水电站传感器应用分析

摘 要：水电站有大量的温度、压力、流量、水位等非电量信息，这些非电量信息是利用传感器来采集并转换成标准电信号输出，经PLC采集通过通信上传到上位机显示，以利于水电站运行和管理人员能及时地掌握反应水电站运行状况。本文对传感器的结构组成；水电站的温度传感器、压力传感器、流量传感器、水位传感器的工作原理以及PLC与传感器连接进行了分析。

关键词：水电站；非电量；传感器；PLC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.143

1 水电站传感器的组成

水电站非电气量信息，包括温度、压力、流量、水位等。这些非电气量信息在水电站生产过程中多数变化过程较为缓慢，一般通过传感器来作为这些非电量信息采集工具。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信号的器件或装置。[1]传感器的组成如图1所示。

2 水电站常用传感器分类及工作原理

2.1 温度传感器

水电站中的油罐、油箱、气罐、空气压缩机各段温度需要用温度传感器来测量。温度传感器按照传感器材料及电子元件特性分为热电偶和热电阻。

热电偶是利用热电效应来测量温度的，即两种不同成分的金属导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势。直接用作测量介质温度的一端叫做测量端，另一端叫做冷端，冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。

热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。[2]

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：

Rt=R0[1+α（t-t0）]

Rt， R0： 热电阻在t ℃和t0 ℃时的电阻值；α：热电阻的电阻温度系数（1/℃）；t：被测温度（℃）。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为： Rt =AeB/t ；Rt：温度为t时的阻值；A、B：取决于半导体材料的结构的常数。

2.2 压力传感器

水电站中引水、尾水、冷却水、压力油、 压缩空气管管路压力用压力传感器测量。压力传感器有电阻应变式、压阻式、电容式压力传感器等几种。电阻应变式压力传感器利用被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴的电阻应变片感受动态压力的变化。压阻式压力传感器以硅片作为弹性敏感元件，该硅片上有四个等值导体电阻，组成惠斯登电矫，当硅片受力后、由于半导体的压阻效应。电阻值发生变化，使电桥输出而测得压力的变化。电容式压力传感器的电容极板的相对位置会随着压力的变化而改变，从而引起电容的改变，通过对电容的测量，实现压力的测量[3]。

2.3 流量传感器

水电站中发电机空冷器进、出口风温等机组、冷却水流量用流量传感器测量。常用的流量传感器有电磁流量计、容积式流量计和超声波流量计。电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律工作的，上下两端的兩个电磁线圈产生恒定磁场，测量管内的导电水体在磁场中作切割磁力线运动时，则会产生感应电势。其感应电势E为：E=KBVD。

K：仪表常数；B：磁感应强度； V：测量管道截面内的平均流速；

D：测量管道截面的内径。

容积式流量计利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，反复计量通过流量计的流体体积来测量流体体积总量。超声波流量计是利用超声波在流动的流体中传播时，流体的流动将会使传播时间发生微小的变化，并且传播时间的变化正比于水体的流速，由此就能测出流体的流速，再根据管道口径就能计算出流量大小。

2.4 水位传感器

水电站中水库、下游尾、集水井、排水廊道、供水池水位用水位传感器来测量。水位传感器根据其工作原理可分为电磁波雷达水位计和磁性浮子水位计。雷达水位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达水位计的天线发射出的电磁波经水面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到水面的距离成正比，关系式如下[4] ：

D=CT/2 D：雷达水位计到水面的距离；C：光速；T：电磁波运行时间。磁性浮子水位计采用浮力原理和磁性耦合作用来测量的。当被测的水位升降时，水位计的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，指示器的红白交界处为水位的实际高度，从而实现水位清晰的指示。

3 水电站传感器与PLC连接

传感器采集水电站非电量的信息，输出的信号有0-20mA/4-20mA电流信号和0-75mV/0-5V/1-5V电压信号。4-20mA信号制是国际电工委员会（IEC）过程控制系统用模拟信号标准，现是传感器常用的标准输出信号。图3为PLC与开度传感器连接方式，PLC与传感器的连接要根据传感器与PLC的功能和技术特点进行匹配选型，同时也要考虑到水电站现场各种EMC干扰的影响，通常把传感器输出的模拟信号隔离、放大、转换后送到PLC。PLC通过信号线采集传感器的模拟或数字信号，然后进行处理。

参考文献：

[1]黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].人民邮电出版社， 1998.

[2]姜世昌.温度传感器[J].软件，2008（03）：44-47.

[3]孙以材.压力传感器的设计、制造与应用[M].冶金工业出版社， 2000.

[4]许笠.雷达水位计在水情监测系统中的应用研究[J].人民长江， 2014，45（02）：74-77.

作者简介：朱雪雄（1981-），男，湖南长沙人，讲师，研究方向：电力系统自动化、职业教育、机器学习。