水電站傳感器應用分析

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換成標準電信號輸出，經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水電站運行狀況。本文對傳感器的結構組成；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過程中多數變化過程較為緩慢，一般通過傳感器來作為這些非電量信息采集工具。傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉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來測量溫度的，即兩種不同成分的金屬導體兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢。直接用作測量介質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，顯示出熱電偶所產生的熱電動勢，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測介質溫度。

熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，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（1/℃）；t：被測溫度（℃）。

半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為： Rt =AeB/t ；Rt：溫度為t時的阻值；A、B：取決于半導體材料的結構的常數。

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變式、壓阻式、電容式壓力傳感器等幾種。電阻應變式壓力傳感器利用被測的動態壓力作用在彈性敏感元件上，使它產生變形，在其變形的部位粘貼的電阻應變片感受動態壓力的變化。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體電阻，組成惠斯登電矯，當硅片受力后、由于半導體的壓阻效應。電阻值發生變化，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，實現壓力的測量[3]。

2.3 流量傳感器

水電站中發電機空冷器進、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定律工作的，上下兩端的兩個電磁線圈產生恒定磁場，測量管內的導電水體在磁場中作切割磁力線運動時，則會產生感應電勢。其感應電勢E為：E=KBVD。

K：儀表常數；B：磁感應強度； V：測量管道截面內的平均流速；

D：測量管道截面的內徑。

容積式流量計利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分，反復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。雷達水位計采用發射—反射—接收的工作模式。雷達水位計的天線發射出的電磁波經水面反射后，再被天線接收，電磁波從發射到接收的時間與到水面的距離成正比，關系式如下[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）過程控制系統用模擬信號標準，現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傳感器與PLC的功能和技術特點進行匹配選型，同時也要考慮到水電站現場各種EMC干擾的影響，通常把傳感器輸出的模擬信號隔離、放大、轉換后送到PLC。PLC通過信號線采集傳感器的模擬或數字信號，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.壓力傳感器的設計、制造與應用[M].冶金工業出版社， 2000.

[4]許笠.雷達水位計在水情監測系統中的應用研究[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：電力系統自動化、職業教育、機器學習。