水电站计算机监控技术

传感器和变送器并无严格定义上的区别，它们都是将被测物理量转换成电气参量来实现对该物理量的检测；其主要区别在于转换输出要求不同。传感器的输出信号小，可不考虑输出信号的传送和接口；而变送器的输出电路设计则要考虑输出信号的传送和接口要求。

对于非电气模拟量的采集，在计算机监控系统过程接口和非电气模拟测量点之间，一般需要加入传感器或变送器，其非电量传感器和变送器的模拟输出应与计算机控制系统过程接口设备相匹配。

因考虑到在自动控制基础中，有关水电站常用自动化检测元件斗都已经有过详细的介绍，因此在此仅介绍水电站常用的传感器和变送器的类型以及性能特点，结构部分不再做详细介绍。

第一节 传感器的分类及基本特性

传感器由敏感元件、传感元件及转换电路三部分组成，如图1所示。图中敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件。即被测量x通过传感器的敏感元件转换成一与x有确定关系的非电量或其它量。这一非电量通过传感元件后被转换成电参量。转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成电压或电流量。应该指出，不是所有的传感器都有敏感、传感元件之分，有些传感器是将二者合二为一的。

1、传感器分类

传感器的种类名目繁多，分类不尽相同，常用的分类方法有： （1）按被测量原理分类可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、流量、流速等传感器；

（2）按测量原理分类可分为电阻、电容、电感、热电阻、超声波等传感器；

（3）按输入、输出特性的线性与否分类可分为线性传感器和非线性传感器二大类。

2、传感器基本特性

25

图1 传感器组成框图被测量敏感元件 非电量传感元件 电参量转换电路 电量 传感器的特性一般指输入、输出特性；它有静态、动态之分。传感器动态特性的研究方法与控制理论中介绍的相同，故不再重复。下面仅介绍其静态特性的一些指标；传感器的静态特性包括灵敏度、分辨率、线性度、迟滞和稳定性等方面。下面就这些静态特性的定义予以说明。

（1）灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比。

对线性传感器，灵敏度为一常数；对非线性传感器，灵敏度随输入量的变化而变化。

（2）分辨率

分辨率是指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨率时，传感器对输入量的变化无任何反应；

（3）线性度

线性度是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差和传感器满量程输出之百分比；

（4）迟滞

迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。

图2、图3中正向特性曲线是指在输入量x从零开始逐渐增大到满量程情况下所得的曲线。而反向特性则与之相反。

xmaxxxmax ⊿Lmaxymax 21 ⊿Hmax yymaxy 12 x 图2 传感器线性度示意图 图3 迟滞特性示意图 1—拟合直线y＝ax 2—实际特性曲线 1—反向特性 2—正向特性

（5）稳定性

稳定性包含稳定度和环境影响量二个方面。稳定度指的是检测仪器仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其指示值不变的能力。

26

第二节 水电站常用的非电量传感器和变送器

水电站采用的非电量传感器和变送器有如下几种类型： 一、温度传感器和温度变送器 1、温度传感器

温度传感器常用热电阻作为温度敏感元件，热电阻温度敏感元件利用纯金属的电阻值随温度不同而变化的特性进行测温的。用于敏感温度的纯金属主要有铂、铜、镍、铁等，这些材料的电阻值与温度的关系可用二次方程描述，即

Rc=R0(a+bt+ct2) （1）

式中，R0——材料在温度t＝0℃时的电阻值； t ——温度；

a，b，c ——由实验决定的系数。 7几种常用的热电阻材料其电阻与温度变化之间的关系如图4所示。由图可见，铂热电阻的线性最好。它的物理化学性能极为稳定。铂是一种较为理想热电阻材料。它主要是用来制作-200～1000℃的测温元件，用于工业中温度的精密测量，但价格较贵。铜热电阻在-50～180℃范围内稳定性、线性均好。

热电阻常用电桥作为测量线路。由于热电阻丝的电阻值很小，所以导线的电阻值不可忽视。例如对电阻为50Ω的测温电阻，150Ω的导线电阻就会产生约5℃的误差，因此，为消除或减少导线电阻的影响，常用图3.6所示的三线式电桥接法。电阻Rt两端接电桥相邻两臂，因而可以避免因长线连接的导线电阻受环境影响而引起的测量误差。

图5 热电阻测温接线原理 铜 65432200 400 800 图4 热电阻的电阻与温度关系 银 铂 ℃ Rt=R2 r2 rEr3 R3R1ER4U0 测点Ue= E 27

热电阻主要用来测量轴承温度、发电机温度、变压器温度等。 近几年来水电站已广泛采用铂电阻元件用于测量机组轴承温度、定子温度、冷却器温度及变压器温度。所选用的参数是，铂电阻温度测量范围-50℃～+150℃或-190℃～+280℃，0℃时的电阻值为100Ω，温度电阻变化系数为0.385Ω／(℃)。铂电阻传感器的连接头有2线、3线和4线制三种，3线制连接有利补偿长距离引线电阻的影响，使用比较普遍。

2、温度变送器

温度变送器是由传感器和微处理器（微机）相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。微处理器是智能式变送器的核心。它可以对测量数据进行计算、存储和数据处理，也可以通过反馈回路传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。

在水电站的非电气模拟量数据中，温度量占有很大比例，对水电站的监控也很重要，但是变送器和接口设备的开销大，为了节省开销，应该控制测点数量。电阻温度传感器的电阻反映温度的变化，将电阻值的变化变换成采集数据一般有两种方法。一种是采用温度变送器将阻值转换成电气模拟量，然后再送进计算机监控系统的模拟量接口设备；另一种是采用专门的温度量接口设备直接与温度传感器连接。此外，水电站还有采用半导体温度传感器进行测量的。

二、压力传感器和压力变送器

水电站的油、风、水系统压力的监控测量需要采用压力传感器或压力变送器。按照物理介质、压力大小和供电电源可选用不同类型的压力变送器。现在水电站中使用的压力变送器有电容式、电子陶瓷元件、电感式和振弦式等类型，其选型应考虑的技术条件包括型号、压力类型、防爆标准、连接件、连接件结构、工作电源、电气输出、精度、量程范围等。

三、液位传感器和液位变送器

对水电站上下游水位、栏污栅堵塞、深井水位和油槽液位等非电气量的数据采集常采用液位传感器或液位变送器转换信号。根据量程变化范围、精度要求和安装维护条件可选用不同类型的传感器或变送器，他们包括浮子——码盘变送器、压力式液位变送器、电容式液位变送器、超声波液位变送器和吹气式水位计等。

28

四、流量传感器和流量变送器

在国内水电站计算机监控系统中，流量监测数据的采集还不多见，主要原因是达到高精度要求的流量设备需要较高的开销，一般只是为了短期测试配置了少部分高精度流量测试设备。随着流量测量设备和技术的发展，流量数据的采集和应用将逐步发挥其作用。目前对于水轮机的流量监测主要是采用超声波流量计。超声波流量计由多个声道换能器和微机组成。常规设置的蜗壳压差流量计，因其精度低而不适于引入计算机监控系统，只能作一般监视。对于冷却水流或润滑水流量需要流量监测和控制时，则可选用流量变送器或差压变送器。

五、转速信号器

转速信号器有电气转速信号器和机械转速信号器两种。一般都是按不同转速值取触点数字信号供监视操作和保护使用。电气型转速信号装置可以提供转速的模拟信号。一种采用转速脉冲信号的装置已替代了永磁机测速，这种装置可设置多个可调的电气转速开关信号，用于对机组的自动控制，还能实现转速模拟信号输出。

六、振动摆度传感器

对于水力机组上下部位的振动和主轴摆度的监测正逐步发展成为在线监测系统，而且多数已将振动和摆度的报警信息引入了数据采集和机组控制系统。振动和摆度的模拟值目前尚未引入计算机监控系统，而仅作单独的监视。

用作振动和摆度监测的传感器类型有电涡流传感器、加速度传感器和振动传感器等。

七、位移传感器

水轮机导叶开度、桨叶开度和接力器行程可以采用位移传感器取得模拟量信号，位移传感器有电涡流传感器、伺服电机、耐磨电位器等类型。

29