大壩小流量滲流量儀的研制

李學勝，丁玉江，熊成龍，趙盛杰，羅孝兵，盧欣春

（1.南瑞集團（國網電力科學研究院）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構體內的安全狀況，當滲流量達到一定量時，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行監測的重要物理量之一［1-4］。目前，對于1～300 L/s 大流量的滲流量自動化測量主要采用量水堰法間接實現［5-8］，但是對于小于1 L/s 的流量主要是通過人工進行監測，勞動強度大、工作效率低、實時性差［9-13］。況且壩體及建筑物內滲析出來的流體內含有呈粉末狀雜質，極其細小，用過濾網根本無法將其擋住，小流量滲流經過稍長時間的流經表面會積敷大量的這種水垢物質，普通的測量儀器無法長期進行自動化監測［14］。

為解決這一長期困擾大壩安全監測的難題，我們研制了一套基于容積式測量原理［15，16］的大壩小流量在線監測滲流量儀，采用待測流體隨時測量，即時流走的流體測量控制原理［17］，不會產生污垢沉積而影響測量精度問題，特別適用于大壩管口滲流小流量、多雜質及潮濕等監測環境下長期可靠地進行滲流量自動化監測。

1 儀器工作原理

目前，大壩小滲流量（Q≤1 L/s）的測量主要是采用人工的方法，即人工用一個量杯去接待測流體，并記錄流體充滿量杯所用的時間，進而計算出流體的流量。這種方法測量精度相對較高，但需要大量的人力，效率太低，無法實現遠程實時在線監測，不能滿足現代水利工程滲流量監測的實際需求。

本傳感器采用與人工測量一樣的容積式測量原理，確保了測量精度，將待測流體引入一定容積內，計量流體充滿容積所用的時間，待測流體的流量Q為：

式中：V為容積的體積；T為充滿該容積所用的時間。

同時，為避免裝置在長期的自動化測量過程中出現結垢，測量裝置與引流裝置分離設計，創造性地設計了一種即時測量、即時流走的流量容積測量機構，使容器僅在測量的短暫時間內有流體，在不進行測量時容器內沒有流體，從而避免了容器長期盛裝流體導致的結垢現象。

2 傳感器結構設計

滲流量儀整體結構如圖1所示，主要由容器、電動機、液位開關、進水管及排水閥等組成。電動機驅動連接引水部件和排水閥的聯動機構。液位開關感應容器內水位變化，控制電動機的啟動及停止。平時不測量時，電動機驅動引水部件，使直排引水管與出水管相通，將大壩內待測的滲水由出水管直接排出儀器，實現此功能的部件稱之為引流子部件；當需要測量時，由測控模塊發出測量命令，電機帶動轉動桿、引水部件及排水閥轉動，將引水部件的引水彎管接頭轉置引水管下方，關閉排水閥，待測的滲水經引水管、引水部件流至容器內，模塊開始計時，當流體達到容器內某一固定的位置時，液位開關給出信號，計時結束，電機反轉，轉動桿帶動引水部件將直排管轉置引水管下方，待測滲水直接排出流量計，同時排水閥打開，放空容器中的水，完成此測量功能的部件稱之為測量子部件。為了簡化結構，引流子部件與測量子部件內零部件相互共用、統一協作實現大壩滲水測量的目的。待測滲水的流量可以通過儀器有效容積除以灌滿有效容積花費的時間得到。

圖1 儀器結構圖Fig.1 Structure chart of instrument

大壩內滲水含有許多游離的雜質，呈粉末狀，無法用設備過濾，時間一長就會積敷在流經的物體表面。一般的流量儀用在此處測量流量時，時間不長就會產生堵塞，導致測值不準確或不能正常測量。這也是為什么至今還沒有一種有效的可以自動化測量流量小于1l/s大壩滲水的原因。本流量儀采用模仿人工測量的方式，在結構設計時將測量部件與引流部件進行分離設計，測量時將水引至測量容器，不測量時，水直接引走，不經過測量容器，有效避免測量容器內產生大量積垢現象。即使存在積垢也是經過較長時間的運行，而且本儀器擬設計有清洗孔，只要定期對其進行清洗，就能保證該監測儀器長期穩定運行及測量精度。

為了使引水部件與容器下方的排水閥達到同步，設計了一種機構使引水部件與排水閥一致。當測量時，引水部件將水引至容器中，同時排水閥關閉，測量完畢，引水部件將水直接排出儀器外部，使水不經過容器，另外排水閥打開，放空容器的水。由于排水閥計劃采用直接購買的成品，因此，電機的旋轉角度為90°。而引水部件必須根據容器實際形狀的大小及空間以及旋轉90°的要求來設計其結構。電機旋轉90°靠兩個微動開關來定位，設計時計算好微動開關的尺寸確保轉動的角度達到準確。

流量儀測量精度的另一個重要因素是測量時水流入容器所產生的波浪，當波浪較大時，測量精度就會達不到要求。根據設計經驗，采用過的消波浪方法有，水從底部流出、水從容器壁流入、水經過消能再流出等多種方法。為了盡量減小波浪對測量精度的影響，本設計采用多種方式組合，首先在入水口加裝一消能裝置，減小波浪的產生，同時在液位開關周圍增加一保護管，波浪影響測量精度的因素主要是波浪會使液位開關的浮子產生劇烈晃動，特別是流量稍大時，晃動更劇烈，致使起始測量點和結束測量點不準確而影響測量精度，在液位開關周圍增加一保護管，使水從底部涌入，這樣可以使浮子在保護管內緩慢地上升，而不受波浪的影響，另外，自主設計了一套浮子結構，在滿足浮力的基礎上增加了浮子的質量，使其受波浪影響相對減弱。經過一系列設計，提高了儀器的測量精度，滿足了儀器的設計要求。

3 電路設計

流量儀采用一個24VDC 電機同時控制水流導流器和閥門。電機采用正反轉方式，通過延時切斷電機電源，電機工作電流小于100 mA（啟動電流小于0.67 A），供電時間短，每一測次供電時間小于15 s，因此耗電少。據此，考慮直接采用NDA510×為模塊供電，這有利于系統電源統一，并且在市電斷電情況下仍可測量。模塊內部使用降壓芯片MAX603 轉換為5VDC 為模塊內部各芯片提供電源，并且采用MC34164 電源管理芯片，在電源電壓低于門限值時使MCU處于節電工作模式或關閉電源，實現對電池保護。對電機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），輸出電流最大能達到1 A，轉換效率高（達80%）。模塊電源將NDA510x 模塊的輸出電壓直接升至24 V，為24VDC 電機供電。在不測量時，使用場效應管關閉模塊電源的輸入端，達到節電目的。電源原理框圖如圖2所示。

圖2 數據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、參數與數據存儲電路、控制器、時基電路、電機電源控制電路、流量計水位狀態反饋電路和輸入輸出電路等構成，原理框圖如圖3所示。

圖3 數據采集模塊原理框圖Fig.3 Block diagram of data acquisition module

通信電路實現RS485方式遠程通信，采用MAX1480接口芯片，它具有抗雷擊、防靜電功能。參數與數據存儲電路選用AT25256 芯片，可實現參數及300 組以上測量數據的存儲，并且具有掉電數據保護能力。時基電路為模塊實現定時測量提供時間參考。

電機控制電路：為便于閥門控制，電機采用正反轉工作方式。因此必須為電機提供正向和反向電源。電路上，由控制器輸出兩路控制信號控制光電隔離器件（光電隔離器件主要作為電源隔離和電平轉換器），分別控制由場效應管構成的電機轉動方向控制橋式電路。當系統啟動時，場效應管均關斷，不向電機供電。當需要測量時，第一組場效應管連通24 V，而第二組效應管與直流地端連通，電機正轉；控制器延時一定時間后，電機正轉到位，關閉電機電源。當測量結束時，第二組場效應管聯通24 V，而第一組場效應管與直流地端連通，電機反轉；控制器延時一定時間后，電機反轉到位，關閉電機電源。電機控制電路原理如圖4所示。

圖4 電機轉動方向控制橋式電路Fig.4 Control bridge circuit of motor rotation direction

液位狀態反饋電路：流量計的水位判斷由初始水位、小流量水位和大流量水位三個開關量組成。測量模塊將三個開關量經光電隔離后反饋給控制器，實現電流信號反饋，防止外部干擾信號引起狀態誤判。此三路反饋信號中，初始水位信號采用中斷方式，以便即時計量起始時間，降低測量誤差。

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

輸入輸出電路：因傳感器離數據采集模塊有較遠距離，并且很多現場可能處于高雷區，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過DS2Y-SDC5V 繼電器后進入模塊，此種繼電器隔離電壓高達1 000 VAC。當不測量時，繼電器處于斷開狀態，傳感器線與模塊斷開，能最大限度地防止雷擊或其他強電磁干擾對模塊電子器件的損壞。每個測量通道有6 根導線，因此使用3 個DS2Y-SDC5V 繼電器。繼電器線圈的驅動電路是控制器將控制信號經鎖存器后，用1 只PNP 三極管接收控制信號，然后經過2 只NPN三極管放大后再驅動3只繼電器的線圈。其中PNP三極管實現了只有在控制信號為低時輸出高電平，實現電平反向和電流放大功能，防止模塊上電時產生繼電器誤動作；2只NPN三極管為3 只繼電器線圈提供足夠的驅動電流，達到長時間可靠驅動目的。

4 技術指標

（1）測量范圍：0～1 000 mL/s。

（2）測量誤差：3%FS。

（3）供電電壓：DC24V。

（4）通訊類型：RS485。

（5）工作環境：溫度：0～+60 ℃，濕度：100%。

注：FS為儀器的測量范圍，單位為mL/s。

5 試 驗

把裝配好的流量傳感器安裝在專用標定臺上，按圖6 將數據采集模塊NDA1262和電腦與傳感器相連，儀器引水管與水槽出水口連接，調節水槽的出水管的閥門，使水槽的出水管的流量處于需要測試的流量附近。待水流平穩后，進行人工比測。人工測量的方法就是采用稱重計時法（在一定的時間內流過儀器的水量，按1 kg 水≈1 000 mL 水計算）。比較兩者的測值，并以此計算出流量計的容積，以此容積作為儀器參數填入參數表中。調節水槽的出水管的閥門，使流量處于儀器測量范圍內任意一流量。通過人工和儀器分別測量此時的流量（儀器自動測量三次求均值），把數據輸入到測量表格。如此進行3種不同流量的試驗，詳細數據如表1所示。從表1 中測試數據可見，儀器測量精度達到3%設計要求。

圖6 系統試驗圖Fig.6 System test diagram

表1 儀器測量流量與人工測量流量對比表Tab.1 comparison table of instrument measurement flow and manual measurement flow

6 結 語

本滲流量儀是采用容積式測量原理設計的一款小于1 L/s的小流量大壩滲流自動化監測的儀器，通過將測量部件和引流部件分開設計，解決了大壩滲流中因含有的多種雜質在長期測量過程中會積敷在測量儀器中導致測值不準或不能測量的問題，通過特殊的結構設計及合理布局，簡化了結構，提高了空間的利用率，實現了儀器的小型化，方便現場安裝調試。通過與人工對比測量和長期的現場試應用，驗證了該儀器具有測量精度高、長期穩定性好等特性，適合大壩滲流的小流量、多雜質、潮濕等環境的自動化在線監測，節省了人力物力，具有很好的推廣應用價值。□