压力传感器在模拟降雨系统中的应用

张慧玲

（西安航空职业技术学院 电子工程系，陕西 西安 710089）

本课题来源于黄河水土保持委员会西峰治理监督局与西安理工大学自动化与信息工程学院、水利水电学院合作研究项目：模拟降雨自动调节控制系统的研究。为了给水土保湿、雨水集蓄工程及田间试验提供科学依据，定量的评价降雨条件下土壤水分状况以及入渗产流关系，使用人工模拟降雨系统，可以克服常用的野外径流小区进行定位观测耗时费力的缺点，缩短试验周期，加速雨水入渗规律及土壤侵蚀规律研究的进程[1]。

1 工艺简介

整个模拟降雨系统由3大部分组成，分布采用上、下二级结构，分别为上级用上位机IPC部分，下级用下位机可编程控制器PCC单元[2]和现场控制机构[3]，重点介绍压力传感器在现场控制系统中的应用。

2 系统功能分析

1）可以根据需要，设定压力值，系统利用压力传感器和变频器组成的自动调速控制系统，进行自动调节电机转速，实现恒压供水，系统的响应速度快，稳定性好[3]；

2）系统设有手动、自动控制两种模式：在手动方式下，由操作人员根据压力表显示的情况，进行手动启动；在自动方式下，利用压力传感器和变频器组成的自动调速控制系统，完全根据压力设定值进行雨量大小调节。

按照试验要求，本系统技术参数如下：

1）模拟降雨系统的均匀度指标大于0.85（一般都大于0.8）。

2）降雨量可调范围30～240 mm/h，要求在不同时间段内，降雨量大小可通过闭环控制系统自动调节和手动调节两种方法实现。

3 控制系统设计

3.1 现场控制系统设计构思

该模拟降雨系统在供水过程中，流量、压力等参数根据实验要求，常随不同时段对雨量的要求不同需要调节。以前，由于技术水平的限制，没有一种合适的调速方法，只能采用控制阀门或挡板开度大小的方法来改变流量、压力等。这样，往往会出现很多意想不到的问题而达不到工程要求。

近年来，随着检测技术的迅速发展，压力传感器[4]在供水系统中得到了广泛应用，由于在供水控制系统中，流量是供水系统的基本对象。但流量的测量比较复杂，考虑到在动态情况下，管道中水压p的大小与水泵供水能力（用流量QG表示）和喷头出水量（QU）之间的平衡有关：

如果供水能力QG大于喷头出水量QU时，则压力p增大；反之则压力p减小；如果供水能力QG等于喷头出水量QU时，则压力p不变，即恒压供水。总之，只要能保持供水系统中某一出水压力的恒定，也就是保证了使该处的供水能力和用水能力处于平衡，从而满足了工程的用水要求。这就是恒压供水所要达到的最终目的[5]。当水泵供水量恒定时，管道所受压力p与喷头出水量QU之间的关系用图1所示曲线表示。

图1 管道压力与喷头出水量之间的关系Fig.1 Relationship between pipe pressure and sprinkle-nozzle outlet water

为了达到恒压供水的控制目的，该系统在泵的输出管道上加装压力传感器，通过压力传感器将供水能力和用水能力的不平衡信号送至变频器的反馈信号输入端VPF（电压信号），组成闭环控制系统，并通过变频器的输出信号控制水泵电机的转速调节供水量，来改变雨量大小[5]。恒压供水系统结构框图如图2所示。

图2 恒压供水系统结构框图Fig.2 Structure diagram of constant voltage water supply

3.2 现场控制系统设计

通过对雨强大小的分析可知，决定雨强大小的因素有喷头打开的组数、喷头的出水量、管道中水的压力大小等。在管道压力满足喷头能正常喷出水的情况下，雨强的大小则取决于喷头打开的情况，所有喷头全部打开时，则雨强最大；打开喷头数目减小时，则雨强减小。在该降雨系统中，根据对不同区域、不同时间段内对不同雨强大小的要求，系统采用了3条支路供水管道供水，在3条管道支路上，分别安装了3种不同孔径大小的喷头组，通过打开不同管道支路上的不同喷头组来实现不同出水量的调节[3]。3种不同孔径大小的喷头由小到大分别用1、2、3表示。每个喷头组下均带有4个相同的喷头，每一组由一个电磁阀控制，雨强的大小则由打开各喷头组上电磁阀的组合决定。通过对3种型号喷头打开的不同组合，可产生7种不同的雨强大小，其组合模式如表1所示。

表1 三种喷头的不同组合情况Tab.1 Different combination among three sprinkle-nozzles

设计中重点解决了3个问题：

1）解决设定值ur的大小和雨强大小之间的对应关系；

2）解决决定雨强大小的电磁调节阀的开度与控制系统中的执行机构送出信号之间的关系；

3）解决由手动调节向自动调节切换时控制信号的匹配问题。

具体解决办法：

为了实现恒压力供水的目的[5]，系统采用闭环控制，同时考虑系统的安全性，附加开环控制，作为备用。当雨强大小要求变化时，可通过上位机从界面上选择不同支路上的电磁阀对不同喷头进行组合，保证喷头能够正常喷水，必须同时改变电磁调节阀的开度，当雨强增大时，则电磁调节阀的开度增大；当雨强减小，则电磁调节阀的开度减小，这时水管压力会随之跟着变化。水管压力的变化通过传感器实际检测，将检测到的信号uf送变频器与雨强大小的设定值进行ur比较处理，比较处理的结果调节水泵电机的转速改变出水量，从而调节雨强大小。雨强大小的设定值ur可根据实际需要随时改变。

该控制系统结构如图3所示，由压力传感器和变频器组成的变频调速控制系统。以实现在线控制电机转速来调节水泵出水量。系统主要由变速水泵、电机、变频器（含PID调节器）、压力传感器、管网等构成了闭环系统实现。调节手段采用管网最不利的恒压控制。

图3 控制系统结构框图Fig.3 Structure diagram of control system

3.3 系统设备选型

根据实体模型建设和试验研究的需要，系统所需变频器选择ABB ACS600系列[6]的变频器，其功率范围：2.2～3 000 kW，电源频率：48～63 Hz；电机选用15 kW的电机，水泵扬程在5 m左右；传感器选择压差式压力传感器[5]；喷头选择下喷式人工降雨装置。

4 结束语

试验测试结果表明，该系统通过压力传感器对管道内压力变化检测，经转换环节构成的闭环系统可实现自动调节水泵出水量，以满足实验所需降雨量的大小要求，从而实现了进行土壤侵蚀科学研究的重要实验手段，其特点克服了径流小区进行定位观测耗时费力的缺点，缩短试验周期，加速雨水入渗规律和土壤侵蚀规律的研究进程，对水土保持以及水资源科学利用具有相当重要的意义。

[1]王洁，胡少伟，周跃.人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用[J]， 水土保持研究，2005，12（4）：188－190，194.

WANG Jie，HU Shao-wei，ZHOU Yue.Application of artificial simulation of rainfall devices to soil and water conservation[J].Research of Soil and Water Conservation，2005，12（4）：188－190，194.

[2]田少强.水轮机调速器的控制软件在PCC上的实现[D].南京：河海大学，2005：1－69.

[3]高小梅，李兆麟，贾雪.人工模拟降雨装置的研制与应用[J].辐射防护，2000，20（1）： 86－90.

GAO Xiao-mei，LI Zhao-ling，JIA Xue.Development and application of artificial rainfall device[J].Radiation Protection，2000，20（1）： 86－90.

[4]金发庆.传感器技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2004： 128－132.

[5]王金航.水幕控冷过程中供水系统的进化建模与控制研究[D].北京：北京工业大学，2002：70.

[6]石秋洁，变频器应用基础 [M].北京：机械工业出版社，2003：49－110.