超聲波液位計在猴子巖水電站機組頂蓋水位測量中的應用

 

引 言

液位測量在工業生產中應用極為廣泛，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。一般的液位測量方法，如采用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，探頭不直接與介質接觸，但其缺點也很明顯，容易受頂蓋振動、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都得到很好的兼顧，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

超聲波在介質中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，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，由于介質的吸收，將聲能轉換成為熱能，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域環境影響，均會對液位測量造成干擾，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。

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

 

(2)盲區。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。這里需要注意的是:盲區是在比較理想的狀態下測得的，因此如果安裝在封閉的空間，那么盲區值zui好加大 20%。

(3)水面波動。當機組旋轉時，由于頂蓋內壁四周有水泵及管路，水流旋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常會有“虛高”現象發生。

(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，采集裝置與探頭間存在一定的距離，在信號傳輸的過程中，難免會與其他信號存在相互干擾。

 

2． 2 解決方案

經對液位汁測量原理、安裝環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、內壁十分光滑的不銹鋼圓筒，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，保證筒內與筒外大氣連通，不會造成筒內液面“虛高”現場。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產生共振，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)在導波筒內加裝浮板。為消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，直徑略小于導波管內徑。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 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，上送至監控系統現地控制單元 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屬于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，采用兩種方式上送監控系統現地控制單元，一種方式是通過網絡通信上送;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 PLC 進行水位控制，另一路則直接通過硬接線(直采量)上送監控系統現地控制單元 LCU 進行水位監視，如圖 6 所示。

3． 3 測量系統應用

在靜水調整時，將超聲波液位計和投入式液位計顯示值調整一致。

 

3． 3． 1 頂蓋排水泵控制

通過頂蓋超聲波液位測量系統，將頂蓋液位轉換成 4 －20 mA 模擬量，再將 4 －20 mA 模擬量送至頂蓋水位控制系統 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，未見跳變現象。

 

3． 3． 3 機組運行時情況

在機組運行帶 30 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下降，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

經過對超聲波水位計原理及安裝環境分析，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薄弱環節，頂蓋內復雜工況下的大部分干擾被成功抑制，液位數據采集準確、穩定，現場運行平穩。并且，從頂蓋超聲波液位測量原理、控制過程、抗干擾優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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