水電站傳感器應(yīng)用分析

摘 要：水電站有大量的溫度、壓力、流量、水位等非電量信息，這些非電量信息是利用傳感器來采集并轉(zhuǎn)換成標準電信號輸出，經(jīng)PLC采集通過通信上傳到上位機顯示，以利于水電站運行和管理人員能及時地掌握反應(yīng)水電站運行狀況。本文對傳感器的結(jié)構(gòu)組成；水電站的溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、水位傳感器的工作原理以及PLC與傳感器連接進行了分析。

關(guān)鍵詞：水電站；非電量；傳感器；PLC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.143

1 水電站傳感器的組成

水電站非電氣量信息，包括溫度、壓力、流量、水位等。這些非電氣量信息在水電站生產(chǎn)過程中多數(shù)變化過程較為緩慢，一般通過傳感器來作為這些非電量信息采集工具。傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需形式的信號的器件或裝置。[1]傳感器的組成如圖1所示。

2 水電站常用傳感器分類及工作原理

2.1 溫度傳感器

水電站中的油罐、油箱、氣罐、空氣壓縮機各段溫度需要用溫度傳感器來測量。溫度傳感器按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電偶和熱電阻。

熱電偶是利用熱電效應(yīng)來測量溫度的，即兩種不同成分的金屬導(dǎo)體兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢。直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做測量端，另一端叫做冷端，冷端與顯示儀表連接，顯示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測介質(zhì)溫度。

熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。[2]

金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即：

Rt=R0[1+α（t-t0）]

Rt， R0： 熱電阻在t ℃和t0 ℃時的電阻值；α：熱電阻的電阻溫度系數(shù)（1/℃）；t：被測溫度（℃）。

半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為： Rt =AeB/t ；Rt：溫度為t時的阻值；A、B：取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。

2.2 壓力傳感器

水電站中引水、尾水、冷卻水、壓力油、 壓縮空氣管管路壓力用壓力傳感器測量。壓力傳感器有電阻應(yīng)變式、壓阻式、電容式壓力傳感器等幾種。電阻應(yīng)變式壓力傳感器利用被測的動態(tài)壓力作用在彈性敏感元件上，使它產(chǎn)生變形，在其變形的部位粘貼的電阻應(yīng)變片感受動態(tài)壓力的變化。壓阻式壓力傳感器以硅片作為彈性敏感元件，該硅片上有四個等值導(dǎo)體電阻，組成惠斯登電矯，當硅片受力后、由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。電阻值發(fā)生變化，使電橋輸出而測得壓力的變化。電容式壓力傳感器的電容極板的相對位置會隨著壓力的變化而改變，從而引起電容的改變，通過對電容的測量，實現(xiàn)壓力的測量[3]。

2.3 流量傳感器

水電站中發(fā)電機空冷器進、出口風溫等機組、冷卻水流量用流量傳感器測量。常用的流量傳感器有電磁流量計、容積式流量計和超聲波流量計。電磁流量計是基于法拉第電磁感應(yīng)定律工作的，上下兩端的兩個電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場，測量管內(nèi)的導(dǎo)電水體在磁場中作切割磁力線運動時，則會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。其感應(yīng)電勢E為：E=KBVD。

K：儀表常數(shù)；B：磁感應(yīng)強度； V：測量管道截面內(nèi)的平均流速；

D：測量管道截面的內(nèi)徑。

容積式流量計利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，反復(fù)計量通過流量計的流體體積來測量流體體積總量。超聲波流量計是利用超聲波在流動的流體中傳播時，流體的流動將會使傳播時間發(fā)生微小的變化，并且傳播時間的變化正比于水體的流速，由此就能測出流體的流速，再根據(jù)管道口徑就能計算出流量大小。

2.4 水位傳感器

水電站中水庫、下游尾、集水井、排水廊道、供水池水位用水位傳感器來測量。水位傳感器根據(jù)其工作原理可分為電磁波雷達水位計和磁性浮子水位計。雷達水位計采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。雷達水位計的天線發(fā)射出的電磁波經(jīng)水面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時間與到水面的距離成正比，關(guān)系式如下[4] ：

D=CT/2 D：雷達水位計到水面的距離；C：光速；T：電磁波運行時間。磁性浮子水位計采用浮力原理和磁性耦合作用來測量的。當被測的水位升降時，水位計的磁性浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，指示器的紅白交界處為水位的實際高度，從而實現(xiàn)水位清晰的指示。

3 水電站傳感器與PLC連接

傳感器采集水電站非電量的信息，輸出的信號有0-20mA/4-20mA電流信號和0-75mV/0-5V/1-5V電壓信號。4-20mA信號制是國際電工委員會（IEC）過程控制系統(tǒng)用模擬信號標準，現(xiàn)是傳感器常用的標準輸出信號。圖3為PLC與開度傳感器連接方式，PLC與傳感器的連接要根據(jù)傳感器與PLC的功能和技術(shù)特點進行匹配選型，同時也要考慮到水電站現(xiàn)場各種EMC干擾的影響，通常把傳感器輸出的模擬信號隔離、放大、轉(zhuǎn)換后送到PLC。PLC通過信號線采集傳感器的模擬或數(shù)字信號，然后進行處理。

參考文獻：

[1]黃繼昌.傳感器工作原理及應(yīng)用實例[M].人民郵電出版社， 1998.

[2]姜世昌.溫度傳感器[J].軟件，2008（03）：44-47.

[3]孫以材.壓力傳感器的設(shè)計、制造與應(yīng)用[M].冶金工業(yè)出版社， 2000.

[4]許笠.雷達水位計在水情監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].人民長江， 2014，45（02）：74-77.

作者簡介：朱雪雄（1981-），男，湖南長沙人，講師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化、職業(yè)教育、機器學(xué)習。