大坝小流量渗流量仪的研制

李学胜，丁玉江，熊成龙，赵盛杰，罗孝兵，卢欣春

（1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京210003；2.华能澜沧江水电股份有限公司漫湾水电厂，昆明650214）

0 引言

大坝渗流量直接反映了大坝结构体内的安全状况，当渗流量达到一定量时，直接影响到大坝的安危。因此大坝渗流量是大坝及其水工建筑物安全运行监测的重要物理量之一［1-4］。目前，对于1～300 L/s 大流量的渗流量自动化测量主要采用量水堰法间接实现［5-8］，但是对于小于1 L/s 的流量主要是通过人工进行监测，劳动强度大、工作效率低、实时性差［9-13］。况且坝体及建筑物内渗析出来的流体内含有呈粉末状杂质，极其细小，用过滤网根本无法将其挡住，小流量渗流经过稍长时间的流经表面会积敷大量的这种水垢物质，普通的测量仪器无法长期进行自动化监测［14］。

为解决这一长期困扰大坝安全监测的难题，我们研制了一套基于容积式测量原理［15，16］的大坝小流量在线监测渗流量仪，采用待测流体随时测量，即时流走的流体测量控制原理［17］，不会产生污垢沉积而影响测量精度问题，特别适用于大坝管口渗流小流量、多杂质及潮湿等监测环境下长期可靠地进行渗流量自动化监测。

1 仪器工作原理

目前，大坝小渗流量（Q≤1 L/s）的测量主要是采用人工的方法，即人工用一个量杯去接待测流体，并记录流体充满量杯所用的时间，进而计算出流体的流量。这种方法测量精度相对较高，但需要大量的人力，效率太低，无法实现远程实时在线监测，不能满足现代水利工程渗流量监测的实际需求。

本传感器采用与人工测量一样的容积式测量原理，确保了测量精度，将待测流体引入一定容积内，计量流体充满容积所用的时间，待测流体的流量Q为：

式中：V为容积的体积；T为充满该容积所用的时间。

同时，为避免装置在长期的自动化测量过程中出现结垢，测量装置与引流装置分离设计，创造性地设计了一种即时测量、即时流走的流量容积测量机构，使容器仅在测量的短暂时间内有流体，在不进行测量时容器内没有流体，从而避免了容器长期盛装流体导致的结垢现象。

2 传感器结构设计

渗流量仪整体结构如图1所示，主要由容器、电动机、液位开关、进水管及排水阀等组成。电动机驱动连接引水部件和排水阀的联动机构。液位开关感应容器内水位变化，控制电动机的启动及停止。平时不测量时，电动机驱动引水部件，使直排引水管与出水管相通，将大坝内待测的渗水由出水管直接排出仪器，实现此功能的部件称之为引流子部件；当需要测量时，由测控模块发出测量命令，电机带动转动杆、引水部件及排水阀转动，将引水部件的引水弯管接头转置引水管下方，关闭排水阀，待测的渗水经引水管、引水部件流至容器内，模块开始计时，当流体达到容器内某一固定的位置时，液位开关给出信号，计时结束，电机反转，转动杆带动引水部件将直排管转置引水管下方，待测渗水直接排出流量计，同时排水阀打开，放空容器中的水，完成此测量功能的部件称之为测量子部件。为了简化结构，引流子部件与测量子部件内零部件相互共用、统一协作实现大坝渗水测量的目的。待测渗水的流量可以通过仪器有效容积除以灌满有效容积花费的时间得到。

图1 仪器结构图Fig.1 Structure chart of instrument

大坝内渗水含有许多游离的杂质，呈粉末状，无法用设备过滤，时间一长就会积敷在流经的物体表面。一般的流量仪用在此处测量流量时，时间不长就会产生堵塞，导致测值不准确或不能正常测量。这也是为什么至今还没有一种有效的可以自动化测量流量小于1l/s大坝渗水的原因。本流量仪采用模仿人工测量的方式，在结构设计时将测量部件与引流部件进行分离设计，测量时将水引至测量容器，不测量时，水直接引走，不经过测量容器，有效避免测量容器内产生大量积垢现象。即使存在积垢也是经过较长时间的运行，而且本仪器拟设计有清洗孔，只要定期对其进行清洗，就能保证该监测仪器长期稳定运行及测量精度。

为了使引水部件与容器下方的排水阀达到同步，设计了一种机构使引水部件与排水阀一致。当测量时，引水部件将水引至容器中，同时排水阀关闭，测量完毕，引水部件将水直接排出仪器外部，使水不经过容器，另外排水阀打开，放空容器的水。由于排水阀计划采用直接购买的成品，因此，电机的旋转角度为90°。而引水部件必须根据容器实际形状的大小及空间以及旋转90°的要求来设计其结构。电机旋转90°靠两个微动开关来定位，设计时计算好微动开关的尺寸确保转动的角度达到准确。

流量仪测量精度的另一个重要因素是测量时水流入容器所产生的波浪，当波浪较大时，测量精度就会达不到要求。根据设计经验，采用过的消波浪方法有，水从底部流出、水从容器壁流入、水经过消能再流出等多种方法。为了尽量减小波浪对测量精度的影响，本设计采用多种方式组合，首先在入水口加装一消能装置，减小波浪的产生，同时在液位开关周围增加一保护管，波浪影响测量精度的因素主要是波浪会使液位开关的浮子产生剧烈晃动，特别是流量稍大时，晃动更剧烈，致使起始测量点和结束测量点不准确而影响测量精度，在液位开关周围增加一保护管，使水从底部涌入，这样可以使浮子在保护管内缓慢地上升，而不受波浪的影响，另外，自主设计了一套浮子结构，在满足浮力的基础上增加了浮子的质量，使其受波浪影响相对减弱。经过一系列设计，提高了仪器的测量精度，满足了仪器的设计要求。

3 电路设计

流量仪采用一个24VDC 电机同时控制水流导流器和阀门。电机采用正反转方式，通过延时切断电机电源，电机工作电流小于100 mA（启动电流小于0.67 A），供电时间短，每一测次供电时间小于15 s，因此耗电少。据此，考虑直接采用NDA510×为模块供电，这有利于系统电源统一，并且在市电断电情况下仍可测量。模块内部使用降压芯片MAX603 转换为5VDC 为模块内部各芯片提供电源，并且采用MC34164 电源管理芯片，在电源电压低于门限值时使MCU处于节电工作模式或关闭电源，实现对电池保护。对电机的供电拟选用北京利德华福电气公司的HM10-5S24 模块电源，此升压模块输入电压范围宽（4.5～9 V），输出电流最大能达到1 A，转换效率高（达80%）。模块电源将NDA510x 模块的输出电压直接升至24 V，为24VDC 电机供电。在不测量时，使用场效应管关闭模块电源的输入端，达到节电目的。电源原理框图如图2所示。

图2 数据采集模块电源原理框图Fig.2 Schematic diagram of power supply for data acquisition module

模块电路除电源控制电路外，还主要包括通信接口电路、参数与数据存储电路、控制器、时基电路、电机电源控制电路、流量计水位状态反馈电路和输入输出电路等构成，原理框图如图3所示。

图3 数据采集模块原理框图Fig.3 Block diagram of data acquisition module

通信电路实现RS485方式远程通信，采用MAX1480接口芯片，它具有抗雷击、防静电功能。参数与数据存储电路选用AT25256 芯片，可实现参数及300 组以上测量数据的存储，并且具有掉电数据保护能力。时基电路为模块实现定时测量提供时间参考。

电机控制电路：为便于阀门控制，电机采用正反转工作方式。因此必须为电机提供正向和反向电源。电路上，由控制器输出两路控制信号控制光电隔离器件（光电隔离器件主要作为电源隔离和电平转换器），分别控制由场效应管构成的电机转动方向控制桥式电路。当系统启动时，场效应管均关断，不向电机供电。当需要测量时，第一组场效应管连通24 V，而第二组效应管与直流地端连通，电机正转；控制器延时一定时间后，电机正转到位，关闭电机电源。当测量结束时，第二组场效应管联通24 V，而第一组场效应管与直流地端连通，电机反转；控制器延时一定时间后，电机反转到位，关闭电机电源。电机控制电路原理如图4所示。

图4 电机转动方向控制桥式电路Fig.4 Control bridge circuit of motor rotation direction

液位状态反馈电路：流量计的水位判断由初始水位、小流量水位和大流量水位三个开关量组成。测量模块将三个开关量经光电隔离后反馈给控制器，实现电流信号反馈，防止外部干扰信号引起状态误判。此三路反馈信号中，初始水位信号采用中断方式，以便即时计量起始时间，降低测量误差。

图5 开关量输入接口原理图Fig.5 Schematic diagram of switch input interface

输入输出电路：因传感器离数据采集模块有较远距离，并且很多现场可能处于高雷区，因此输入输出接口必须采取防雷措施。本模块的所有的传感器输入输出线均经过DS2Y-SDC5V 继电器后进入模块，此种继电器隔离电压高达1 000 VAC。当不测量时，继电器处于断开状态，传感器线与模块断开，能最大限度地防止雷击或其他强电磁干扰对模块电子器件的损坏。每个测量通道有6 根导线，因此使用3 个DS2Y-SDC5V 继电器。继电器线圈的驱动电路是控制器将控制信号经锁存器后，用1 只PNP 三极管接收控制信号，然后经过2 只NPN三极管放大后再驱动3只继电器的线圈。其中PNP三极管实现了只有在控制信号为低时输出高电平，实现电平反向和电流放大功能，防止模块上电时产生继电器误动作；2只NPN三极管为3 只继电器线圈提供足够的驱动电流，达到长时间可靠驱动目的。

4 技术指标

（1）测量范围：0～1 000 mL/s。

（2）测量误差：3%FS。

（3）供电电压：DC24V。

（4）通讯类型：RS485。

（5）工作环境：温度：0～+60 ℃，湿度：100%。

注：FS为仪器的测量范围，单位为mL/s。

5 试 验

把装配好的流量传感器安装在专用标定台上，按图6 将数据采集模块NDA1262和电脑与传感器相连，仪器引水管与水槽出水口连接，调节水槽的出水管的阀门，使水槽的出水管的流量处于需要测试的流量附近。待水流平稳后，进行人工比测。人工测量的方法就是采用称重计时法（在一定的时间内流过仪器的水量，按1 kg 水≈1 000 mL 水计算）。比较两者的测值，并以此计算出流量计的容积，以此容积作为仪器参数填入参数表中。调节水槽的出水管的阀门，使流量处于仪器测量范围内任意一流量。通过人工和仪器分别测量此时的流量（仪器自动测量三次求均值），把数据输入到测量表格。如此进行3种不同流量的试验，详细数据如表1所示。从表1 中测试数据可见，仪器测量精度达到3%设计要求。

图6 系统试验图Fig.6 System test diagram

表1 仪器测量流量与人工测量流量对比表Tab.1 comparison table of instrument measurement flow and manual measurement flow

6 结 语

本渗流量仪是采用容积式测量原理设计的一款小于1 L/s的小流量大坝渗流自动化监测的仪器，通过将测量部件和引流部件分开设计，解决了大坝渗流中因含有的多种杂质在长期测量过程中会积敷在测量仪器中导致测值不准或不能测量的问题，通过特殊的结构设计及合理布局，简化了结构，提高了空间的利用率，实现了仪器的小型化，方便现场安装调试。通过与人工对比测量和长期的现场试应用，验证了该仪器具有测量精度高、长期稳定性好等特性，适合大坝渗流的小流量、多杂质、潮湿等环境的自动化在线监测，节省了人力物力，具有很好的推广应用价值。□