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超声波明渠流量计在电站下泄流量监测方案中的运用

发表时间:2021-01-11 23:33作者:上官小东

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。

wps1.jpg

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

wps2.jpg

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

 

分 体 型

测量范围

0.1/秒~99999.993/小时

累计流量

4290000000.003

液位测量精度

0.5%

分辨率

3mm0.1%(取大者)

流量测量精度

1%5%

模拟输出

420mA/750Ω负载

显示

中文背光液晶

继电器输出

4AC 250V/ 8A
DC 30V/ 5A   状态可编程

供电

220V AC±15%   50Hz
24VDC 120mA   可选

防护等级

显示仪表IP65
探头IP68

环境温度

显示仪表-20+60
探头-20+80

探头电缆

可达100米,标配10

通信

485232通信,
MODBUS协议(可选)

探头安装

根据量程和探头的选型



4.1.2多普勒流量计

超声波多普勒流量计实物图_副本.jpg

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

wps4.jpg

项目

性能,参数

精度

1.0 % (国产超声波流量计唯一真正达到此精度者)

重复性

0.2%

流速范围

0 ~ ±32 m/s

测量原理

超声波传播时差原理,双CPU并行工作,4字节浮点运算。

测量周期

500mS. (每秒2)

显    示

2×10背光型汉字液晶显示器。

操    作

固定式:4×4轻触键盘;便携式:4×42轻触键盘。

输    入

30~20mA输入,精度0.1% 。可输入压力、液位、温度等信号。

输    出

电流信号:4~20mA0~20 mA, 阻抗0~1KW,浮空,精度0.1%

频率信号:1~9999Hz之间任选(OCT输出)。

脉冲信号:正、负、净流量及热量累计脉冲,继电器及OCT输出。

报警信号:继电器及OCT输出,近20种源信号可选。

数据接口:RS232C串行接口,可选配RS485CAN总线。

打印输出

可选配24列字符EPSON微型打印机。

其他功能

记忆日、月、年累积流量,上、断电时间、流量和流量管理功能。

可选自动或手动补加累积量功能,记忆每天的工作状态。

可编程批量(定量)控制器。

故障自诊断功能。

网络工作方式等。

 

外缚式:小型标准S1 型,适用于管径DN15DN100mm

中型标准M1型,适用于管径DN50-DN700mm

大型标准L1 型,适用于管径DN300-DN6000mm

插入式:测量管道材质不限(可焊接、不可焊接都可以)适用于管径DN80以上。

标准管段式:适用于管径DN10-DN400,整机测量精度±0.2%

电缆长度

可加长至300m(超过此长度请同厂家联系)。

管道

衬   材

钢、不锈钢、铸铁、硬质塑料、水泥管等一切质地密致管道,允许有衬里。

内   径

10mm - 6000mm

直管段长度

上游≥10D,下游≥5D,距泵出口处≥30D

种   类

水、海水、酸碱液、食物油、汽、煤、柴油、原油、酒精、啤酒等能传播超声波的均匀液体。

浊  度

≤10000 ppm, 且气泡含量小。

温   度

-10~150

流   向

可对正反向流量分别计量,并可计量净流量。

工作环境

温   度

主机:-10-70 (大于此温度范围要求请与厂家联系)

探头:-30 ~ +150

湿   度

主机:85%RH

探头:可浸水工作,水深≤3米。

电    源

固定式、盘装式:DC8~36V AC7~30V或选用AC220V供电方式。

用户可更据现场电源情况选用我公司生产的UPS-72型备用充电电源,可提供经固定式超声波流量计72小时的工作电能。

便携式:机内充电电池可工作24小时或AC220V

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

   泥位计现场图片-2.png

  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。

266970528880098100.jpg

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。

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