預(yù)報的精度*故精度要求高；
⑤傳感器精度由傳感器分辨率和測景精度表示，系統(tǒng)要求傳感器分辨率為1cm，水位測量**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行水位測量。
1工作原理
壓阻投入式液位變送器在云峰水文自動測報系統(tǒng)水位遙測站運行過程中起到了關(guān)鍵作用，為水庫調(diào)度、洪水預(yù)報提供了及時、準確的水位數(shù)據(jù)。該變送器是一種全封閉、潛入式擴散硅液位測量儀表，由10系列壓阻式OEM傳感器及高精度的變送器專路裝入一個不銹鋼殼體組成。一體化的結(jié)構(gòu)和標準化的輸出信號，為現(xiàn)場使用和自動控制提供了方便。變送器頂部的鋼帽一方面起保護傳感器膜片的作用，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)，可長期投入水中運行。
壓阻投入式液位變送器的測元件是一個壓阻式傳感器，它利用半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)實現(xiàn)壓力與電信號的轉(zhuǎn)換。被測液體的壓力作用到不銹鋼膜片上，通過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（見圖1)，敏感芯片通過導(dǎo)線與變送器專用放大電路連接（見圖2),由于敏感芯片上的惠斯登電橋達到很高的一致性，使輸出的電信號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)生一個與壓力成正比的髙度線性的、與激勵電壓也成正比的電流信號，來實現(xiàn)對水位壓力的準確測量。
簡言之，變送器對液位的測量，就是把與液體深度成正比的液體靜壓力通過變送器轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，從而建立起輸出信號與液體深度的線性對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)對液位（即液體深度）的測a(見圖3)，計算公式如下：
p=rh
式中：p為變送器在測量點受到的液體靜壓力；r為液體的比重; r為測量點至液面的深度，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量程輸出可達10010mV，使它的分辨率大大提高，信號輸出穩(wěn)定，特別是在零點附近的低量程段無死區(qū)，且線性良好。該變送器精度較高，在傳感器芯體上對壓力感受、敏感轉(zhuǎn)換和檢測3個部分由同一個元件來實現(xiàn)，沒有中間環(huán)節(jié)，所以，重復(fù)性和遲滯等誤差極小;同時，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僅為萬分之一以下，使它的綜合靜態(tài)精度相對較高。傳感器采用的部分硅元件彈性薄膜在工作時形變?yōu)閬單⒚讛?shù)量級，因而無磨損、無疲勞、無老化，壽命長達107壓力循環(huán)次，且體積小、重量輕、固有頻率高，在動態(tài)應(yīng)用中，可達到較寬的頻帶范圍。
壓阻投入式液位變送器的主要技術(shù)指標如下。量程為20mH20;輸出信號為4mA?20mADC;供電電源為15V?30VDC;靈敏度為(X8mA/mH20;非線性為小于士0.5%滿量程;工作溫度為0°C?50°C;負載為小于—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變送器的影響。
3安裝和應(yīng)用
該變送器用于水文自動測報系統(tǒng)中河道水位的測量，安裝前應(yīng)注意檢査安裝地點的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會超過變送器量程、所測河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
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進水管，進水管方向以順河道水流方向為宜，其長度可按實際情況適當選擇，進水管末端需要做好阻尼層，以阻尼水波和消除動水壓力的影響，又能起到過濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
4實際工作情況
該變送器用于水文自動測報系統(tǒng)中河道水位的測量, 安裝前應(yīng)注意檢查安裝地點的水體可能產(chǎn)生的靜壓力是否會超過變送器的量程、所測河水是否與變送器的結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
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進水管, 進水管方向以順河道水流方向為宜, 其長度可按實際情況適當選擇, 進水管末端需要做好阻尼層, 以阻尼水波和消除動水壓力的影響, 又能起到過濾濁水泥沙的作用。安裝方式如圖6所示。
在該變送器的安裝過程中，我們采用了以下經(jīng)驗措施，來保證安裝工作和變送器運行的順利、穩(wěn)定：
①在變送器的探頭上加固一個保護套筒，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采用鐵管來保護變送器電纜；
④在變送器電纜外皮上纏繞一層塑料套管，以避免在檢修時磨損電纜外皮，造成電纜和變送器短路；
⑤由于水位測量點距控制設(shè)備較遠，所需變送器電纜較長，在中間的合適位置建一個工作檢查井，以便于維修。
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