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超聲波液位計在測量水電站機(jī)組頂蓋水位數(shù)據(jù)中的應(yīng)用
液位測量在土業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為少’一泛，準(zhǔn)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(jī)組頂蓋液位測量土況十分復(fù)雜,，頂蓋內(nèi)水位波動較大,，水花飛濺，對液位測量準(zhǔn)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(diǎn)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(jī)組頂蓋水位進(jìn)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(shè)超聲波的空氣中波速為V,，發(fā)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
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(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的方向傳播,，在這一類事件中，超聲波的實(shí)際總能量并沒有減少;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,、相對運(yùn)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
由十超聲波液位計自身結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(qiáng)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(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，包括容器壁都會產(chǎn)生反射回波,。 
(2)盲區(qū),。高液位到超聲液位計探頭表面的距離應(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)下測得的,，因此如果安裝在封閉的空間,，那么盲區(qū)值加大20% o
(3)水面波動。當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時,，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)致水面波動較大,，對超聲波傳感器測量造成干擾,。
(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,，對超聲波液位計測量造成干擾。
(5)探頭振蕩,。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時,，頂蓋振動不可避免,，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,，諧振特性會改變導(dǎo)致測量不準(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,，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(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,，大大降低了無用回波的干擾,，同時也可防止水流飛濺、水面波動等影響,。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)測量液位高度確定導(dǎo)波筒內(nèi)徑及長度,，其內(nèi)徑需大十超聲波傳感器測量高度波束直徑。由十導(dǎo)波管相對封閉,，在上端部開有8個呼氣導(dǎo)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(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)液面波動及液面泡沫對測量精度的影響,，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,，厚度適中,，直徑略小十導(dǎo)波管內(nèi)徑。聚丙烯為無毒,、無臭,、無味的乳白色高結(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,，防止在低水位時隔離浮板發(fā)片或脫落,。
(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(shí)際應(yīng)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(shè)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(yù)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(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件,，導(dǎo)波筒設(shè)計長度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)計單獨(dú)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)地控制單兒,，一種方式是通過網(wǎng)絡(luò)通信上送;另一種方式采用超聲波4一20 mA模擬量信號上送,，為防止回路中“浪涌電流”對其他設(shè)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,。由十超聲波水位測控裝置只有一路4一 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4一20 mA信號輸出一分為二,，一路信號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
測量系統(tǒng)應(yīng)用在靜水調(diào)整時，位計顯示值調(diào)整一致,。將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(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)時情況
在機(jī)組停機(jī)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(jī)組運(yùn)行時情況
在機(jī)組運(yùn)行帶30萬負(fù)荷時,，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,，波動大超過20 mm,。在頂蓋泵啟動運(yùn)行時，水位緩J漫下降,，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(jī)上位機(jī)頂蓋液位測量趨勢圖。上位機(jī)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(lán)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(jié)語
經(jīng)過對超聲波水位計原理及安裝環(huán)境分析,，精心設(shè)計安裝方式和實(shí)際跟蹤調(diào)試,，通過改進(jìn)影響測量精度的薄弱環(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)場運(yùn)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(shí)際應(yīng)用進(jìn)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(yù)防具有重要意義,。