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简述压阻投入式液位变送器在水文自动测报系统中的应用
发表时间：2018-07-21 点击次数：804 技术支持：1560-1403-222
本文前言
云峰发电厂卫星水文自动测报系统建成于1996年。该系统在中朝界河鸭绿江上游面积为17165km2的云峰流域内，为沿江的12个水文遥测站与集安市水文自动测报中心站之间提供稳定、可靠的数据传输通道，保证水文数据准确无误，为云峰发电厂水库调度提供及时的数据信息。
云峰卫星水文自动测报系统采用国内移动卫星组织的Inmarsat-C业务类型，利用卫星作为中心站转发无线电波，实现云峰流域各遥测站与测报中心站之间的相互通信，频率为300MHz?300GHz,属于微波接力的一种特殊形式。其中，C型中心站由隔离变压器、交流净化电源、UPS、前置机、24V专 用电源X型终端、天线等组成；C型遥测站由雨量传感器、水位传感器、人工置数器、RTU控制器、C型终端、天线、蓄电池、防过充控制器、太阳能光板等组成。云峰水文自动测报系统对水位传感器的设计要求是:
①结构合理、信号稳定，可现场使用和自动控制；
②电缆长度可选择200m?300m;
③能长期投人水中使用，使用温度为－40°C?40°C;
④传感器精度即测童、收集水文信息的精度，是整个测报系统精度的基础，直接影响系统终水文预报的精度*故精度要求高；
⑤传感器精度由传感器分辨率和测景精度表示，系统要求传感器分辨率为1cm，水位测量**误差小于3cm的概率应大于95%。据此，我们选择压阻投入式液位变送器进行水位测量。
1工作原理
压阻投入式液位变送器在云峰水文自动测报系统水位遥测站运行过程中起到了关键作用，为水库调度、洪水预报提供了及时、准确的水位数据。该变送器是一种全封闭、潜入式扩散硅液位测量仪表，由10系列压阻式OEM传感器及高精度的变送器专路装入一个不锈钢壳体组成。一体化的结构和标准化的输出信号，为现场使用和自动控制提供了方便。变送器顶部的钢帽一方面起保护传感器膜片的作用，另一方面能使液体流畅地接触到膜片，防水电缆与外壳密封连接，通气管在电缆内，可长期投入水中运行。
压阻投入式液位变送器的测元件是一个压阻式传感器，它利用半导体硅材料的压阻效应实现压力与电信号的转换。被测液体的压力作用到不锈钢膜片上，通过不锈钢与敏感芯片之间灌充的硅油，把压力传送到敏感芯片上（见图1)，敏感芯片通过导线与变送器专用放大电路连接（见图2),由于敏感芯片上的惠斯登电桥达到很高的一致性，使输出的电信号与作用压力有着良好的线性关系，再加上半导体硅材料的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的髙度线性的、与激励电压也成正比的电流信号，来实现对水位压力的准确测量。
简言之，变送器对液位的测量，就是把与液体深度成正比的液体静压力通过变送器转换成电流信号输出，从而建立起输出信号与液体深度的线性对应关系，实现对液位（即液体深度）的测a(见图3)，计算公式如下：
p=rh
式中：p为变送器在测量点受到的液体静压力；r为液体的比重; r为测量点至液面的深度，即液位。
2基本性能
压阻投入式液位变送器输出信号稳定，灵敏度高，一般金属应变方式传感输出仅为10mV，而该变送器采用的传感器芯体满量程输出可达10010mV，使它的分辨率大大提高，信号输出稳定，特别是在零点附近的低量程段无死区，且线性良好。该变送器精度较高，在传感器芯体上对压力感受、敏感转换和检测3个部分由同一个元件来实现，没有中间环节，所以，重复性和迟滞等误差极小;同时，由于硅单晶本身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性，所采用的放大电路大非线性仅为万分之一以下，使它的综合静态精度相对较高。传感器采用的部分硅元件弹性薄膜在工作时形变为亚微米数量级，因而无磨损、无疲劳、无老化，寿命长达107压力循环次，且体积小、重量轻、固有频率高，在动态应用中，可达到较宽的频带范围。
压阻投入式液位变送器的主要技术指标如下。量程为20mH20;输出信号为4mA?20mADC;供电电源为15V?30VDC;灵敏度为(X8mA/mH20;非线性为小于士0.5%满量程;工作温度为0°C?50°C;负载为小于—15V)/0.02A。
压阻投入式液位变送器结构较精密，外壳采用不锈钢lCrl8Ni9Ti材料，橡胶套管采用丁晴橡胶材料，电缆采用7.5mm聚乙烯专用电缆,膜片采用性能优良的不锈钢316L材料，接线盒材料为铸铝(ZL102)，如图4所示。
压阻投入式液位变送器的电气连接采用三线制方式（见图5),目的是防止回路电阻的干扰，采用三线制接法可以很好地消除回路电阻对变送器的影响。
3安装和应用
该变送器用于水文自动测报系统中河道水位的测量，安装前应注意检査安装地点的水体可能产生的静压力是否会超过变送器量程、所测河水是否与变送器的结构材料相适应、河水是否会堵塞变送器的进水孔。
变送器的安装方向应该为垂直向下。由于该变送器是在动水中使用，所以一定要注意保持其感应面与水流方向平行，需要安装保持静水的装置。我们采用在河道浅水区域建积水井的方式，在积水井底部连接一个进水管，进水管方向以顺河道水流方向为宜，其长度可按实际情况适当选择，进水管末端需要做好阻尼层，以阻尼水波和消除动水压力的影响，又能起到过滤浊水泥沙的作用。安装方式如图6所示。
4实际工作情况
该变送器用于水文自动测报系统中河道水位的测量, 安装前应注意检查安装地点的水体可能产生的静压力是否会超过变送器的量程、所测河水是否与变送器的结构材料相适应、河水是否会堵塞变送器的进水孔。
变送器的安装方向应该为垂直向下。由于该变送器是在动水中使用, 所以一定要注意保持其感应面与水流方向平行, 需要安装保持静水的装置。我们采用在河道浅水区域建积水井的方式, 在积水井底部连接一个进水管, 进水管方向以顺河道水流方向为宜, 其长度可按实际情况适当选择, 进水管末端需要做好阻尼层, 以阻尼水波和消除动水压力的影响, 又能起到过滤浊水泥沙的作用。安装方式如图6所示。
在该变送器的安装过程中，我们采用了以下经验措施，来保证安装工作和变送器运行的顺利、稳定：
①在变送器的探头上加固一个保护套筒，以减小水流和人为的损坏•，
②采用敷设在地面以下1.5m的方式，以防止雷击和人为的破坏;③采用铁管来保护变送器电缆；
④在变送器电缆外皮上缠绕一层塑料套管，以避免在检修时磨损电缆外皮，造成电缆和变送器短路；
⑤由于水位测量点距控制设备较远，所需变送器电缆较长，在中间的合适位置建一个工作检查井，以便于维修。
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云峰发电厂卫星水文自动测报系统建成于1996年。该系统在中朝界河鸭绿江上游面积为17165km2的云峰流域内，为沿江的12个水文遥测站与集安市水文自动测报中心站之间提供稳定、可靠的数据传输通道，保证水文数据准确无误，为云峰发电厂水库调度提供及时的数据信息。
云峰卫星水文自动测报系统采用国内移动卫星组织的Inmarsat-C业务类型，利用卫星作为中心站转发无线电波，实现云峰流域各遥测站与测报中心站之间的相互通信，频率为300MHz?300GHz,属于微波接力的一种特殊形式。其中，C型中心站由隔离变压器、交流净化电源、UPS、前置机、24V专 用电源X型终端、天线等组成；C型遥测站由雨量传感器、水位传感器、人工置数器、RTU控制器、C型终端、天线、蓄电池、防过充控制器、太阳能光板等组成。云峰水文自动测报系统对水位传感器的设计要求是:
①结构合理、信号稳定，可现场使用和自动控制；
②电缆长度可选择200m?300m;
③能长期投人水中使用，使用温度为－40°C?40°C;
④传感器精度即测童、收集水文信息的精度，是整个测报系统精度的基础，直接影响系统终水文预报的精度*故精度要求高；
⑤传感器精度由传感器分辨率和测景精度表示，系统要求传感器分辨率为1cm，水位测量**误差小于3cm的概率应大于95%。据此，我们选择压阻投入式液位变送器进行水位测量。
1工作原理
压阻投入式液位变送器在云峰水文自动测报系统水位遥测站运行过程中起到了关键作用，为水库调度、洪水预报提供了及时、准确的水位数据。该变送器是一种全封闭、潜入式扩散硅液位测量仪表，由10系列压阻式OEM传感器及高精度的变送器专路装入一个不锈钢壳体组成。一体化的结构和标准化的输出信号，为现场使用和自动控制提供了方便。变送器顶部的钢帽一方面起保护传感器膜片的作用，另一方面能使液体流畅地接触到膜片，防水电缆与外壳密封连接，通气管在电缆内，可长期投入水中运行。
压阻投入式液位变送器的测元件是一个压阻式传感器，它利用半导体硅材料的压阻效应实现压力与电信号的转换。被测液体的压力作用到不锈钢膜片上，通过不锈钢与敏感芯片之间灌充的硅油，把压力传送到敏感芯片上（见图1)，敏感芯片通过导线与变送器专用放大电路连接（见图2),由于敏感芯片上的惠斯登电桥达到很高的一致性，使输出的电信号与作用压力有着良好的线性关系，再加上半导体硅材料的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的髙度线性的、与激励电压也成正比的电流信号，来实现对水位压力的准确测量。
简言之，变送器对液位的测量，就是把与液体深度成正比的液体静压力通过变送器转换成电流信号输出，从而建立起输出信号与液体深度的线性对应关系，实现对液位（即液体深度）的测a(见图3)，计算公式如下：
p=rh
式中：p为变送器在测量点受到的液体静压力；r为液体的比重; r为测量点至液面的深度，即液位。
2基本性能
压阻投入式液位变送器输出信号稳定，灵敏度高，一般金属应变方式传感输出仅为10mV，而该变送器采用的传感器芯体满量程输出可达10010mV，使它的分辨率大大提高，信号输出稳定，特别是在零点附近的低量程段无死区，且线性良好。该变送器精度较高，在传感器芯体上对压力感受、敏感转换和检测3个部分由同一个元件来实现，没有中间环节，所以，重复性和迟滞等误差极小;同时，由于硅单晶本身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性，所采用的放大电路大非线性仅为万分之一以下，使它的综合静态精度相对较高。传感器采用的部分硅元件弹性薄膜在工作时形变为亚微米数量级，因而无磨损、无疲劳、无老化，寿命长达107压力循环次，且体积小、重量轻、固有频率高，在动态应用中，可达到较宽的频带范围。
压阻投入式液位变送器的主要技术指标如下。量程为20mH20;输出信号为4mA?20mADC;供电电源为15V?30VDC;灵敏度为(X8mA/mH20;非线性为小于士0.5%满量程;工作温度为0°C?50°C;负载为小于—15V)/0.02A。
压阻投入式液位变送器结构较精密，外壳采用不锈钢lCrl8Ni9Ti材料，橡胶套管采用丁晴橡胶材料，电缆采用7.5mm聚乙烯专用电缆,膜片采用性能优良的不锈钢316L材料，接线盒材料为铸铝(ZL102)，如图4所示。
压阻投入式液位变送器的电气连接采用三线制方式（见图5),目的是防止回路电阻的干扰，采用三线制接法可以很好地消除回路电阻对变送器的影响。
3安装和应用
该变送器用于水文自动测报系统中河道水位的测量，安装前应注意检査安装地点的水体可能产生的静压力是否会超过变送器量程、所测河水是否与变送器的结构材料相适应、河水是否会堵塞变送器的进水孔。
变送器的安装方向应该为垂直向下。由于该变送器是在动水中使用，所以一定要注意保持其感应面与水流方向平行，需要安装保持静水的装置。我们采用在河道浅水区域建积水井的方式，在积水井底部连接一个进水管，进水管方向以顺河道水流方向为宜，其长度可按实际情况适当选择，进水管末端需要做好阻尼层，以阻尼水波和消除动水压力的影响，又能起到过滤浊水泥沙的作用。安装方式如图6所示。
4实际工作情况
该变送器用于水文自动测报系统中河道水位的测量, 安装前应注意检查安装地点的水体可能产生的静压力是否会超过变送器的量程、所测河水是否与变送器的结构材料相适应、河水是否会堵塞变送器的进水孔。
变送器的安装方向应该为垂直向下。由于该变送器是在动水中使用, 所以一定要注意保持其感应面与水流方向平行, 需要安装保持静水的装置。我们采用在河道浅水区域建积水井的方式, 在积水井底部连接一个进水管, 进水管方向以顺河道水流方向为宜, 其长度可按实际情况适当选择, 进水管末端需要做好阻尼层, 以阻尼水波和消除动水压力的影响, 又能起到过滤浊水泥沙的作用。安装方式如图6所示。
在该变送器的安装过程中，我们采用了以下经验措施，来保证安装工作和变送器运行的顺利、稳定：
①在变送器的探头上加固一个保护套筒，以减小水流和人为的损坏•，
②采用敷设在地面以下1.5m的方式，以防止雷击和人为的破坏;③采用铁管来保护变送器电缆；
④在变送器电缆外皮上缠绕一层塑料套管，以避免在检修时磨损电缆外皮，造成电缆和变送器短路；
⑤由于水位测量点距控制设备较远，所需变送器电缆较长，在中间的合适位置建一个工作检查井，以便于维修。
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