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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中的應用
發表時間：2018-07-21 ??點擊次數：961? 技術支持：1560-1403-222
本文前言
云峰發電廠衛星水文自動測報系統建成于1996年。該系統在中朝界河鴨綠江上游面積為17165km2的云峰流域內，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定、可靠的數據傳輸通道，保證水文數據準確無誤，為云峰發電廠水庫調度提供及時的數據信息。
云峰衛星水文自動測報系統采用國內移動衛星組織的Inmarsat-C業務類型，利用衛星作為中心站轉發無線電波，實現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對水位傳感器的設計要求是:
①結構合理、信號穩定，可現場使用和自動控制；
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，是整個測報系統精度的基礎，直接影響系統終水文預報的精度*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，系統要求傳感器分辨率為1cm，水位測量**誤差小于3cm的概率應大于95%。據此，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水位遙測站運行過程中起到了關鍵作用，為水庫調度、洪水預報提供了及時、準確的水位數據。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。一體化的結構和標準化的輸出信號，為現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，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，它利用半導體硅材料的壓阻效應實現壓力與電信號的轉換。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系，再加上半導體硅材料的壓阻效應，使電橋產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關系，實現對液位（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定，靈敏度高，一般金屬應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，信號輸出穩定，特別是在零點附近的低量程段無死區，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、敏感轉換和檢測3個部分由同一個元件來實現，沒有中間環節，所以，重復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為亞微米數量級，因而無磨損、無疲勞、無老化，壽命長達107壓力循環次，且體積小、重量輕、固有頻率高，在動態應用中，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構較精密，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安裝和應用
該變送器用于水文自動測報系統中河道水位的測量，安裝前應注意檢査安裝地點的水體可能產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構材料相適應、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
變送器的安裝方向應該為垂直向下。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中河道水位的測量, 安裝前應注意檢查安裝地點的水體可能產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構材料相適應、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
變送器的安裝方向應該為垂直向下。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，我們采用了以下經驗措施，來保證安裝工作和變送器運行的順利、穩定：
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”
云峰發電廠衛星水文自動測報系統建成于1996年。該系統在中朝界河鴨綠江上游面積為17165km2的云峰流域內，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定、可靠的數據傳輸通道，保證水文數據準確無誤，為云峰發電廠水庫調度提供及時的數據信息。
云峰衛星水文自動測報系統采用國內移動衛星組織的Inmarsat-C業務類型，利用衛星作為中心站轉發無線電波，實現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對水位傳感器的設計要求是:
①結構合理、信號穩定，可現場使用和自動控制；
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，是整個測報系統精度的基礎，直接影響系統終水文預報的精度*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，系統要求傳感器分辨率為1cm，水位測量**誤差小于3cm的概率應大于95%。據此，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水位遙測站運行過程中起到了關鍵作用，為水庫調度、洪水預報提供了及時、準確的水位數據。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。一體化的結構和標準化的輸出信號，為現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，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，它利用半導體硅材料的壓阻效應實現壓力與電信號的轉換。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系，再加上半導體硅材料的壓阻效應，使電橋產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關系，實現對液位（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定，靈敏度高，一般金屬應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，信號輸出穩定，特別是在零點附近的低量程段無死區，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、敏感轉換和檢測3個部分由同一個元件來實現，沒有中間環節，所以，重復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為亞微米數量級，因而無磨損、無疲勞、無老化，壽命長達107壓力循環次，且體積小、重量輕、固有頻率高，在動態應用中，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構較精密，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安裝和應用
該變送器用于水文自動測報系統中河道水位的測量，安裝前應注意檢査安裝地點的水體可能產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構材料相適應、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
變送器的安裝方向應該為垂直向下。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中河道水位的測量, 安裝前應注意檢查安裝地點的水體可能產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構材料相適應、河水是否會堵塞變送器的進水孔。
變送器的安裝方向應該為垂直向下。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，我們采用了以下經驗措施，來保證安裝工作和變送器運行的順利、穩定：
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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