超声波明渠流量计在电站下泄流量监测方案中的运用

电站下泄流量监测方案

关键词：无线传输，流量检测，数据采集，方案

　　一、系统背景及设计目标

　　本系统完成下泄流量检测，并将流量计的数据通过无线网络的方式传输到省环保厅监控中心。这样就不需要像传统的数据采集方式那样，进行长距离施工、布线，才能够将数据传输回控制中心，减少了安装和维护上的困难。

　　本方案的流量自动检测和无线传输设备，达到以下设计目标：

1、设备自成系统，除了电源以外，无需额外的硬件设备支持，检测数据通过串口直接输出；

2、安装、维护简单；

3、系统自带网络配置软件，操作简单。

　　方案中现场数据采集设备，根据水流下泄方式的不同，采用不同的设备。力求准确适时的反映下泄流量的变化。在无线传输过程中，有几个备选方案，主要不同是实现数据的远距离传输具体方式不同，但都采用无线传输方式。

　　二、系统的组成

本系统由系统电源、流量传感器、数据采集控制设备、无线数据传输发送终端组成。四个部分均安装在水位采集现场，系统电源为整机提供稳定可靠的电源；流量传感器完成流量的检测；数据采集控制系统完成对流量传感器输出的信号进行采集、分析，另外完成对无线模块的控制；无线终端完成数据的网络传输。

2.1、检测系统构成及特点

　　系统采用无线网络技术的无线检测系统，将流量传感器的输出信号，通过采样，转换成无线网络可以传输的数据，传输到省监控中心，实现了对下泄流量进行实时在线检测，真正做到了远距离遥测。

　　系统具有实时性：实时在线监测；灵活性：用户可根据自己的需求，灵活、方便的设置参数；安全性：不论是产品、还是工具及其维护，都具有系统安全性和可靠性；采集方式：实时采集等特点。GPRS的传输仅受移动网络的影响，凡是有移动网络的地方，都可以采用这种方式。

　　维护费用：GPRS的数据是按照流量计费，一般月租5元，可以有30Mbytes的流量，基本可以满足大多数输出传输的要求，使用费较低。

可靠性：由于流量数据检测仪器，GPRS无线传输模块都已经广泛应用于社会生活的方方面面，因此可靠性、技术成熟度上都是较高的。

2.2、GPRS网络设置软件

　　考虑到GPRS网络的特殊性，以及使用的灵活性，本系统需要配套一个网络设置软件，对串口波特率、工作模式、DTU模式等进行相应的设置。

　　三、系统防雷设计

　　除了对前端检测设备进行防水、防雨设计，有些现场还需针对防雷进行设计。

3.1、雷击破坏途径

　　由于前端设备是安装在户外，雷雨天气将对设备产生影响，将可能由以下几

种途径对系统产生破坏。

①直击雷：雷电直接击在露天的前端设备上造成设备损坏；雷电直接击在电源或检测线缆上造成线缆熔断。

②雷电波侵入：电源线、信号传输或其他金属管线遭到雷击或被雷电感应时，雷电波沿这些金属导线侵入设备，造成电位差使设备损坏。

③雷电感应：

　　当雷击中避雷针时，在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场。处在电磁场中的检测设备和传输线路会感应出较大的电动势。这种现象叫电磁感应。当有带电的雷云出现时，在雷云下面的建筑物和传输线路上都会感应出与雷云相反的电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100KV，信号线路上可达40－60KV。这种现象叫静电感应。研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。

　　电磁感应和静电感应称为感应雷，又叫二次雷击。它对设备的损害没有直击雷来的猛然，但它要比直击雷发生的机率大得多，按原邮电部的统计感应雷造成的雷击事故约占雷击事故总和的80%。

3.2、无线设备防雷措施

根据对无线设备的结构分析，以及雷电可能的侵入途径，设计了以下防雷解决方案。前端设备应置于接闪器（避雷针或其它接闪导体）有效保护范围之内。当前端设备独立架设时，原则上为了防止避雷针及引下线上的暂态高电位，避雷针最好距前端设备3－4米的距离。如有困难避雷针也可以架设在前端设备的机箱上，引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ8的镀锌圆钢。为防止电磁感应，电源线和信号线应穿在金属管内以达到屏蔽作用，屏蔽金属管的两端均应接地。

　　为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器，如电源线、信号线和控制线。

四、系统设备主要参数

4.1流量数据检测设备　　

根据现场水流下泄方式的不同，流量数据检测设备主要有三种，超声波明渠流量计，多普勒流量计、超声波管道流量计。超声波明渠流量计主要用于渠道流量的检测，前提是有比较规范的渠道或者堰槽；多普勒流量计主要用于不规则河道的流量检测，前提是水深要达到50CM以上；超声波管道流量计主要用于管道流量的检测。

4.1.1超声波明渠流量计

分体式超声波明渠流量计，无标定杆，型号：DYFX-OC

分体式超声波明渠流量计跟巴歇尔槽、三角堰、矩形堰配合测量渠道内的水流量，适用于液体的测量，主要用于在测量污水厂、企事业单位的污水排放口、城市下水道的流量及农田水利上灌渠等。

主要技术参数

4.1.2多普勒流量计

名称：超声波多普勒流量计

结构：分体式；

测量种类：流速、流量、水深、水温

用途：敞口渠道在线式测量

使用环境：明渠，排水沟、农田灌溉渠道

流速范围：0.01m/s～6.0m/s；

水深范围：0～5m(最小水深：3cm)；

温度范围：0～65oC；

流量范围：1升/秒～99999999立方米/小时

供电：电池供电，12VDC，24VDC或者220VAC；

输出信号(电池供电)：RS485，RS232；

输出信号(12VDC以上外供电)：4-20ma，1～5V；

无线传输(可选件)：GPRS

电缆长度：10米；

4.1.3超声波管道流量计

4.2无线数据传输设备

　　本公司的GPRS模块，在普通模块的基础上，增加TCP/IP协议，同时自带AT?指令解释器。使用RS485接口，数据传输部分采用透明传输的方式，便于连接到各种现有的成熟设备上，而不需要更改已有的数据传输协议。

4.3系统电源

　　系统电源模块使用隔离开关电源，首先将220AVC电源转换成12VDC的直流电源，然后再转换成各个模块需要的电源。 如果现场没有220VAC电源，则采用太阳能供电。

4）系统可维护性设计

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　　本系统是安装在野外，如果系统出了问题，需要工程人员到现场维护，既费时，又费人力、财力，所以这里设计两层保障措施，防制系统死机。第一层措施是在无线网络中增加“心跳”数据包，如果长时间未收到心跳数据包，则进行一次软复位，同时发送复位指令给前端系统的其他设备，让所有设备进行一次软复位。但是第一层是建立在前端设备未出现死机情况下，才能进行，所以还需要独立于前端设备的一种硬复位方式，当前端设备系统出现问题的时候能够操作设备完成一次复位，并重新运行。第二层措施是在前端设备上，配备一个短信模块，并由短信模块输出?IO?控制前端设备供电。当前端设备出现问题的时候，又远端控制中心发送多条（例如3?条，为了防制误传）短信给前端设备的短信模块，短信模块收到短信之后，判断是否为复位指令，如果是则关断前端设备电源，延时数秒钟之后重新给设备上电，这样就完成一次系统复位。

5）前端采集设备的安装

???前端采集设备，即系统电源、水位传感器、数据采集设备、无线数据传输发送终端，安装在野外露天环境下，因此必须做到防水、防雨、防雷击，所以需要对它们的结构及安装做相应的设计，下面先解决防水、防雨问题，在第四部分再对防雷击进行设计。

2.2 水位传感器安装

　　由于本检测系统是测量电厂上游进水口处水位，即对流动的水测量液位，所以安装时在水中插入一根Φ45左右的钢管，在管子位于水流方向的反向不同高度开若干个Φ5?左右的小孔，使水进入管中，在管的出口处将电缆线和接线盒固定。

　　系统电源、数据采集设备、GPRS?终端安装采用的防水措施是，将安装于户外的系统电源、数据采集设备、GPRS?终端，固定在密闭的金属外壳机箱内。其中，需要外接的电缆，如无线检测终端用的天线延长电缆、信号电缆等，使用防水防爆的航空插头连接到机箱外部。无论开孔设置在哪里，在开孔处均需填充防水物质（如：腻子膏）。该金属机箱安装在水位传感器装置的固定脚架另一端，如上图4所示。

6）无线数据接收终端

　　发电厂房内安装无线数据接收终端，考虑到厂房内信号可能较差，需要使用射频馈线将天线延伸到厂房以外，如图1?所示。无线接收终端通过无线网络，从前端设备获得水位数据及现场其他参数；另一方面，将得到的数据通过RS485总线输出到厂房的监控设备，或者将水位数据转换为4~20mA?的模拟信号输出。