油罐光纖傳感液位測(cè)量系統(tǒng)的研究(完整版)實(shí)用資料

油罐光纖傳感液位測(cè)量系統(tǒng)的研究（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）

第33卷第6期Vol.33No.6油罐光纖傳感液位測(cè)量系統(tǒng)的研究（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）2007年11月OPTICALTECHNIQUENov.2007光學(xué)技術(shù)03文章編號(hào):10021582(2007060813油罐光纖傳感液位測(cè)量系統(tǒng)的研究王艷菊1,2,劉靜1,王玉田2,王忠東3(3.大慶石油學(xué)院分院,河北秦皇島066004(1.河北師范大學(xué)電子系,石家莊050031;2.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北秦皇島066004摘要:采用先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)在人工浮子液位計(jì)的基礎(chǔ)上研制了一種新型的液位測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)利用力平衡原理測(cè)量液位,利用光纖傳感器探測(cè)和傳輸信號(hào),采用自制的光學(xué)編碼盤實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的調(diào)節(jié)。測(cè)試結(jié)果表明,在0~1000mm測(cè)量范圍內(nèi),測(cè)量誤差6mm,相對(duì)誤差<2%?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合生產(chǎn)要求,運(yùn)行穩(wěn)定,性能可靠。關(guān)鍵詞:光纖;液位;光學(xué)編碼盤;油罐;浮子液位計(jì)中圖分類號(hào):TQ056;TN247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudyonopticfibersensingliquidlevelmeasuringsystemforoilstoragetanksWANGYanju,LIUJing,WANGYutian,WANGZhongdong(1.Departmentofelectronicengineering,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050031,China(2.InstituteofElectricalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China(3.DaqingPetroleumInstitute,Qinhuangdao066004,ChinaAbstract:Liquidlevelmeasuringsystemwiththeadvancedfiberopticsensingtechnologybasedonthetraditionalfloaterlevelmeterisdeveloped.Itmeasurestheliquidlevelofanoiltankbyusingtheprincipleofforcebalance,capturesandtransmitsopticalsignalsbymeansofthefiberopticsensors,implementsopticalsignalmodulationwiththeselfmadelightcodedisc.Thetestingresultsindicatethatthemeasurementerroris6mm,relativeerroris<2%,whenitsmeasuringrangeis0~1000mm.Byapplyinginachemicalplant,itisprovedthateveryspecificationofthesystemmeetsthedemandsofitsusersanditsperformanceisreliable.Keywords:opticfiber;liquidlevel;lightcodedisc;oilstoragetank;floaterlevelmeter1,21231引言在石油、化工、交通、儲(chǔ)運(yùn)等部門,油罐是廣泛用于儲(chǔ)存易燃、易爆油料的重要設(shè)備。油罐的液位是計(jì)算油品儲(chǔ)量的依據(jù),是儲(chǔ)罐運(yùn)行管理的主要參數(shù),根據(jù)現(xiàn)場各儲(chǔ)罐的液位數(shù)據(jù),可迅速協(xié)調(diào)各個(gè)罐的容量,以平穩(wěn)生產(chǎn)過程。目前,大多數(shù)油罐仍采用機(jī)械浮子式液位測(cè)量裝置,而且是靠人工的方法來記錄和判斷液位的,工作效率低、誤差大,無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和管理。光纖是一種新型材料,具有體積小、重量輕、靈敏度高等特點(diǎn),具有良好的電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性,適宜于在易燃、易爆等危險(xiǎn)、惡劣的環(huán)境中使用。優(yōu)良的傳輸性能可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。光纖傳感技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門技術(shù)。光纖傳感器[1]把被測(cè)參量轉(zhuǎn)化為光信號(hào),克服了傳統(tǒng)傳感器的許多缺點(diǎn),極大地提高了測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍,同時(shí)還可以通過局域網(wǎng)技術(shù)連接成傳感器網(wǎng)絡(luò),能夠滿足飛速發(fā)展的工業(yè)現(xiàn)代化對(duì)傳感器提出的更高要求[1~4]。將光纖傳感技術(shù)與液位測(cè)量技術(shù)相結(jié)合,通過對(duì)傳統(tǒng)浮子式液位計(jì)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出了一種浮球式光纖傳感液位測(cè)量系統(tǒng)。2光纖液位測(cè)量系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)的基本原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光纖液位測(cè)量系統(tǒng)硬件由測(cè)量單元(浮球、鋼絲繩、重錘、導(dǎo)向輪、繩輪、磁力耦合器等機(jī)械部分、光纖傳感器、光電轉(zhuǎn)換器、二次儀表及光纜等五部分構(gòu)成?，F(xiàn)場安裝有測(cè)量單元和光纖傳感器,監(jiān)控安全裝有光電變送器和二次儀表。收稿日期:20061016;收到修改稿日期:20070112Email:Wangyj2003@sohu.com基金項(xiàng)目:河北省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(042135128;河北省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(2004447作者簡介:王艷菊(1967,女,河南省人,河北師范大學(xué)副教授,博士,主要從事檢測(cè)技術(shù)及光電傳感器方面的研究。光學(xué)技術(shù)術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的檢測(cè)[2~第33卷測(cè)量系統(tǒng)利用力平衡原理和先進(jìn)的光纖傳感技4]調(diào)制后的兩組光信號(hào)返回各自的光纖中,沿光纜傳輸至光敏元件,從而產(chǎn)生一連串的電脈沖。采用兩路光纖探頭的原因是因?yàn)椴粌H要記錄液位變化的大小,而且要判斷液位變化的方向。設(shè)兩路光纖的中心距離為脈沖周期長度的四分之一,便于計(jì)數(shù)處理。光學(xué)編碼盤和光纖探頭的安裝位置示意圖如圖3所示。當(dāng)光學(xué)編碼盤工作時(shí),有順時(shí)針和逆時(shí)針兩種轉(zhuǎn)動(dòng)方向,即液位上升或下降,也就是。當(dāng)油罐液位上、下變化時(shí),磁力耦合檢測(cè)系統(tǒng)跟蹤隨液位變化的磁性浮球,通過與隔壓導(dǎo)管內(nèi)的磁錘的相互作用,驅(qū)動(dòng)與磁芯繩索連接的滑輪旋轉(zhuǎn),通過將液位的上、下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成光學(xué)編碼盤的旋轉(zhuǎn),測(cè)出光學(xué)編碼盤旋轉(zhuǎn)的角度和方向,這樣就可確定球罐中液位的高度。光學(xué)編圖1系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)說它對(duì)光纖傳感器中的光有兩種調(diào)制方向,其結(jié)果會(huì)產(chǎn)生兩種光脈沖。如果光學(xué)編碼盤為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),則A探頭和B探頭的信號(hào)圖3光學(xué)編碼盤和光纖探頭的安裝位置示意圖碼盤旋轉(zhuǎn)的角度和方向可表示出液位變化的高度和變化方向(升或降。通過光纜將檢測(cè)到的液位信息傳輸?shù)焦怆娮兯推?光電變送器將兩組帶有液位變化信息(一組作為位移計(jì)數(shù),一組作為方向判斷的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào),在經(jīng)二次儀表對(duì)其進(jìn)行放大整形、判向計(jì)數(shù)后,顯示出油罐內(nèi)液位的高度。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2光纖傳感器光纖傳感器主要由LED光源、光纖、兩組固化的聚集式光纖探頭、光學(xué)編碼盤等組成。光學(xué)編碼盤是一個(gè)沿圓周編有信息碼的薄盤,它與磁輪同軸,密封在光盤室中,完全與環(huán)境隔離。被測(cè)的液位變化帶動(dòng)光學(xué)編碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)由兩路光纖探頭分別發(fā)出的兩束紅外光進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后的兩組光脈沖信號(hào)沿光纜傳輸給二次儀表。通過測(cè)量脈沖數(shù)即可測(cè)出液位高度,檢測(cè)兩路脈沖的相位即可判斷液位是增加還是減少。光纖探頭是光纖傳感器的關(guān)鍵部分,在探頭中輸入光纖和輸出光纖的端面分別固定在兩個(gè)聚集透鏡的焦點(diǎn)上,則在聚集透鏡之間形成平行光。采用可靠的固化措施,將其與光學(xué)編碼盤室外殼鑲嵌連接,嚴(yán)格地使探頭兩邊的透鏡光軸中心線對(duì)正,確保這一精密光學(xué)器件的正常工作。光纖傳感器工作原理圖如圖2所示。變化按A有光和B無光、A有光和B有光、A無光和B有光、A無光和B無光的規(guī)則循環(huán)進(jìn)行;如果光學(xué)編碼盤為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),則A探頭和B探頭的信號(hào)變化按A有光和B無光、A無光和B無光、A無光和B有光、A有光和B有光循環(huán)進(jìn)行。A探頭和B探頭的光強(qiáng)不會(huì)相等,但差值不大,光脈沖如圖4所示。從圖4可以看出,在由兩路光脈沖疊加的一個(gè)周期T內(nèi),有4種不同的狀態(tài)。光電轉(zhuǎn)換裝置與計(jì)數(shù)處理系統(tǒng)正是根據(jù)光路的這一特點(diǎn)進(jìn)行工作的。這取決于液位檢測(cè)裝置機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)關(guān)系,也就是浮球的升降高度與光學(xué)編碼盤的齒孔距離的關(guān)系。假設(shè)浮球升降高度差為H,光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)過的齒孔數(shù)為M(即輸出M對(duì)脈沖,并形成4!M個(gè)排列均勻的脈沖前后沿,則L=H/M(1式中,L為一個(gè)齒孔的距離(圖4,即每對(duì)脈沖的液位變化,L越小,測(cè)量越準(zhǔn)確,即測(cè)量系統(tǒng)的分辨率圖4光脈沖圖(光盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖2光纖傳感器工作原理示意圖越高。設(shè)初始液位高度為H0,總高度為Y,則Y=H0+LM(2經(jīng)調(diào)制的光脈沖信號(hào)通過兩路輸出光纖到達(dá)各自的光電轉(zhuǎn)換器,每只光電轉(zhuǎn)換器接收的光信號(hào)來自光路始端的LED光源,它可以連續(xù)工作105h。光光學(xué)編碼盤是一個(gè)沿圓周刻出的與液位變化相對(duì)應(yīng)的100個(gè)齒孔的薄盤。當(dāng)光學(xué)編碼盤因被測(cè)液位變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),它對(duì)在兩個(gè)光纖探頭內(nèi)的紅外光分別進(jìn)行調(diào)制,即遮擋或通過,使之成為交變光。第6期王艷菊,等:油罐光纖傳感液位測(cè)量系統(tǒng)的研究表1測(cè)試結(jié)果(20個(gè)數(shù)據(jù)No.12Counter(entries51031522253338424850545963667074788088100Secondarymeterdisplay/mmAbsoluteerror/mm023323434303-2-3-4-5-6-4-5-6Relativeerror/%0.002.002.001.500.800.911.050.710.830.600.000.510.320.450.570.680.770.500.570.60敏元件采用硅光電池PIN,把光纜傳來的光脈沖經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和整形放大后變成為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電壓信號(hào),傳輸給智能二次儀表(單片機(jī)控制儀表,在單片機(jī)內(nèi)完成可逆判向邏輯處理等功能,由LED顯示出液位。本系統(tǒng)的光纖對(duì)光的衰減很小,僅為3dB/km。光脈沖信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電平經(jīng)再次放大后比電路所需的門坎電平大幾十倍,足以保證其工作的可靠性。智能二次儀表由單片機(jī)和二次儀表組成。它有判向、計(jì)數(shù)、補(bǔ)償、顯示和報(bào)警功能。二次儀表的功能框圖如圖5所示。送入二次儀表的液位信號(hào)經(jīng)過整形和放大處理后,送入單片微型計(jì)算機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)通過可逆判向、計(jì)數(shù)等處理,由LED顯示液位數(shù)字。二次儀表供電電源為220V/AC,功耗為30W。圖5二次儀表的功能框圖203試驗(yàn)結(jié)果為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的液位系統(tǒng)的浮球升降高度為1000mm,光學(xué)編碼盤轉(zhuǎn)過100個(gè)齒孔,由式(1可知每個(gè)脈沖的寬度為10mm,即計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)脈沖,液面變化10mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在測(cè)量范圍內(nèi)(0~1000mm,所測(cè)試的20個(gè)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤碼差在0~6mm之間,相對(duì)誤差在0%~2.0%之間。隨著測(cè)試數(shù)據(jù)次數(shù)的增多,絕對(duì)誤差相對(duì)減小,測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)提高,可以滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。當(dāng)浮球運(yùn)動(dòng)時(shí),其運(yùn)動(dòng)通過浮球支桿傳送到主軸,主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光碼盤轉(zhuǎn)動(dòng),并將調(diào)制成的光脈沖傳送出去。光脈沖等同于數(shù)字信號(hào),所以系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換,這一過程中的誤差相對(duì)較小,可以忽略。但在系統(tǒng)的液位檢測(cè)裝置中的鏈條傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在著不可避免的機(jī)械制造和裝配精度誤差,這是誤差的主要來源。此外,光碼盤的齒孔制作精度、分布均勻性等也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。4結(jié)論所設(shè)計(jì)的光纖傳感液位系統(tǒng)被安裝在石油儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)、化工廠的大型儲(chǔ)油罐區(qū),為企業(yè)的自動(dòng)化管理提供了檢測(cè)信號(hào)。該系統(tǒng)已在中國石油秦皇島化工進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合要求。經(jīng)過一個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行,沒有發(fā)生機(jī)械位移和檢測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)及量程漂移。該系統(tǒng)的研制成功為油氣儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)、舊設(shè)備改造和遠(yuǎn)程自動(dòng)化管理與監(jiān)測(cè)提供了必要的條件。參考文獻(xiàn):[1]孫圣和,王廷云.光纖測(cè)量與傳感技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000.[2]姜德生,黃曉華,王立新.一種新型的磁彈性靜力測(cè)量系統(tǒng)[J].中國儀器儀表學(xué)報(bào),2000,21(1:335?349.[3]趙愚,姜德生.一種新型智能光纖傳感器的研制與應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2003,40(4:76?78.[4]管愛紅.觸點(diǎn)式光纖液位傳感器傳感頭的制作及其應(yīng)用[J].光學(xué)技術(shù),2002(2:113?115.[5]LiangL.Aplicationoffiberopticsensortechnologyinanchormonitoring[J].ProceedingsofSPIE,2000,4223:73?77.[6]ChengM.Lossmeasuringandprocessmonitoringinsplicingoftwodifferentfibers[J].ProceddingsofSPIE,2000,4223:53?58.內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)＋吳旌*陳建軍中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003摘要：本文詳細(xì)介紹了海洋內(nèi)波觀測(cè)的重要性，分析了國內(nèi)外內(nèi)波觀測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀，并提出一種海洋內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用水中可升降平臺(tái)將影響海洋內(nèi)波的各種環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)（溫度、鹽度、深度、湍流等）在一個(gè)垂直剖面上連續(xù)實(shí)時(shí)采集記錄并可實(shí)時(shí)（或定期）通過衛(wèi)星傳輸?shù)桨墩?，提高了?shù)據(jù)的時(shí)效性，增強(qiáng)了內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的應(yīng)用服務(wù)能力。系統(tǒng)由可升降漂浮平臺(tái)、系留平臺(tái)、錨泊回收系統(tǒng)、船載及岸基系統(tǒng)組成，其中漂浮平臺(tái)由衛(wèi)星通信系統(tǒng)和內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)兩大功能模塊組成，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)可通過衛(wèi)星傳輸?shù)桨墩?，?nèi)波測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)商用的CTD和剪切探頭。該系統(tǒng)一次布放連續(xù)可靠工作3個(gè)月、內(nèi)波測(cè)量范圍0～300m、其擴(kuò)展型使用深度可達(dá)4000m。該系統(tǒng)能對(duì)海洋內(nèi)波進(jìn)行長期有效的監(jiān)測(cè)，具有重要的軍事和社會(huì)意義。關(guān)鍵詞：內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量LocaleMeasurementSystemforInternalWaveWuJing,ChenJianjunNo.710Research&DevelopmentInstitute,CSIC,Yichang,Hubei，443003Abstract:Thispaperintroducedthesignificanceofdetectingmarineinternalwaveenvironmentindetail,analyzedthepresentsituationofinternalwavemeasurementtechniqueintheworld,andthenputforwardakindofmeasurementsystemfordetectingmarineinternalwaveenvironment.Thesystemcanmeasureallkindsofenvironmentdata(temperature,salinity,depth,onflowandsoon)onaperpendicularlyprofilebytheunder-waterrising-sinkingplatform,anditalsocantransmittinginvestigationdatatoshoreinrealtimeorasettingtimebythesatellite,thatimprovedtime-effectivenesscapabilityandboostuptheservicecapabilityofinternalwavemeasurementplatformintheoceanenvironment.Thesystemismadeupofrising-sinkingfloatplatform,moorageplatform,moorageandcallbackequipmentandsoon.Floatplatformaremadeupoftwofunctionmodesthataresatellitetransmittingsystemandinternalwavemeasurementsystem.Thedatagainedcanbetransmittedtoshorebysatellite.ThesystemfloatincludesacommercialCTDsensorandacutsensehead.Continuously-reliablyservicetimeofthesystemisabout3months，internalwavemeasurementcanberealizedbetween0-300m，Maximaldepththattheextendsystemcanbereachedto400m.Thesystemcandetectinternalwavelongandeffectively，ithasaimportantmilitaryandsocialsignificance.Keywords：internalwavelocalemeasurement+內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量技術(shù)研究(2006AA09Z146)*吳旌。Email：wutangjing@hotmail1.海洋內(nèi)波觀測(cè)的現(xiàn)狀1.1海洋內(nèi)波研究的重要性海洋內(nèi)(重力)波是一類發(fā)生在因溫、鹽變化而層結(jié)的次表層海水中的重力波，屬于海洋中、小尺度過程研究范疇[1]。由諸如氣壓場的變化、海底地震以及強(qiáng)流與起伏地形的相互作用等多種擾動(dòng)激發(fā)生成[2]。海洋內(nèi)波是海洋中普遍存在的一種動(dòng)力學(xué)過程，它對(duì)海水動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的垂向輸送起重要作用，因而海洋內(nèi)波在整個(gè)海洋動(dòng)力學(xué)的研究中占有重要的地位，是物理海洋學(xué)的重要分支。由于內(nèi)波可影響海洋中的溫度、鹽度和營養(yǎng)物質(zhì)的分布；可改變海洋聲波的傳播方向，從而影響聲納的探測(cè)；內(nèi)波可阻礙潛艇前進(jìn)，也可破壞海洋結(jié)構(gòu)物等，因此人們普遍認(rèn)識(shí)到海洋內(nèi)波與海洋生態(tài)學(xué)、海洋水聲學(xué)、海洋工程等應(yīng)用緊密相關(guān)，尤其是海洋內(nèi)波研究關(guān)系能源和軍事，受到各國政府的重視。在新世紀(jì)由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和消費(fèi)水平提高，我國對(duì)能源需求急劇增長，國家十分重視深海石油開發(fā)。海洋內(nèi)波，特別是內(nèi)孤立波、內(nèi)潮，在海洋密度躍層中傳播時(shí)，其攜帶的巨大能量會(huì)導(dǎo)致較高的流速，對(duì)海洋石油鉆井平臺(tái)和海底石油管道會(huì)造成嚴(yán)重的威脅。例如，在安得曼海的一個(gè)石油鉆井機(jī)被水下通過的孤立子內(nèi)波扭轉(zhuǎn)了90°并推移了30.48m。[3]1990年夏、秋季，位于我國南海的"南海Ⅵ號(hào)"石油鉆機(jī)，也曾遭受周期性的強(qiáng)內(nèi)波波致流的襲擊，致使石油鉆井傾斜2.5度，擺幅40m，鉆管被拉下3.9m，使鉆井作業(yè)受到嚴(yán)重影響。1992年，中國南海東部石油公司在東沙群島附近的石油鉆并機(jī)在孤立子內(nèi)波經(jīng)過時(shí)無法操作，曳定的油罐箱在不到5min內(nèi)搖擺了110°[4]。由此可見在內(nèi)波活動(dòng)頻緊的海區(qū)，石油鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)必須考慮它能否經(jīng)受內(nèi)波產(chǎn)生的作用力。它也可以把潛艇托出水面或拽下水底，一次可能與內(nèi)波有關(guān)的嚴(yán)重海損事件是，美國長尾鯊(Thresher)號(hào)核潛艇于1963年4月10日在距麻薩諸塞州沿岸350km處失事，129人死亡。因此，加強(qiáng)對(duì)內(nèi)波流場及其同海洋結(jié)構(gòu)物相互作用的研究對(duì)海洋工程設(shè)計(jì)是十分必要的。1.2內(nèi)波觀測(cè)現(xiàn)狀無論內(nèi)波的生成與耗散，還是在傳播過程所通過的海水的物理性質(zhì)，都具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此進(jìn)行內(nèi)波調(diào)查時(shí)，就需要記錄下海水的溫度、鹽度、流速、流向等各種物理性質(zhì)的時(shí)間序列和空間序列資料?？梢圆捎矛F(xiàn)場測(cè)量海水參數(shù)（溫鹽密、海水流速）的方法對(duì)內(nèi)波進(jìn)行直接精確測(cè)量，主要測(cè)量儀器為CTD／測(cè)量溫鹽密參數(shù)、ADCP／測(cè)海流流速流向、溫度鏈/測(cè)深度方向的溫度剖面：l）固定空間點(diǎn)測(cè)量，將測(cè)量溫度、流速等海洋參數(shù)的儀器固定在錨系系統(tǒng)或者船舶上，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳回陸地或保存在錨系系統(tǒng)和船舶上。錨系系統(tǒng)常采用潛標(biāo)，布放在海面以下，免受表面海況影響。2）水平拖曳式測(cè)量，測(cè)量儀器掛在船上水平快速拖過內(nèi)波場。這種測(cè)量方式具有高的空間分辨率，可以同時(shí)測(cè)量聲傳播實(shí)驗(yàn)中聲波導(dǎo)的空間．信息。常用測(cè)量儀器有拖曳式CTD。3）中性浮子測(cè)量，采用一種沉入水中的、浮力與重力相平衡的浮子系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)波觀測(cè)。中性浮子系統(tǒng)隨某一確定的等密度位置的移動(dòng)而上下移動(dòng)，同時(shí)記錄等密度面的時(shí)間起伏數(shù)據(jù)和儀器所處位置的CTD數(shù)據(jù)。4）另外還有利用溫度和密度層結(jié)的水體對(duì)高頻聲信號(hào)的反射作用的回聲探測(cè)聲納，儀器有ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）。以上幾種都是直接測(cè)量方法，另外還有兩種間接觀測(cè)方法：l）由于內(nèi)波對(duì)海表面微尺度波分布進(jìn)行調(diào)制，而SAR（合成孔徑雷達(dá)）可以通過微波與海表面微尺度波相互作用而成像，所以現(xiàn)在在海洋遙感的研究中利用了SAR圖像對(duì)內(nèi)波進(jìn)行探測(cè)及對(duì)內(nèi)波的參數(shù)進(jìn)行反演的研究。采用SAR圖像反演監(jiān)測(cè)內(nèi)波，從圖像上可以很容易的得到內(nèi)波的位置、傳播方向、大致的振幅等信息。但是SAR圖像反演監(jiān)測(cè)內(nèi)波存在反演精度較差的缺點(diǎn)，并且難以獲取深度方向的精確信息；利用載有SAR的衛(wèi)星對(duì)于同一實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的內(nèi)波觀測(cè)，存在測(cè)量時(shí)間間隔長的問題，不能對(duì)同一內(nèi)波進(jìn)行連續(xù)、全天候的監(jiān)測(cè)。2）用聲學(xué)手段（聲層析技術(shù)）對(duì)內(nèi)波進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于內(nèi)波的存在會(huì)導(dǎo)致聲傳播信號(hào)有規(guī)律的起伏，信號(hào)起伏的某些特征與內(nèi)波的特征密切相關(guān)，因此可以利用聲場起伏的特征來反演內(nèi)波的特征信息。1.3存在的問題由于海洋內(nèi)波隨時(shí)間和空間而隨機(jī)地變化,并且頻率范圍很寬,故需要在較長的時(shí)間內(nèi)快速密集地取樣。如果需要對(duì)內(nèi)波多發(fā)區(qū)域長期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，目前只能使用固定空間點(diǎn)測(cè)量法，但其問題是：數(shù)據(jù)一般是自容式，在測(cè)量期間所到的原始數(shù)據(jù)和信息貯存在測(cè)量設(shè)備中，測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性、時(shí)效性不強(qiáng)，一旦浮標(biāo)丟失或回收失敗，就將一無所獲，給海洋科研造成了較大的困難和不便；其次是該系統(tǒng)容易受天氣或人為破壞，且一旦丟失后損失很大。2、內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)本海洋內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)，利用水中可升降平臺(tái)將影響海洋內(nèi)波的各種環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)（溫度、鹽度、深度、湍流等）在一個(gè)垂直剖面上連續(xù)實(shí)時(shí)采集記錄并可實(shí)時(shí)（或定期）通過衛(wèi)星傳輸?shù)桨墩荆岣吡藬?shù)據(jù)的時(shí)效性，增強(qiáng)了內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的應(yīng)用服務(wù)能力。2.1總體框架內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)由可升降漂浮平臺(tái)、系留平臺(tái)、錨泊回收系統(tǒng)、船載及岸基系統(tǒng)組成，其中漂浮平臺(tái)由兩大功能模塊組成，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)、內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)；系留平臺(tái)包括收放絡(luò)車、控制中心和主電源；錨泊回收系統(tǒng)包括錨、系留索系和聲應(yīng)答釋放裝置等組成，見圖1內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)總體示意圖所示。1—1—漂浮平臺(tái)2—衛(wèi)星通訊系統(tǒng)3—控制系統(tǒng)4—CTD5—電池組6—剪切探頭7—保險(xiǎn)器8—漂浮平臺(tái)殼體9—系留平臺(tái)10—系留平臺(tái)殼體11—保險(xiǎn)器12—控制中心13—傳輸電纜14—收放絡(luò)車15—主電源16—三叉系留索17—系留及錨泊系統(tǒng)18—旋轉(zhuǎn)接頭19—系留索20—商用系列的聲答釋放器21—錨。圖1內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)總體示意圖2.2工作過程布放前根據(jù)水深確定系留索長度，系統(tǒng)采用水面整體吊布，入水錨先后拉直系留平臺(tái)和漂浮平臺(tái)，系留平臺(tái)和漂浮平臺(tái)之間預(yù)先留出10m的索。到達(dá)設(shè)定的水深后，系統(tǒng)上電工作，開始自檢，自檢通過進(jìn)入工作流程，在一定時(shí)間后，采樣平臺(tái)深度并記錄，內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)開始上電工作，控制中心控制離合器打開，漂浮平臺(tái)在正浮力作用下以一定速度上浮，同時(shí)內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)（CTD和剪切探頭）將記錄下的數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，儲(chǔ)存于大容量數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)器，同時(shí)按時(shí)序進(jìn)行打包，平臺(tái)到水面后，控制中心給離合器斷電并根據(jù)設(shè)定將數(shù)據(jù)傳輸給岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，從而完成測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。在水面工作一段時(shí)間后，控制中心控制止動(dòng)器打開，同時(shí)給電機(jī)上電，收放絡(luò)車以一定的速度收索，漂浮平臺(tái)下沉，內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)將記錄下的數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，儲(chǔ)存于大容量數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)器，同時(shí)按時(shí)序進(jìn)行打包。最大到達(dá)初始布放水深時(shí)，給止動(dòng)器和電機(jī)斷電，平臺(tái)穩(wěn)定停留一段時(shí)間后，進(jìn)入下一個(gè)測(cè)試流程。2.3系統(tǒng)組成及功能船載及岸基系統(tǒng)船載及岸基系統(tǒng)包括布放打撈輔助設(shè)施、聲應(yīng)答釋放設(shè)備、衛(wèi)星岸站等組成以及衛(wèi)星系統(tǒng)、岸站傳輸控制軟件系統(tǒng)及運(yùn)行平臺(tái)等。漂浮平臺(tái)漂浮平臺(tái)包括衛(wèi)星通訊系統(tǒng)和內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)，由漂浮平臺(tái)殼體、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、CTD、電池組、剪切探頭、保險(xiǎn)器組成。其主要功能是：提供所需的浮力，保證平臺(tái)出水高度；搭載各功能模塊。漂浮平臺(tái)殼體頭部為透聲的玻璃鋼，剪切探頭安裝于漂浮平臺(tái)殼體的頭部，衛(wèi)星通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)安裝在殼體中間，電池組安裝于漂浮平臺(tái)殼體的底部，CTD安裝在漂浮平臺(tái)殼體的外部，通過水密電纜傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。漂浮平臺(tái)上安裝有衛(wèi)星通訊系統(tǒng)和內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)可通過衛(wèi)星傳輸?shù)桨墩?，?nèi)波測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)商用的CTD和剪切探頭。衛(wèi)星通訊系統(tǒng)主要由衛(wèi)星傳輸控制中心電路、衛(wèi)星終端、衛(wèi)星傳輸電纜、傳控通訊電纜組成。其主要功能是：接收、暫存內(nèi)波測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)；定制海事衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)包，向衛(wèi)星終端發(fā)送數(shù)據(jù)；接收岸基系統(tǒng)發(fā)送的指令，控制監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)；周期性工作制式，衛(wèi)星傳輸控制中心電源及衛(wèi)星終端電源能自動(dòng)上電和掉電；能識(shí)別判斷衛(wèi)星通訊狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)主要由衛(wèi)星通信控制模塊、傳輸驅(qū)動(dòng)板、傳輸控制板、傳輸轉(zhuǎn)接板、面板及連接桿等組成。主要功能是根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)起動(dòng)工作指令或按預(yù)定程序進(jìn)入工作狀態(tài)；與測(cè)量系統(tǒng)通訊，控制測(cè)量儀器工作；存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)；與衛(wèi)星通訊系統(tǒng)通訊。系留平臺(tái)系留平臺(tái)包括系留平臺(tái)殼體、保險(xiǎn)器、控制中心（絡(luò)車控制）、傳輸電纜、收放絡(luò)車、主電源組成、三叉系留索。控制中心安裝在系留平臺(tái)殼體的頭部，主電源安裝在系留平臺(tái)殼體的中間，控制中心、主電源通過傳輸電纜控制收放絡(luò)車的運(yùn)動(dòng)；三叉系留索連接在系留平臺(tái)殼體下方的專用系耳上。系留平臺(tái)主要功能是提供系統(tǒng)的支撐浮力，內(nèi)部安裝主電源、控制中心、外部安裝固定收放絡(luò)車。收放絡(luò)車主要用來實(shí)現(xiàn)測(cè)量平臺(tái)的升降功能，收放絡(luò)車的收放索使測(cè)量平臺(tái)向下或向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境參數(shù)剖面數(shù)據(jù)的循環(huán)采集。收放絡(luò)車包括收放機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)索筒、直流力矩電機(jī)、減速器、止動(dòng)器、離合器、密封殼體、計(jì)數(shù)器等組成。漂浮平臺(tái)下降時(shí)采用電機(jī)正轉(zhuǎn)收索；漂浮平臺(tái)上浮時(shí)一般采用打開離合器后利用正浮力作用下上浮，節(jié)約能源，當(dāng)然也可以采用電機(jī)反轉(zhuǎn)放索。系留平臺(tái)殼體主要功能：作為總體結(jié)構(gòu)平臺(tái)，允許承受的外壓強(qiáng)度，搭載相關(guān)設(shè)備及儀表等控制機(jī)構(gòu)；提供系統(tǒng)需要的剩余浮力，保證定深精度、減少偏降；姿態(tài)穩(wěn)定，為正常工作提供穩(wěn)定的環(huán)境。平臺(tái)借鑒863潛標(biāo)成熟的外形結(jié)構(gòu)，其阻力系數(shù)約為0.12～0.2，比球體或直立圓柱體水下迎流阻力系數(shù)小得多，而且迎流面積小，可大大地減小系留平臺(tái)自身在海流中的阻力和偏降。帶翼結(jié)構(gòu)能保證系留平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定，為測(cè)量提供穩(wěn)定的環(huán)境。采用水平系留方式，由三叉系留索系留于3節(jié)海流以下的海域時(shí)能保持水平姿態(tài)?？刂浦行模ńj(luò)車控制）主要有單片機(jī)系統(tǒng)、A/D采集電路、I/O接口電路、絡(luò)車控制模塊、離合器控制電路、止動(dòng)器控制電路、上電電路、隔離電路、通訊接口、穩(wěn)壓模塊、深度傳感器、電池組等部分組成。其主要功能是：根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)起動(dòng)工作指令或按預(yù)定程序進(jìn)入工作狀態(tài)；控制可收放絡(luò)車工作，收放纜索，可實(shí)時(shí)記錄絡(luò)車的放索長度，控制收索長度；當(dāng)收索圈數(shù)等于放索圈數(shù)時(shí)停止收索，也可根據(jù)霍爾元件信號(hào)停止收索；控制離合器、止動(dòng)器工作；絡(luò)車收放索控制；存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)。系留及錨泊系統(tǒng)系留及錨泊系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)接頭、系留索、商用系列的聲答釋放器、錨以及許多標(biāo)準(zhǔn)的連接卸扣等組成。系留索采用包塑鋼纜或等強(qiáng)度的Kevlar繩，滿足4000米水域布放的要求。3、結(jié)束語內(nèi)波現(xiàn)場測(cè)量系統(tǒng)利用水下可收放絡(luò)車，將影響海洋內(nèi)波的各種環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)（溫度、鹽度、深度、湍流等）在一個(gè)垂直剖面上連續(xù)實(shí)時(shí)采集記錄并可實(shí)時(shí)（或定期）通過衛(wèi)星傳輸?shù)桨墩?，提高了?shù)據(jù)的時(shí)效性。該系統(tǒng)一次布放連續(xù)可靠工作3個(gè)月、內(nèi)波測(cè)量范圍0～300m、使用深度可達(dá)4000m，該系統(tǒng)能對(duì)海洋內(nèi)波進(jìn)行長期有效的監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)方法相比，不易受天氣、海況的影響，不易被人為破壞，重復(fù)使用性好，將會(huì)在海洋科學(xué)研究、海洋軍事、海洋工程等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：[1]G.Ewing,Slicks,“surfacefilmsandinternalwaves,”J.Mar.Res.,1950,9:161-187.[2]S.Z.Feng,F.LiandS.Li,AnIntroductiontoMarineScience[M],Beijing:HigherEducationPress,1999.[3]OsborneAR，ButchTL.InternalsolitonsintheAndamanSea[J]．Science，1980，208l451～460.[4]EbbesmeyerCC,CoomesCA,HamiltonRC.Newobservationoninternalwave(solitons)intheSouthChinaSeausinganacousticdopplercurrentprofiler[A]．In;MarineTechnologySociety91proceedings[c]．NewOrleans-1991．165～175.[5]L.Yang,X.Y.ZhangandT.Zhang,“AStudyontheMeasurementTechniqueforMarineInternalWave,”MeteorologicalHydrologicalandMarineInstrument,No.2,June.2004[6]C.J.R.Garrett,W.H.Munk,“Space-timescalesofinternalwaves,”Geophys.FluidDyn,2,225-264,1972.[7]J.S.Zhao,S.J.Geng,etal,InternalwavefieldcharacteristicsinthenorththernYellowSea[A].OceanographyinChina(Vol.3)[C].Beijing:OceanPress,1992.[8]P.GUO,W.D.FANGandH.B.YU,ProgressintheObservationalStudiesofInternalTideoverContinentalShelf,AdvancesInEarthScience,Vol.21,No.6Jun,2006.[9]T.Guneriussen,SnowCharacteristicsinMountainousAreasasObservedwithSyntheticApertureRadar(SAR)Instruments,Dr.Scient.thesis,ISBN82-7747-089-4,1998張河灣蓄能電站超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)及應(yīng)用魏春雷,鄭凱(張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,河北省石家莊市050300摘要:在電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程中,實(shí)現(xiàn)機(jī)組流量的精確、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),對(duì)電站實(shí)現(xiàn)機(jī)組效率分析、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及狀態(tài)檢修至關(guān)重要。超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)以時(shí)差法原理為基礎(chǔ),可實(shí)現(xiàn)機(jī)組流速、瞬時(shí)流量及累計(jì)水量的準(zhǔn)確測(cè)量。關(guān)鍵詞:蓄能電站;超聲波;流量;測(cè)量收稿日期:2021211203。0引言,作用。,以檢查制造、,又能通過對(duì)機(jī)組運(yùn)行特性長期連續(xù)監(jiān)測(cè),提供不同的水流和工況條件下水輪機(jī)性能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),為確定電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的開機(jī)臺(tái)數(shù)、負(fù)荷優(yōu)化分配以及機(jī)組狀態(tài)檢修等提供參考。隨著電力市場工作的深入,在電站開展效率和機(jī)組狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)將越來越體現(xiàn)其實(shí)用性和對(duì)電廠的重要意義。張河灣抽水蓄能電站位于太行山深處井陘縣境內(nèi),是河北省最大的抽水蓄能電站,設(shè)計(jì)裝機(jī)總?cè)萘繛?00萬kW。該電站首臺(tái)機(jī)組于2021年投產(chǎn),建成后將對(duì)河北省南部電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行起至關(guān)重要的作用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,擬對(duì)電站的4臺(tái)24萬kW機(jī)組安裝超聲波測(cè)流裝置,進(jìn)行機(jī)組實(shí)時(shí)在線測(cè)流,并為機(jī)組和水泵效率試驗(yàn)提供精確、可靠的數(shù)據(jù)。1電站安裝超聲波流量計(jì)的必要性1.1水泵水輪機(jī)的交接驗(yàn)收現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)原型機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場流量、效率試驗(yàn),可以判斷機(jī)組的實(shí)際使用性能,是機(jī)組交接驗(yàn)收的重要依據(jù)。大口徑多聲道超聲波流量計(jì)是水輪機(jī)現(xiàn)場流量試驗(yàn)的有效手段,并為國際電工委員會(huì)IEC41《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》(IEC60041—1991和美國國家規(guī)程ASMEPT18所認(rèn)可,在國際上廣泛應(yīng)用。1.2,可以。超聲波流量計(jì)既可以進(jìn)行定,又能長期在線監(jiān)測(cè),為水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠依據(jù)。1.3水電站的狀態(tài)檢修眾所周知,水電站實(shí)行狀態(tài)檢修可以帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益,而機(jī)組的流量效率特性是機(jī)組的重要運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志,是判斷機(jī)組是否需要檢修和檢修質(zhì)量的重要依據(jù)。2超聲波流量測(cè)量原理對(duì)于管道和有壓方涵,是通過測(cè)量超聲波在順流和逆流中的傳播時(shí)間差來計(jì)算聲路上的流速,再根據(jù)各個(gè)聲路上的流速,用加權(quán)積分的方法計(jì)算出流量。其原理如圖1所示。圖1超聲波流量測(cè)量原理對(duì)于一個(gè)聲路:V=L2T1T2cosθ式中:V為測(cè)量聲路上的線平均流速;L為測(cè)量聲路的有效聲路長;T1為聲波正向傳播時(shí)間;T2為聲波逆向傳播時(shí)間;θ為聲路和流道軸線間的夾角。對(duì)于一個(gè)測(cè)量斷面:V=∑ni=1KiVi—62—第30卷第1期2021年2月Vol.30No.1Feb.2021Q=SV式中:V為測(cè)量斷面平均流速;Ki為第i聲道加權(quán)積分系數(shù);Vi為第i聲道線平均流速;Q為斷面流量;S為斷面橫截面面積。在大口徑管道和方涵中測(cè)量流量,需要布置多個(gè)聲路,來測(cè)量多個(gè)流速,然后對(duì)流速進(jìn)行加權(quán)積分計(jì)算流量。系統(tǒng)主要由主機(jī)、換能器及信號(hào)電纜構(gòu)成,采用多聲路測(cè)流速、加權(quán)積分計(jì)算流量,有效地解決了流態(tài)分布變化對(duì)流量測(cè)量精度的影響,在相對(duì)直管段很短時(shí)也能達(dá)到較高的測(cè)量精度。3張河灣電站超聲波流量測(cè)量方案3.1流量計(jì)選型及配置1水頭高,壓力大(,22種工作方式、可靠的實(shí)時(shí)在線流量數(shù)據(jù);3管道結(jié)構(gòu)多邊,且無外露平直管段。張河灣電站采用RISONIC2000多聲道超聲波流量計(jì),是瑞士瑞特邁爾RITTMEYER公司的產(chǎn)品,具有運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、可長期在線測(cè)量水輪機(jī)流量的特點(diǎn)。1多聲路(最多8聲道測(cè)量(符合IEC41和ASMEPTC18標(biāo)準(zhǔn)和瑞士OWICS標(biāo)準(zhǔn);2不受被測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)、溫度和壓力的影響;3橫向流校正;4采用了世界上最先進(jìn)的DSP(信號(hào)處理技術(shù),這樣即使水流中有較大的漩渦也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)量,并滿足精度要求;5RISONIC2000超聲波流量計(jì)運(yùn)行可靠,測(cè)量結(jié)果即可在當(dāng)?shù)仫@示,又可傳輸至電廠生產(chǎn)信息網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)提供精確的流量數(shù)據(jù);6換能器采用了流線型設(shè)計(jì),換能器的突出在安裝過程中也進(jìn)行了修正。3.2流量計(jì)現(xiàn)場布置方案3.2.1現(xiàn)場條件引水鋼管直徑為DN3600mm;直管段長度為20m;鋼管壓力為4.0MPa;流量方向?yàn)檎?、反?發(fā)電、抽水兩種工況;介質(zhì)溫度為0~+28℃;介質(zhì)為水。3.2.2換能器安放點(diǎn)的選取根據(jù)圖2來看,上、下水庫之間的主管道由2條直徑從豎管6.4m到水平管漸變成5.2m的有壓管道構(gòu)成,在進(jìn)入機(jī)組前分別分岔為2條直徑有3.6m漸變成2.7m的引水支管與4臺(tái)機(jī)組相連。根據(jù)設(shè)計(jì)要求擬在4條引水支管處分別對(duì)4臺(tái)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè),從水力學(xué)角度來講,流量測(cè)量斷面應(yīng)選在有足夠直管段且上、下游沒有彎管、漸變等不利于測(cè)量的位置處,如果存在以上情況,應(yīng)盡可能選在相對(duì)有利于測(cè)量的位置處且需采用交叉8聲路或更高的聲路布置來解決流態(tài)對(duì)測(cè)流精度的影響。根據(jù)現(xiàn)場情況(排除在下庫廠房球閥下游外露管段安裝點(diǎn),該處為錐形管,,適合測(cè):管(;2,6;,2.7m,和廠房相連。圖2張河灣電站水道系統(tǒng)布置平面超聲波換能器的安裝點(diǎn)確定在引水分叉管到球閥之間的DN3600mm直管段上,具體部位在分叉管后12m~16m處,這主要是考慮到正向流動(dòng)和反向流動(dòng)測(cè)量時(shí),測(cè)點(diǎn)前后都有一定的直管段,以保證流體具有較好的流態(tài)分布,滿足測(cè)量精度的要求。同時(shí),采用兩斷面8聲道垂直方向(2E8P的超聲波換能器布置方式,減小測(cè)量誤差。換能器采用內(nèi)貼式結(jié)構(gòu),通過螺栓固定在鋼管內(nèi)壁,引線通過密封的保護(hù)鋼管在球閥前集中引出鋼管。超聲波流量計(jì)的主機(jī)是一臺(tái)高精度、高性能的信號(hào)處理與運(yùn)算的計(jì)算機(jī),通過對(duì)8聲道16個(gè)換能器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的正、反向瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等參數(shù)的在線測(cè)量。3.2.3換能器布置方式換能器采用內(nèi)貼式結(jié)構(gòu),通過螺栓固定在鋼管—72—?調(diào)速勵(lì)磁與輔機(jī)控制?魏春雷,等張河灣蓄能電站超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)及應(yīng)用內(nèi)壁,引線通過密封的保護(hù)鋼管在球閥前集中引出鋼管。流量測(cè)量裝置采用1臺(tái)機(jī)組對(duì)1臺(tái)測(cè)量主機(jī)的形式,可連續(xù)在線測(cè)量水輪機(jī)的正、反向瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。超聲波換能器具體安放點(diǎn)及布置示意圖見圖3所示。圖3超聲波換能器安放點(diǎn)及布置示意3.2.4系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)考慮到流量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀況和計(jì)算效率的重要性,采用1臺(tái)主機(jī)測(cè)量1臺(tái)機(jī)組的管道流量,換能器通過16根射頻電纜與主機(jī)相連,如圖4所示。圖4系統(tǒng)配置主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì),集成化鍵盤和現(xiàn)場顯示,易于操作。它采用IP65封裝,內(nèi)置防雷保護(hù)器,電源為220VC/50Hz,功率消耗為30W。每個(gè)主機(jī)對(duì)其測(cè)量的1條管道顯示瞬時(shí)流量、累積水量、水位、水溫、每層流速,可對(duì)其單獨(dú)操作,由此構(gòu)成了完善的流量測(cè)量系統(tǒng)。4結(jié)語張河灣蓄能電站首臺(tái)機(jī)組于2007年底首次并網(wǎng)發(fā)電,超聲波測(cè)流系統(tǒng)在機(jī)組整組啟動(dòng)前即投入使用。受上水庫無天然來水的因素制約,電站上水庫在利用臨時(shí)充水泵蓄一定水量后,首次啟動(dòng)方式為水輪機(jī)工況。在試驗(yàn)過程中,根據(jù)超聲波測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)量的實(shí)時(shí)流量及累計(jì)水量,有效地反映各項(xiàng)試驗(yàn)所需水量,為后續(xù)試驗(yàn)項(xiàng)目的決策提供保證。同時(shí),該系統(tǒng)與電站配備的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連接,可實(shí)現(xiàn)機(jī)組效率的在線計(jì)算,不僅可方便用于機(jī)組性能考核試驗(yàn),更為電站經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行提供有力保障,為機(jī)組實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供了科學(xué)依據(jù)。魏春雷(1981—,男,助理工程師,主要研究方向:電站水泵水輪機(jī)。E2mail:wei2cl@zhw.hbpc.com.cm—82—2021,30(1水電廠自動(dòng)化求解海洋內(nèi)波垂向結(jié)構(gòu)的幾種Sturm變換方法基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50179024）．基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50179024）．作者簡介：葉春生，1976~，男，博士，講師．主要從事物理海洋學(xué)及水力學(xué)的研究．Email:smileyshark@sina;Tel葉春生1蔣晶晶1沈國光2（1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州，450001；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津，300072）摘要：海洋內(nèi)波垂向結(jié)構(gòu)的求解是研究海洋內(nèi)波的基礎(chǔ)，利用Sturm變換求解垂向結(jié)構(gòu)是一種行之有效的方法。首先，分析了二階線性變系數(shù)常微分特征值方程轉(zhuǎn)化為Sturm-Liouville標(biāo)準(zhǔn)型的一般方法。其次，利用一般方法，給出了將海洋內(nèi)波垂向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)型的一次Sturm變換及其標(biāo)準(zhǔn)型。隨后，給出了另外兩種形式的一次Sturm變換及其標(biāo)準(zhǔn)型。然后，給出了二次Sturm變換的方法及其標(biāo)準(zhǔn)型。通過Sturm-Liouville理論的研究，獲得了用于海洋內(nèi)波研究的四種形式的Sturm變換，以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)型。一次Sturm變換的三種形式可用于低頻內(nèi)波的求解，二次Sturm變換的形式可用于高頻內(nèi)波的求解。根據(jù)Sturm-Liouville理論，各種形式標(biāo)準(zhǔn)型的數(shù)值解構(gòu)成Hilbert空間，從而實(shí)測(cè)海洋內(nèi)波數(shù)據(jù)可以表示成解向量的廣義Fourier級(jí)數(shù)。關(guān)鍵詞：海洋內(nèi)波；垂向結(jié)構(gòu)；特征值方程；Sturm-Liouville標(biāo)準(zhǔn)型；Sturm變換；低頻內(nèi)波；高頻內(nèi)波；廣義Fourier級(jí)數(shù)中圖分類號(hào):O35312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ASeveralMethodsofSturmTransformationinSolvingtheVerticalStructureofOceanInternalWavesYeChunsheng1JiangJingjing1ShenGuoguang2（1.ZhengzhouUniversity,SchoolofWaterConservancyandEnvironmentEngineering,Zhengzhou450001;2.TianjinUniversity,SchoolofCivilEngineering,Tianjin,300072）Abstract:It’sabasisofsolvingtheverticalstructuretostudytheoceaninternalwaves,andSturmtransformationisaneffectivemethodinuse.First,itanalysesthegeneralmethodofhowtotransferasecondorderordinarydifferentialeigenvalueequationwithvariablecoefficientsintoSturm-Liouvillestandardtype.Second,applyingthegeneralmethod,itgivesone-timeSturmtransformationwhichisusedtotransfercontrolequationofinternalwavesintoitsstandardtype.Third,itgivesanothertwotypesofSturmtransformationandtheirstandardtypesrespectively.Later,itgivestwo-timeSturmtransformationanditsrelativestandardtype.ThroughthestudyofSturm-Liouvilletheory,itobtainsfourtypesofSturmtransformationandgivestheirstandardtypesrespectively.Threetypesofone-timeSturmtransformationcouldbeusedinsolvinglowerfrequencyinternalwaves,whilethetypeoftwo-timeSturmtransformationcouldbeusedinsolvinghigherfrequencyones.AccordingtoSturm-Liouvilletheory,numericalresultsofeachstandardtypeofverticalstructurecomposeHilbertspace,hencefielddataofoceaninternalwavescouldbeexpandintogeneralFourierseriesbasedonsolutionvectors.KeyWords:OceanInternalWaves;VerticalStructure;EigenvalueEquation;Sturm-LiouvilleStandardForms;Sturmtransformation;LowerFrequencyInternalWaves;HigherFrequencyInternalWaves;GeneralFourierSeriesSturm—Liouville理論基礎(chǔ)通常，二階線性變系數(shù)常微分特征值方程可以寫為如下形式（1）式中，。由數(shù)理方程可知，對(duì)于任意一個(gè)二階線性變系數(shù)常微分特征值方程，乘以適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)后總可以化為下面的形式[1]（2）上式稱為Sturm-Liouville方程，以下簡記為SL。為自變量，稱為權(quán)重函數(shù)。為與密度函數(shù)區(qū)分，此處的權(quán)重函數(shù)記為，與文獻(xiàn)[1]有所不同。若令，則（2）式變?yōu)椋?）這是特殊情況下的SL方程，與（2）式相比，（3）式不存在未知函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。SL方程又可寫成如下形式（4）微分算符為（5）時(shí)，若且僅在有限個(gè)點(diǎn)上成立，則有如下結(jié)論：存在可數(shù)多個(gè)實(shí)的特征值，以及與特征值相對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)系，；所有特征值非負(fù)，即；特征函數(shù)系是關(guān)于權(quán)函數(shù)的完全正交系，即：（6）若在上有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)及分段連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)，且在邊界上是第一、第二、三類齊次邊界條件或自然邊界條件，則關(guān)于的廣義Fourier級(jí)數(shù)在上絕對(duì)且一致收斂于。其中，各項(xiàng)的Fourier系數(shù)由下式?jīng)Q定 （7）海洋內(nèi)波的垂向結(jié)構(gòu)[2]海洋內(nèi)波是發(fā)生在密度穩(wěn)定層化的海水內(nèi)部的一種波動(dòng)，其最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部，波動(dòng)頻率介于慣性頻率和浮力頻率之間，其恢復(fù)力在頻率較高時(shí)主要是重力與浮力的合力。海洋內(nèi)波與表面波最顯著的區(qū)別在于內(nèi)波最大的振幅發(fā)生在海面以下，存在垂向波數(shù)，且內(nèi)波的控制方程決定了在其傳播的深度范圍內(nèi)，會(huì)有不同的內(nèi)波模態(tài)。內(nèi)波控制方程整理簡化后為如下形式（8）式中：為海洋內(nèi)波垂向速度幅值，深度的函數(shù)；、分別為關(guān)于深度的一階、二階導(dǎo)數(shù)；為浮力頻率，深度的函數(shù)，可表示為；為重力加速度；為海洋內(nèi)波的圓頻率；為海洋內(nèi)波的水平波數(shù)；為地轉(zhuǎn)慣性頻率。（8）式的特征方程為（9）其判別式為（10）對(duì)于實(shí)際海洋，是個(gè)小量，可以不予考慮。由于地轉(zhuǎn)頻率相對(duì)于海洋內(nèi)波圓頻率小得多，亦可以忽略不計(jì)。從而，判別式的符號(hào)完全由與的大小關(guān)系決定。判別式的正負(fù)決定了解的特性，即在垂向上是否存在波動(dòng)。典型的海洋密度分層與浮力頻率分布如圖1所示[3]。--HZXNZ00G2G1圖1典型海洋密度及浮力頻率分布示意圖Fig.1DensityandBluntfrequencydistributionoftypicaloceanareas圖1中，、是選定的內(nèi)波圓頻率與浮力頻率曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。設(shè)交點(diǎn)的縱坐標(biāo)分別為、。由于內(nèi)波圓頻率不可能比來得更大，僅當(dāng)時(shí)，才可能有內(nèi)波的存在。由實(shí)際海洋浮力頻率的分布特性，決定了某一圓頻率為的內(nèi)波只能在一定的深度范圍內(nèi)傳播，即存在波導(dǎo)，內(nèi)波的傳播限于波導(dǎo)內(nèi)而不會(huì)穿越。從圖1中可以看到，圓頻率為的內(nèi)波僅存在于與的兩個(gè)交點(diǎn)、所限定的區(qū)間內(nèi)。海洋內(nèi)波控制方程為二階線性變系數(shù)常微分特征值方程，因此可以歸結(jié)為SL問題。考慮到某一頻率的內(nèi)波，在整個(gè)水深范圍內(nèi)方程具有分層特性，可以利用兩次變換及一般二階方程的通用變換方法，將內(nèi)波控制方程轉(zhuǎn)化為SL標(biāo)準(zhǔn)型。獲取SL標(biāo)準(zhǔn)型的幾種方法獲取SL標(biāo)準(zhǔn)型的一般方法獲取SL標(biāo)準(zhǔn)型的一般方法，不妨稱之為一次Sturm變換。設(shè)，簡記為，則（11）（12）將微分算符（5）式代入（4）式有（13）將代入原始微分方程（1）整理可得（14）比較（13）、（14）兩式得（15）方程組中，、、和是未知函數(shù)。由該方程組的前兩式可得（16）對(duì)（16）式兩邊同時(shí)積分得（17）求得之后，分別代入（15）式中的一、三、四式，相應(yīng)地可以求解、和。對(duì)于任意二階線性變系數(shù)常微分特征值方程，只須令（18）即可將原方程轉(zhuǎn)化為形如的SL標(biāo)準(zhǔn)型。海洋內(nèi)波控制方程的一次Sturm變換對(duì)于海洋內(nèi)波問題，其控制方程為（8）式。顯然，該式屬于自變量為的二階線性變系數(shù)常微分特征值方程。比較（1）式可得，，，注意到，由一次Sturm變換可得（19）從而有（20）（21）將（20）、（21）兩式代入（8）式整理可得（22）與（13）式相比可知（23）于是，（22）式可以整理為（24）由公式（4）可知，上式為SL標(biāo)準(zhǔn)型。數(shù)值求解上式，需要給出的邊界條件。的邊界條件可以由變換（19）式及下文的邊界條件給出。一次Sturm變換的第二種形式[3]在（8）式兩邊同時(shí)乘以密度函數(shù)，整理后不難得到（25） 顯然，上式為SL標(biāo)準(zhǔn)型，未知量以而不是來表述。這一點(diǎn)具有較為重要的實(shí)用價(jià)值，因?yàn)閺男问缴峡?，?5）式比（24）式簡單。（24）、（25）兩式為一次Sturm變換之后的海洋內(nèi)波控制方程，但是僅對(duì)于低頻內(nèi)波的求解有實(shí)際意義，下面通過正交性的證明來說明這個(gè)問題。解函數(shù)正交性的證明[4]以（25）式為例。設(shè)固有函數(shù)和分別滿足方程（25）式，即（26）（27）將式（26）×、（27）×，相減可得（28）對(duì)（28）式從到積分得（29）所以有（30）參照?qǐng)D1，對(duì)于低頻海洋內(nèi)波，表面邊界條件可以采用剛蓋近似，即（31）在海底，由于水質(zhì)點(diǎn)不可穿越，邊界條件可以表述為（32）將（31）、（32）兩式代入（30）式右端，不難得到（30）式右端為零，故（33）由SL理論，當(dāng)時(shí)，，所以有（34）因此，SL型方程（25）式，其解函數(shù)關(guān)于權(quán)函數(shù)是正交的。通過證明過程可知，低頻內(nèi)波滿足邊界條件（31）式和（32）式，此時(shí)（25）式才具有實(shí)用價(jià)值。當(dāng)時(shí)，將式（26）×得（35）從到積分得（36）由（31）式和（32）式，不難知道上式右端第一項(xiàng)為0。由于第二項(xiàng)被積函數(shù)非負(fù)，并且存在內(nèi)波的區(qū)域滿足，由（36）式可得（37）上式說明，對(duì)于（25）式，其特征值。一次Sturm變換的第三種形式[5]根據(jù)SL理論，對(duì)SL標(biāo)準(zhǔn)型方程，如果，此時(shí)一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為零。由（3）式的導(dǎo)出及其描述，對(duì)于海洋內(nèi)波的控制方程，可以尋求某種變換，如果一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的系數(shù)為零，則獲得的方程為SL標(biāo)準(zhǔn)型。不妨設(shè)，則（38）（39）將式（38）、（39）代入內(nèi)波控制方程（8）式，不難得到一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，令其等于零可得（40）將代入上式，兩邊同時(shí)積分可得（41）因此，變換可以取為，將其代入（8）式可得（42）式中，，該式即欲求的SL標(biāo)準(zhǔn)型。獲取SL標(biāo)準(zhǔn)型的兩次Sturm變換[3][6]一次Sturm變換利用上述一次Sturm變換的另一種形式，得到（42）式。二次Sturm變換整理（42）式可得（43）參照?qǐng)D1，對(duì)于分布而言，在整個(gè)坐標(biāo)軸上，將其分成上、中、下三個(gè)區(qū)域，分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)。由分布知，在Ⅰ、Ⅲ區(qū)，；在Ⅱ區(qū)，。故（43）式是對(duì)應(yīng)的Ⅰ、Ⅲ區(qū)Sturm-liouville微分方程；在Ⅱ區(qū)，因?yàn)?lt;0，所以對(duì)應(yīng)的SL型微分方程應(yīng)為下式（44）因?yàn)閮H當(dāng)時(shí)，才可能有內(nèi)波的存在。以下討論將內(nèi)波方程在Ⅱ區(qū)轉(zhuǎn)化為SL標(biāo)準(zhǔn)型的情形。由數(shù)理方程，對(duì)于Ⅱ區(qū)的微分方程（44）式，如果設(shè)，并做第二次Sturm變換，則變換的結(jié)果仍為SL標(biāo)準(zhǔn)型[6]。由變換關(guān)系，不難求得（45）對(duì)二次Sturm變換求一階導(dǎo)數(shù)可得（46）對(duì)（46）式求二階導(dǎo)數(shù)可得（47）考慮到，將（46）、（47）式整理可得（48）（49）下面計(jì)算項(xiàng)。由（48）、（49）式消去可得（50）從而，（51）將（51）式代入（44）式，將替換成，等式兩邊再同時(shí)乘以，整理可得（52）上式便是海洋內(nèi)波控制方程在Ⅱ區(qū)時(shí)的SL標(biāo)準(zhǔn)型。邊界條件由圖1可以看出，在、點(diǎn)處，有，即，故不難得出如下邊界條件（53）（54）需要提到的