大壩小流量滲流量?jī)x的研制

李學(xué)勝，丁玉江，熊成龍，趙盛杰，羅孝兵，盧欣春

（1.南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京210003；2.華能瀾滄江水電股份有限公司漫灣水電廠，昆明650214）

0 引言

大壩滲流量直接反映了大壩結(jié)構(gòu)體內(nèi)的安全狀況，當(dāng)滲流量達(dá)到一定量時(shí)，直接影響到大壩的安危。因此大壩滲流量是大壩及其水工建筑物安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)的重要物理量之一［1-4］。目前，對(duì)于1～300 L/s 大流量的滲流量自動(dòng)化測(cè)量主要采用量水堰法間接實(shí)現(xiàn)［5-8］，但是對(duì)于小于1 L/s 的流量主要是通過(guò)人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、實(shí)時(shí)性差［9-13］。況且壩體及建筑物內(nèi)滲析出來(lái)的流體內(nèi)含有呈粉末狀雜質(zhì)，極其細(xì)小，用過(guò)濾網(wǎng)根本無(wú)法將其擋住，小流量滲流經(jīng)過(guò)稍長(zhǎng)時(shí)間的流經(jīng)表面會(huì)積敷大量的這種水垢物質(zhì)，普通的測(cè)量?jī)x器無(wú)法長(zhǎng)期進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)［14］。

為解決這一長(zhǎng)期困擾大壩安全監(jiān)測(cè)的難題，我們研制了一套基于容積式測(cè)量原理［15，16］的大壩小流量在線監(jiān)測(cè)滲流量?jī)x，采用待測(cè)流體隨時(shí)測(cè)量，即時(shí)流走的流體測(cè)量控制原理［17］，不會(huì)產(chǎn)生污垢沉積而影響測(cè)量精度問(wèn)題，特別適用于大壩管口滲流小流量、多雜質(zhì)及潮濕等監(jiān)測(cè)環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地進(jìn)行滲流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

1 儀器工作原理

目前，大壩小滲流量（Q≤1 L/s）的測(cè)量主要是采用人工的方法，即人工用一個(gè)量杯去接待測(cè)流體，并記錄流體充滿量杯所用的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出流體的流量。這種方法測(cè)量精度相對(duì)較高，但需要大量的人力，效率太低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，不能滿足現(xiàn)代水利工程滲流量監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。

本傳感器采用與人工測(cè)量一樣的容積式測(cè)量原理，確保了測(cè)量精度，將待測(cè)流體引入一定容積內(nèi)，計(jì)量流體充滿容積所用的時(shí)間，待測(cè)流體的流量Q為：

式中：V為容積的體積；T為充滿該容積所用的時(shí)間。

同時(shí)，為避免裝置在長(zhǎng)期的自動(dòng)化測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)垢，測(cè)量裝置與引流裝置分離設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種即時(shí)測(cè)量、即時(shí)流走的流量容積測(cè)量機(jī)構(gòu)，使容器僅在測(cè)量的短暫時(shí)間內(nèi)有流體，在不進(jìn)行測(cè)量時(shí)容器內(nèi)沒(méi)有流體，從而避免了容器長(zhǎng)期盛裝流體導(dǎo)致的結(jié)垢現(xiàn)象。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滲流量?jī)x整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由容器、電動(dòng)機(jī)、液位開關(guān)、進(jìn)水管及排水閥等組成。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)連接引水部件和排水閥的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。液位開關(guān)感應(yīng)容器內(nèi)水位變化，控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)及停止。平時(shí)不測(cè)量時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)引水部件，使直排引水管與出水管相通，將大壩內(nèi)待測(cè)的滲水由出水管直接排出儀器，實(shí)現(xiàn)此功能的部件稱之為引流子部件；當(dāng)需要測(cè)量時(shí)，由測(cè)控模塊發(fā)出測(cè)量命令，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿、引水部件及排水閥轉(zhuǎn)動(dòng)，將引水部件的引水彎管接頭轉(zhuǎn)置引水管下方，關(guān)閉排水閥，待測(cè)的滲水經(jīng)引水管、引水部件流至容器內(nèi)，模塊開始計(jì)時(shí)，當(dāng)流體達(dá)到容器內(nèi)某一固定的位置時(shí)，液位開關(guān)給出信號(hào)，計(jì)時(shí)結(jié)束，電機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)引水部件將直排管轉(zhuǎn)置引水管下方，待測(cè)滲水直接排出流量計(jì)，同時(shí)排水閥打開，放空容器中的水，完成此測(cè)量功能的部件稱之為測(cè)量子部件。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，引流子部件與測(cè)量子部件內(nèi)零部件相互共用、統(tǒng)一協(xié)作實(shí)現(xiàn)大壩滲水測(cè)量的目的。待測(cè)滲水的流量可以通過(guò)儀器有效容積除以灌滿有效容積花費(fèi)的時(shí)間得到。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of instrument

大壩內(nèi)滲水含有許多游離的雜質(zhì)，呈粉末狀，無(wú)法用設(shè)備過(guò)濾，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)積敷在流經(jīng)的物體表面。一般的流量?jī)x用在此處測(cè)量流量時(shí)，時(shí)間不長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致測(cè)值不準(zhǔn)確或不能正常測(cè)量。這也是為什么至今還沒(méi)有一種有效的可以自動(dòng)化測(cè)量流量小于1l/s大壩滲水的原因。本流量?jī)x采用模仿人工測(cè)量的方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將測(cè)量部件與引流部件進(jìn)行分離設(shè)計(jì)，測(cè)量時(shí)將水引至測(cè)量容器，不測(cè)量時(shí)，水直接引走，不經(jīng)過(guò)測(cè)量容器，有效避免測(cè)量容器內(nèi)產(chǎn)生大量積垢現(xiàn)象。即使存在積垢也是經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，而且本儀器擬設(shè)計(jì)有清洗孔，只要定期對(duì)其進(jìn)行清洗，就能保證該監(jiān)測(cè)儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行及測(cè)量精度。

為了使引水部件與容器下方的排水閥達(dá)到同步，設(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)使引水部件與排水閥一致。當(dāng)測(cè)量時(shí)，引水部件將水引至容器中，同時(shí)排水閥關(guān)閉，測(cè)量完畢，引水部件將水直接排出儀器外部，使水不經(jīng)過(guò)容器，另外排水閥打開，放空容器的水。由于排水閥計(jì)劃采用直接購(gòu)買的成品，因此，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為90°。而引水部件必須根據(jù)容器實(shí)際形狀的大小及空間以及旋轉(zhuǎn)90°的要求來(lái)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°靠?jī)蓚€(gè)微動(dòng)開關(guān)來(lái)定位，設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算好微動(dòng)開關(guān)的尺寸確保轉(zhuǎn)動(dòng)的角度達(dá)到準(zhǔn)確。

流量?jī)x測(cè)量精度的另一個(gè)重要因素是測(cè)量時(shí)水流入容器所產(chǎn)生的波浪，當(dāng)波浪較大時(shí)，測(cè)量精度就會(huì)達(dá)不到要求。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用過(guò)的消波浪方法有，水從底部流出、水從容器壁流入、水經(jīng)過(guò)消能再流出等多種方法。為了盡量減小波浪對(duì)測(cè)量精度的影響，本設(shè)計(jì)采用多種方式組合，首先在入水口加裝一消能裝置，減小波浪的產(chǎn)生，同時(shí)在液位開關(guān)周圍增加一保護(hù)管，波浪影響測(cè)量精度的因素主要是波浪會(huì)使液位開關(guān)的浮子產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，特別是流量稍大時(shí)，晃動(dòng)更劇烈，致使起始測(cè)量點(diǎn)和結(jié)束測(cè)量點(diǎn)不準(zhǔn)確而影響測(cè)量精度，在液位開關(guān)周圍增加一保護(hù)管，使水從底部涌入，這樣可以使浮子在保護(hù)管內(nèi)緩慢地上升，而不受波浪的影響，另外，自主設(shè)計(jì)了一套浮子結(jié)構(gòu)，在滿足浮力的基礎(chǔ)上增加了浮子的質(zhì)量，使其受波浪影響相對(duì)減弱。經(jīng)過(guò)一系列設(shè)計(jì)，提高了儀器的測(cè)量精度，滿足了儀器的設(shè)計(jì)要求。

3 電路設(shè)計(jì)

流量?jī)x采用一個(gè)24VDC 電機(jī)同時(shí)控制水流導(dǎo)流器和閥門。電機(jī)采用正反轉(zhuǎn)方式，通過(guò)延時(shí)切斷電機(jī)電源，電機(jī)工作電流小于100 mA（啟動(dòng)電流小于0.67 A），供電時(shí)間短，每一測(cè)次供電時(shí)間小于15 s，因此耗電少。據(jù)此，考慮直接采用NDA510×為模塊供電，這有利于系統(tǒng)電源統(tǒng)一，并且在市電斷電情況下仍可測(cè)量。模塊內(nèi)部使用降壓芯片MAX603 轉(zhuǎn)換為5VDC 為模塊內(nèi)部各芯片提供電源，并且采用MC34164 電源管理芯片，在電源電壓低于門限值時(shí)使MCU處于節(jié)電工作模式或關(guān)閉電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池保護(hù)。對(duì)電機(jī)的供電擬選用北京利德華福電氣公司的HM10-5S24 模塊電源，此升壓模塊輸入電壓范圍寬（4.5～9 V），輸出電流最大能達(dá)到1 A，轉(zhuǎn)換效率高（達(dá)80%）。模塊電源將NDA510x 模塊的輸出電壓直接升至24 V，為24VDC 電機(jī)供電。在不測(cè)量時(shí)，使用場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉模塊電源的輸入端，達(dá)到節(jié)電目的。電源原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊電源原理框圖Fig.2 Schematic diagram of power supply for data acquisition module

模塊電路除電源控制電路外，還主要包括通信接口電路、參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、控制器、時(shí)基電路、電機(jī)電源控制電路、流量計(jì)水位狀態(tài)反饋電路和輸入輸出電路等構(gòu)成，原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊原理框圖Fig.3 Block diagram of data acquisition module

通信電路實(shí)現(xiàn)RS485方式遠(yuǎn)程通信，采用MAX1480接口芯片，它具有抗雷擊、防靜電功能。參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路選用AT25256 芯片，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)及300 組以上測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并且具有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)能力。時(shí)基電路為模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)測(cè)量提供時(shí)間參考。

電機(jī)控制電路：為便于閥門控制，電機(jī)采用正反轉(zhuǎn)工作方式。因此必須為電機(jī)提供正向和反向電源。電路上，由控制器輸出兩路控制信號(hào)控制光電隔離器件（光電隔離器件主要作為電源隔離和電平轉(zhuǎn)換器），分別控制由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制橋式電路。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管均關(guān)斷，不向電機(jī)供電。當(dāng)需要測(cè)量時(shí)，第一組場(chǎng)效應(yīng)管連通24 V，而第二組效應(yīng)管與直流地端連通，電機(jī)正轉(zhuǎn)；控制器延時(shí)一定時(shí)間后，電機(jī)正轉(zhuǎn)到位，關(guān)閉電機(jī)電源。當(dāng)測(cè)量結(jié)束時(shí)，第二組場(chǎng)效應(yīng)管聯(lián)通24 V，而第一組場(chǎng)效應(yīng)管與直流地端連通，電機(jī)反轉(zhuǎn)；控制器延時(shí)一定時(shí)間后，電機(jī)反轉(zhuǎn)到位，關(guān)閉電機(jī)電源。電機(jī)控制電路原理如圖4所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制橋式電路Fig.4 Control bridge circuit of motor rotation direction

液位狀態(tài)反饋電路：流量計(jì)的水位判斷由初始水位、小流量水位和大流量水位三個(gè)開關(guān)量組成。測(cè)量模塊將三個(gè)開關(guān)量經(jīng)光電隔離后反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)反饋，防止外部干擾信號(hào)引起狀態(tài)誤判。此三路反饋信號(hào)中，初始水位信號(hào)采用中斷方式，以便即時(shí)計(jì)量起始時(shí)間，降低測(cè)量誤差。

圖5 開關(guān)量輸入接口原理圖Fig.5 Schematic diagram of switch input interface

輸入輸出電路：因傳感器離數(shù)據(jù)采集模塊有較遠(yuǎn)距離，并且很多現(xiàn)場(chǎng)可能處于高雷區(qū)，因此輸入輸出接口必須采取防雷措施。本模塊的所有的傳感器輸入輸出線均經(jīng)過(guò)DS2Y-SDC5V 繼電器后進(jìn)入模塊，此種繼電器隔離電壓高達(dá)1 000 VAC。當(dāng)不測(cè)量時(shí)，繼電器處于斷開狀態(tài)，傳感器線與模塊斷開，能最大限度地防止雷擊或其他強(qiáng)電磁干擾對(duì)模塊電子器件的損壞。每個(gè)測(cè)量通道有6 根導(dǎo)線，因此使用3 個(gè)DS2Y-SDC5V 繼電器。繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)電路是控制器將控制信號(hào)經(jīng)鎖存器后，用1 只PNP 三極管接收控制信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)2 只NPN三極管放大后再驅(qū)動(dòng)3只繼電器的線圈。其中PNP三極管實(shí)現(xiàn)了只有在控制信號(hào)為低時(shí)輸出高電平，實(shí)現(xiàn)電平反向和電流放大功能，防止模塊上電時(shí)產(chǎn)生繼電器誤動(dòng)作；2只NPN三極管為3 只繼電器線圈提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間可靠驅(qū)動(dòng)目的。

4 技術(shù)指標(biāo)

（1）測(cè)量范圍：0～1 000 mL/s。

（2）測(cè)量誤差：3%FS。

（3）供電電壓：DC24V。

（4）通訊類型：RS485。

（5）工作環(huán)境：溫度：0～+60 ℃，濕度：100%。

注：FS為儀器的測(cè)量范圍，單位為mL/s。

5 試 驗(yàn)

把裝配好的流量傳感器安裝在專用標(biāo)定臺(tái)上，按圖6 將數(shù)據(jù)采集模塊NDA1262和電腦與傳感器相連，儀器引水管與水槽出水口連接，調(diào)節(jié)水槽的出水管的閥門，使水槽的出水管的流量處于需要測(cè)試的流量附近。待水流平穩(wěn)后，進(jìn)行人工比測(cè)。人工測(cè)量的方法就是采用稱重計(jì)時(shí)法（在一定的時(shí)間內(nèi)流過(guò)儀器的水量，按1 kg 水≈1 000 mL 水計(jì)算）。比較兩者的測(cè)值，并以此計(jì)算出流量計(jì)的容積，以此容積作為儀器參數(shù)填入?yún)?shù)表中。調(diào)節(jié)水槽的出水管的閥門，使流量處于儀器測(cè)量范圍內(nèi)任意一流量。通過(guò)人工和儀器分別測(cè)量此時(shí)的流量（儀器自動(dòng)測(cè)量三次求均值），把數(shù)據(jù)輸入到測(cè)量表格。如此進(jìn)行3種不同流量的試驗(yàn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1 中測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，儀器測(cè)量精度達(dá)到3%設(shè)計(jì)要求。

圖6 系統(tǒng)試驗(yàn)圖Fig.6 System test diagram

表1 儀器測(cè)量流量與人工測(cè)量流量對(duì)比表Tab.1 comparison table of instrument measurement flow and manual measurement flow

6 結(jié) 語(yǔ)

本滲流量?jī)x是采用容積式測(cè)量原理設(shè)計(jì)的一款小于1 L/s的小流量大壩滲流自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的儀器，通過(guò)將測(cè)量部件和引流部件分開設(shè)計(jì)，解決了大壩滲流中因含有的多種雜質(zhì)在長(zhǎng)期測(cè)量過(guò)程中會(huì)積敷在測(cè)量?jī)x器中導(dǎo)致測(cè)值不準(zhǔn)或不能測(cè)量的問(wèn)題，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合理布局，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了空間的利用率，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。通過(guò)與人工對(duì)比測(cè)量和長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)試應(yīng)用，驗(yàn)證了該儀器具有測(cè)量精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特性，適合大壩滲流的小流量、多雜質(zhì)、潮濕等環(huán)境的自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)，節(jié)省了人力物力，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值?！?/p>