油罐光纤传感液位测量系统的研究(完整版)实用资料

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第33卷第6期Vol.33No.6油罐光纤传感液位测量系统的研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）2007年11月OPTICALTECHNIQUENov.2007光学技术03文章编号:10021582(2007060813油罐光纤传感液位测量系统的研究王艳菊1,2,刘静1,王玉田2,王忠东3(3.大庆石油学院分院,河北秦皇岛066004(1.河北师范大学电子系,石家庄050031;2.燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004摘要:采用先进的光纤传感技术在人工浮子液位计的基础上研制了一种新型的液位测量系统。系统利用力平衡原理测量液位,利用光纤传感器探测和传输信号,采用自制的光学编码盘实现光信号的调节。测试结果表明,在0~1000mm测量范围内,测量误差6mm,相对误差<2%。现场应用表明,该系统的各项性能指标符合生产要求,运行稳定,性能可靠。关键词:光纤;液位;光学编码盘;油罐;浮子液位计中图分类号:TQ056;TN247文献标识码: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、储运等部门,油罐是广泛用于储存易燃、易爆油料的重要设备。油罐的液位是计算油品储量的依据,是储罐运行管理的主要参数,根据现场各储罐的液位数据,可迅速协调各个罐的容量,以平稳生产过程。目前,大多数油罐仍采用机械浮子式液位测量装置,而且是靠人工的方法来记录和判断液位的,工作效率低、误差大,无法实现自动化控制和管理。光纤是一种新型材料,具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点,具有良好的电绝缘性和化学稳定性,适宜于在易燃、易爆等危险、恶劣的环境中使用。优良的传输性能可实现远距离遥控监测。光纤传感技术是近年来发展起来的一门技术。光纤传感器[1]把被测参量转化为光信号,克服了传统传感器的许多缺点,极大地提高了测量精度和动态测量范围,同时还可以通过局域网技术连接成传感器网络,能够满足飞速发展的工业现代化对传感器提出的更高要求[1~4]。将光纤传感技术与液位测量技术相结合,通过对传统浮子式液位计进行重新设计,设计出了一种浮球式光纤传感液位测量系统。2光纤液位测量系统的原理和结构2.1系统的基本原理和拓扑结构光纤液位测量系统硬件由测量单元(浮球、钢丝绳、重锤、导向轮、绳轮、磁力耦合器等机械部分、光纤传感器、光电转换器、二次仪表及光缆等五部分构成。现场安装有测量单元和光纤传感器,监控安全装有光电变送器和二次仪表。收稿日期:20061016;收到修改稿日期:20070112Email:Wangyj2003@sohu.com基金项目:河北省科技攻关资助项目(042135128;河北省教育厅科学研究基金资助项目(2004447作者简介:王艳菊(1967,女,河南省人,河北师范大学副教授,博士,主要从事检测技术及光电传感器方面的研究。光学技术术实现对液位的检测[2~第33卷测量系统利用力平衡原理和先进的光纤传感技4]调制后的两组光信号返回各自的光纤中,沿光缆传输至光敏元件,从而产生一连串的电脉冲。采用两路光纤探头的原因是因为不仅要记录液位变化的大小,而且要判断液位变化的方向。设两路光纤的中心距离为脉冲周期长度的四分之一,便于计数处理。光学编码盘和光纤探头的安装位置示意图如图3所示。当光学编码盘工作时,有顺时针和逆时针两种转动方向,即液位上升或下降,也就是。当油罐液位上、下变化时,磁力耦合检测系统跟踪随液位变化的磁性浮球,通过与隔压导管内的磁锤的相互作用,驱动与磁芯绳索连接的滑轮旋转,通过将液位的上、下运动转换成光学编码盘的旋转,测出光学编码盘旋转的角度和方向,这样就可确定球罐中液位的高度。光学编图1系统拓扑结构说它对光纤传感器中的光有两种调制方向,其结果会产生两种光脉冲。如果光学编码盘为顺时针转动,则A探头和B探头的信号图3光学编码盘和光纤探头的安装位置示意图码盘旋转的角度和方向可表示出液位变化的高度和变化方向(升或降。通过光缆将检测到的液位信息传输到光电变送器,光电变送器将两组带有液位变化信息(一组作为位移计数,一组作为方向判断的光脉冲信号转变为电脉冲信号,在经二次仪表对其进行放大整形、判向计数后,显示出油罐内液位的高度。系统的拓扑结构如图1所示。2.2光纤传感器光纤传感器主要由LED光源、光纤、两组固化的聚集式光纤探头、光学编码盘等组成。光学编码盘是一个沿圆周编有信息码的薄盘,它与磁轮同轴,密封在光盘室中,完全与环境隔离。被测的液位变化带动光学编码盘的转动,对由两路光纤探头分别发出的两束红外光进行调制。调制后的两组光脉冲信号沿光缆传输给二次仪表。通过测量脉冲数即可测出液位高度,检测两路脉冲的相位即可判断液位是增加还是减少。光纤探头是光纤传感器的关键部分,在探头中输入光纤和输出光纤的端面分别固定在两个聚集透镜的焦点上,则在聚集透镜之间形成平行光。采用可靠的固化措施,将其与光学编码盘室外壳镶嵌连接,严格地使探头两边的透镜光轴中心线对正,确保这一精密光学器件的正常工作。光纤传感器工作原理图如图2所示。变化按A有光和B无光、A有光和B有光、A无光和B有光、A无光和B无光的规则循环进行;如果光学编码盘为逆时针旋转,则A探头和B探头的信号变化按A有光和B无光、A无光和B无光、A无光和B有光、A有光和B有光循环进行。A探头和B探头的光强不会相等,但差值不大,光脉冲如图4所示。从图4可以看出,在由两路光脉冲叠加的一个周期T内,有4种不同的状态。光电转换装置与计数处理系统正是根据光路的这一特点进行工作的。这取决于液位检测装置机械系统的传动关系,也就是浮球的升降高度与光学编码盘的齿孔距离的关系。假设浮球升降高度差为H,光学编码盘转过的齿孔数为M(即输出M对脉冲,并形成4!M个排列均匀的脉冲前后沿,则L=H/M(1式中,L为一个齿孔的距离(图4,即每对脉冲的液位变化,L越小,测量越准确,即测量系统的分辨率图4光脉冲图(光盘顺时针转动图2光纤传感器工作原理示意图越高。设初始液位高度为H0,总高度为Y,则Y=H0+LM(2经调制的光脉冲信号通过两路输出光纤到达各自的光电转换器,每只光电转换器接收的光信号来自光路始端的LED光源,它可以连续工作105h。光光学编码盘是一个沿圆周刻出的与液位变化相对应的100个齿孔的薄盘。当光学编码盘因被测液位变化而转动时,它对在两个光纤探头内的红外光分别进行调制,即遮挡或通过,使之成为交变光。第6期王艳菊,等:油罐光纤传感液位测量系统的研究表1测试结果(20个数据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敏元件采用硅光电池PIN,把光缆传来的光脉冲经光电转换和整形放大后变成为标准的CMOS电压信号,传输给智能二次仪表(单片机控制仪表,在单片机内完成可逆判向逻辑处理等功能,由LED显示出液位。本系统的光纤对光的衰减很小,仅为3dB/km。光脉冲信号经光电转换器转换后的电平经再次放大后比电路所需的门坎电平大几十倍,足以保证其工作的可靠性。智能二次仪表由单片机和二次仪表组成。它有判向、计数、补偿、显示和报警功能。二次仪表的功能框图如图5所示。送入二次仪表的液位信号经过整形和放大处理后,送入单片微型计算机。在单片机内通过可逆判向、计数等处理,由LED显示液位数字。二次仪表供电电源为220V/AC,功耗为30W。图5二次仪表的功能框图203试验结果为本系统设计的液位系统的浮球升降高度为1000mm,光学编码盘转过100个齿孔,由式(1可知每个脉冲的宽度为10mm,即计数器每计一个脉冲,液面变化10mm。试验数据见表1。由表1的试验数据表明,在测量范围内(0~1000mm,所测试的20个数据的绝对误码差在0~6mm之间,相对误差在0%~2.0%之间。随着测试数据次数的增多,绝对误差相对减小,测量准确度会提高,可以满足生产的实际需要。当浮球运动时,其运动通过浮球支杆传送到主轴,主轴的转动带动光码盘转动,并将调制成的光脉冲传送出去。光脉冲等同于数字信号,所以系统的转换是数字信号之间的转换,这一过程中的误差相对较小,可以忽略。但在系统的液位检测装置中的链条传动和齿轮传动机构存在着不可避免的机械制造和装配精度误差,这是误差的主要来源。此外,光码盘的齿孔制作精度、分布均匀性等也会影响测量结果。4结论所设计的光纤传感液位系统被安装在石油储运企业、化工厂的大型储油罐区,为企业的自动化管理提供了检测信号。该系统已在中国石油秦皇岛化工进行了实际测试,各项性能指标完全符合要求。经过一个月的连续运行,没有发生机械位移和检测系统的零点及量程漂移。该系统的研制成功为油气储运企业、旧设备改造和远程自动化管理与监测提供了必要的条件。参考文献:[1]孙圣和,王廷云.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.[2]姜德生,黄晓华,王立新.一种新型的磁弹性静力测量系统[J].中国仪器仪表学报,2000,21(1:335∀349.[3]赵愚,姜德生.一种新型智能光纤传感器的研制与应用[J].石油化工自动化,2003,40(4:76∀78.[4]管爱红.触点式光纤液位传感器传感头的制作及其应用[J].光学技术,2002(2:113∀115.[5]LiangL.Aplicationoffiberopticsensortechnologyinanchormonitoring[J].ProceedingsofSPIE,2000,4223:73∀77.[6]ChengM.Lossmeasuringandprocessmonitoringinsplicingoftwodifferentfibers[J].ProceddingsofSPIE,2000,4223:53∀58.内波现场测量系统＋吴旌*陈建军中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003摘要：本文详细介绍了海洋内波观测的重要性，分析了国内外内波观测发展现状，并提出一种海洋内波现场测量系统，该系统可利用水中可升降平台将影响海洋内波的各种环境测量数据（温度、盐度、深度、湍流等）在一个垂直剖面上连续实时采集记录并可实时（或定期）通过卫星传输到岸站，提高了数据的时效性，增强了内波测量系统在海洋环境中的应用服务能力。系统由可升降漂浮平台、系留平台、锚泊回收系统、船载及岸基系统组成，其中漂浮平台由卫星通信系统和内波测量系统两大功能模块组成，测量获得的数据可通过卫星传输到岸站，内波测量系统包括一个商用的CTD和剪切探头。该系统一次布放连续可靠工作3个月、内波测量范围0～300m、其扩展型使用深度可达4000m。该系统能对海洋内波进行长期有效的监测，具有重要的军事和社会意义。关键词：内波现场测量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+内波现场测量技术研究(2006AA09Z146)*吴旌。Email：wutangjing@hotmail1.海洋内波观测的现状1.1海洋内波研究的重要性海洋内(重力)波是一类发生在因温、盐变化而层结的次表层海水中的重力波，属于海洋中、小尺度过程研究范畴[1]。由诸如气压场的变化、海底地震以及强流与起伏地形的相互作用等多种扰动激发生成[2]。海洋内波是海洋中普遍存在的一种动力学过程，它对海水动量、热量和质量的垂向输送起重要作用，因而海洋内波在整个海洋动力学的研究中占有重要的地位，是物理海洋学的重要分支。由于内波可影响海洋中的温度、盐度和营养物质的分布；可改变海洋声波的传播方向，从而影响声纳的探测；内波可阻碍潜艇前进，也可破坏海洋结构物等，因此人们普遍认识到海洋内波与海洋生态学、海洋水声学、海洋工程等应用紧密相关，尤其是海洋内波研究关系能源和军事，受到各国政府的重视。在新世纪由于经济高速发展和消费水平提高，我国对能源需求急剧增长，国家十分重视深海石油开发。海洋内波，特别是内孤立波、内潮，在海洋密度跃层中传播时，其携带的巨大能量会导致较高的流速，对海洋石油钻井平台和海底石油管道会造成严重的威胁。例如，在安得曼海的一个石油钻井机被水下通过的孤立子内波扭转了90°并推移了30.48m。[3]1990年夏、秋季，位于我国南海的"南海Ⅵ号"石油钻机，也曾遭受周期性的强内波波致流的袭击，致使石油钻井倾斜2.5度，摆幅40m，钻管被拉下3.9m，使钻井作业受到严重影响。1992年，中国南海东部石油公司在东沙群岛附近的石油钻并机在孤立子内波经过时无法操作，曳定的油罐箱在不到5min内摇摆了110°[4]。由此可见在内波活动频紧的海区，石油钻井平台设计必须考虑它能否经受内波产生的作用力。它也可以把潜艇托出水面或拽下水底，一次可能与内波有关的严重海损事件是，美国长尾鲨(Thresher)号核潜艇于1963年4月10日在距麻萨诸塞州沿岸350km处失事，129人死亡。因此，加强对内波流场及其同海洋结构物相互作用的研究对海洋工程设计是十分必要的。1.2内波观测现状无论内波的生成与耗散，还是在传播过程所通过的海水的物理性质，都具有很强的随机性。因此进行内波调查时，就需要记录下海水的温度、盐度、流速、流向等各种物理性质的时间序列和空间序列资料。可以采用现场测量海水参数（温盐密、海水流速）的方法对内波进行直接精确测量，主要测量仪器为CTD／测量温盐密参数、ADCP／测海流流速流向、温度链/测深度方向的温度剖面：l）固定空间点测量，将测量温度、流速等海洋参数的仪器固定在锚系系统或者船舶上，测量得到的数据通过卫星传回陆地或保存在锚系系统和船舶上。锚系系统常采用潜标，布放在海面以下，免受表面海况影响。2）水平拖曳式测量，测量仪器挂在船上水平快速拖过内波场。这种测量方式具有高的空间分辨率，可以同时测量声传播实验中声波导的空间．信息。常用测量仪器有拖曳式CTD。3）中性浮子测量，采用一种沉入水中的、浮力与重力相平衡的浮子系统进行内波观测。中性浮子系统随某一确定的等密度位置的移动而上下移动，同时记录等密度面的时间起伏数据和仪器所处位置的CTD数据。4）另外还有利用温度和密度层结的水体对高频声信号的反射作用的回声探测声纳，仪器有ADCP（声学多普勒流速剖面仪）。以上几种都是直接测量方法，另外还有两种间接观测方法：l）由于内波对海表面微尺度波分布进行调制，而SAR（合成孔径雷达）可以通过微波与海表面微尺度波相互作用而成像，所以现在在海洋遥感的研究中利用了SAR图像对内波进行探测及对内波的参数进行反演的研究。采用SAR图像反演监测内波，从图像上可以很容易的得到内波的位置、传播方向、大致的振幅等信息。但是SAR图像反演监测内波存在反演精度较差的缺点，并且难以获取深度方向的精确信息；利用载有SAR的卫星对于同一实验地点的内波观测，存在测量时间间隔长的问题，不能对同一内波进行连续、全天候的监测。2）用声学手段（声层析技术）对内波进行监测。由于内波的存在会导致声传播信号有规律的起伏，信号起伏的某些特征与内波的特征密切相关，因此可以利用声场起伏的特征来反演内波的特征信息。1.3存在的问题由于海洋内波随时间和空间而随机地变化,并且频率范围很宽,故需要在较长的时间内快速密集地取样。如果需要对内波多发区域长期定点监测，目前只能使用固定空间点测量法，但其问题是：数据一般是自容式，在测量期间所到的原始数据和信息贮存在测量设备中，测量数据的连续性、时效性不强，一旦浮标丢失或回收失败，就将一无所获，给海洋科研造成了较大的困难和不便；其次是该系统容易受天气或人为破坏，且一旦丢失后损失很大。2、内波现场测量系统本海洋内波现场测量系统，利用水中可升降平台将影响海洋内波的各种环境测量数据（温度、盐度、深度、湍流等）在一个垂直剖面上连续实时采集记录并可实时（或定期）通过卫星传输到岸站，提高了数据的时效性，增强了内波测量系统在海洋环境中的应用服务能力。2.1总体框架内波现场测量系统由可升降漂浮平台、系留平台、锚泊回收系统、船载及岸基系统组成，其中漂浮平台由两大功能模块组成，包括卫星通信系统、内波测量系统；系留平台包括收放络车、控制中心和主电源；锚泊回收系统包括锚、系留索系和声应答释放装置等组成，见图1内波现场测量系统总体示意图所示。1—1—漂浮平台2—卫星通讯系统3—控制系统4—CTD5—电池组6—剪切探头7—保险器8—漂浮平台壳体9—系留平台10—系留平台壳体11—保险器12—控制中心13—传输电缆14—收放络车15—主电源16—三叉系留索17—系留及锚泊系统18—旋转接头19—系留索20—商用系列的声答释放器21—锚。图1内波现场测量系统总体示意图2.2工作过程布放前根据水深确定系留索长度，系统采用水面整体吊布，入水锚先后拉直系留平台和漂浮平台，系留平台和漂浮平台之间预先留出10m的索。到达设定的水深后，系统上电工作，开始自检，自检通过进入工作流程，在一定时间后，采样平台深度并记录，内波测量系统开始上电工作，控制中心控制离合器打开，漂浮平台在正浮力作用下以一定速度上浮，同时内波测量系统（CTD和剪切探头）将记录下的数据传输给控制中心，储存于大容量数据处理存储器，同时按时序进行打包，平台到水面后，控制中心给离合器断电并根据设定将数据传输给岸站数据接收系统，从而完成测量数据的实时传输。在水面工作一段时间后，控制中心控制止动器打开，同时给电机上电，收放络车以一定的速度收索，漂浮平台下沉，内波测量系统将记录下的数据传输给控制中心，储存于大容量数据处理存储器，同时按时序进行打包。最大到达初始布放水深时，给止动器和电机断电，平台稳定停留一段时间后，进入下一个测试流程。2.3系统组成及功能船载及岸基系统船载及岸基系统包括布放打捞辅助设施、声应答释放设备、卫星岸站等组成以及卫星系统、岸站传输控制软件系统及运行平台等。漂浮平台漂浮平台包括卫星通讯系统和内波测量系统，由漂浮平台壳体、卫星通讯系统、控制系统、CTD、电池组、剪切探头、保险器组成。其主要功能是：提供所需的浮力，保证平台出水高度；搭载各功能模块。漂浮平台壳体头部为透声的玻璃钢，剪切探头安装于漂浮平台壳体的头部，卫星通讯系统和控制系统安装在壳体中间，电池组安装于漂浮平台壳体的底部，CTD安装在漂浮平台壳体的外部，通过水密电缆传输到控制系统中。漂浮平台上安装有卫星通讯系统和内波测量系统，测量获得的数据可通过卫星传输到岸站，内波测量系统包括一个商用的CTD和剪切探头。卫星通讯系统主要由卫星传输控制中心电路、卫星终端、卫星传输电缆、传控通讯电缆组成。其主要功能是：接收、暂存内波测量系统发送的数据；定制海事卫星通信数据包，向卫星终端发送数据；接收岸基系统发送的指令，控制监测设备工作状态；周期性工作制式，卫星传输控制中心电源及卫星终端电源能自动上电和掉电；能识别判断卫星通讯状态。控制系统主要由卫星通信控制模块、传输驱动板、传输控制板、传输转接板、面板及连接杆等组成。主要功能是根据环境数据起动工作指令或按预定程序进入工作状态；与测量系统通讯，控制测量仪器工作；存储记录数据；与卫星通讯系统通讯。系留平台系留平台包括系留平台壳体、保险器、控制中心（络车控制）、传输电缆、收放络车、主电源组成、三叉系留索。控制中心安装在系留平台壳体的头部，主电源安装在系留平台壳体的中间，控制中心、主电源通过传输电缆控制收放络车的运动；三叉系留索连接在系留平台壳体下方的专用系耳上。系留平台主要功能是提供系统的支撑浮力，内部安装主电源、控制中心、外部安装固定收放络车。收放络车主要用来实现测量平台的升降功能，收放络车的收放索使测量平台向下或向上运动，从而实现对海洋环境参数剖面数据的循环采集。收放络车包括收放机构、储索筒、直流力矩电机、减速器、止动器、离合器、密封壳体、计数器等组成。漂浮平台下降时采用电机正转收索；漂浮平台上浮时一般采用打开离合器后利用正浮力作用下上浮，节约能源，当然也可以采用电机反转放索。系留平台壳体主要功能：作为总体结构平台，允许承受的外压强度，搭载相关设备及仪表等控制机构；提供系统需要的剩余浮力，保证定深精度、减少偏降；姿态稳定，为正常工作提供稳定的环境。平台借鉴863潜标成熟的外形结构，其阻力系数约为0.12～0.2，比球体或直立圆柱体水下迎流阻力系数小得多，而且迎流面积小，可大大地减小系留平台自身在海流中的阻力和偏降。带翼结构能保证系留平台姿态稳定，为测量提供稳定的环境。采用水平系留方式，由三叉系留索系留于3节海流以下的海域时能保持水平姿态。控制中心（络车控制）主要有单片机系统、A/D采集电路、I/O接口电路、络车控制模块、离合器控制电路、止动器控制电路、上电电路、隔离电路、通讯接口、稳压模块、深度传感器、电池组等部分组成。其主要功能是：根据环境数据起动工作指令或按预定程序进入工作状态；控制可收放络车工作，收放缆索，可实时记录络车的放索长度，控制收索长度；当收索圈数等于放索圈数时停止收索，也可根据霍尔元件信号停止收索；控制离合器、止动器工作；络车收放索控制；存储记录数据。系留及锚泊系统系留及锚泊系统包括旋转接头、系留索、商用系列的声答释放器、锚以及许多标准的连接卸扣等组成。系留索采用包塑钢缆或等强度的Kevlar绳，满足4000米水域布放的要求。3、结束语内波现场测量系统利用水下可收放络车，将影响海洋内波的各种环境测量数据（温度、盐度、深度、湍流等）在一个垂直剖面上连续实时采集记录并可实时（或定期）通过卫星传输到岸站，提高了数据的时效性。该系统一次布放连续可靠工作3个月、内波测量范围0～300m、使用深度可达4000m，该系统能对海洋内波进行长期有效的监测，与传统方法相比，不易受天气、海况的影响，不易被人为破坏，重复使用性好，将会在海洋科学研究、海洋军事、海洋工程等方面有着广泛的应用前景。参考文献：[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张河湾蓄能电站超声波流量测量系统及应用魏春雷,郑凯(张河湾蓄能发电有限责任公司,河北省石家庄市050300摘要:在电站机电设备运行过程中,实现机组流量的精确、实时在线监测,对电站实现机组效率分析、经济运行以及状态检修至关重要。超声波流量测量系统以时差法原理为基础,可实现机组流速、瞬时流量及累计水量的准确测量。关键词:蓄能电站;超声波;流量;测量收稿日期:2021211203。0引言,作用。,以检查制造、,又能通过对机组运行特性长期连续监测,提供不同的水流和工况条件下水轮机性能的实时数据,为确定电厂经济运行中的开机台数、负荷优化分配以及机组状态检修等提供参考。随着电力市场工作的深入,在电站开展效率和机组状态的在线监测将越来越体现其实用性和对电厂的重要意义。张河湾抽水蓄能电站位于太行山深处井陉县境内,是河北省最大的抽水蓄能电站,设计装机总容量为100万kW。该电站首台机组于2021年投产,建成后将对河北省南部电网安全、经济、稳定运行起至关重要的作用。根据设计要求,拟对电站的4台24万kW机组安装超声波测流装置,进行机组实时在线测流,并为机组和水泵效率试验提供精确、可靠的数据。1电站安装超声波流量计的必要性1.1水泵水轮机的交接验收现场试验对原型机组进行现场流量、效率试验,可以判断机组的实际使用性能,是机组交接验收的重要依据。大口径多声道超声波流量计是水轮机现场流量试验的有效手段,并为国际电工委员会IEC41《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》(IEC60041—1991和美国国家规程ASMEPT18所认可,在国际上广泛应用。1.2,可以。超声波流量计既可以进行定,又能长期在线监测,为水电站的经济运行提供可靠依据。1.3水电站的状态检修众所周知,水电站实行状态检修可以带来显著经济效益,而机组的流量效率特性是机组的重要运行状态标志,是判断机组是否需要检修和检修质量的重要依据。2超声波流量测量原理对于管道和有压方涵,是通过测量超声波在顺流和逆流中的传播时间差来计算声路上的流速,再根据各个声路上的流速,用加权积分的方法计算出流量。其原理如图1所示。图1超声波流量测量原理对于一个声路:V=L2T1T2cosθ式中:V为测量声路上的线平均流速;L为测量声路的有效声路长;T1为声波正向传播时间;T2为声波逆向传播时间;θ为声路和流道轴线间的夹角。对于一个测量断面:V=∑ni=1KiVi—62—第30卷第1期2021年2月Vol.30No.1Feb.2021Q=SV式中:V为测量断面平均流速;Ki为第i声道加权积分系数;Vi为第i声道线平均流速;Q为断面流量;S为断面横截面面积。在大口径管道和方涵中测量流量,需要布置多个声路,来测量多个流速,然后对流速进行加权积分计算流量。系统主要由主机、换能器及信号电缆构成,采用多声路测流速、加权积分计算流量,有效地解决了流态分布变化对流量测量精度的影响,在相对直管段很短时也能达到较高的测量精度。3张河湾电站超声波流量测量方案3.1流量计选型及配置1水头高,压力大(,22种工作方式、可靠的实时在线流量数据;3管道结构多边,且无外露平直管段。张河湾电站采用RISONIC2000多声道超声波流量计,是瑞士瑞特迈尔RITTMEYER公司的产品,具有运行稳定、测量准确、可长期在线测量水轮机流量的特点。1多声路(最多8声道测量(符合IEC41和ASMEPTC18标准和瑞士OWICS标准;2不受被测介质的电导、温度和压力的影响;3横向流校正;4采用了世界上最先进的DSP(信号处理技术,这样即使水流中有较大的漩涡也能够实现稳定的测量,并满足精度要求;5RISONIC2000超声波流量计运行可靠,测量结果即可在当地显示,又可传输至电厂生产信息网络,实时提供精确的流量数据;6换能器采用了流线型设计,换能器的突出在安装过程中也进行了修正。3.2流量计现场布置方案3.2.1现场条件引水钢管直径为DN3600mm;直管段长度为20m;钢管压力为4.0MPa;流量方向为正向、反向(发电、抽水两种工况;介质温度为0~+28℃;介质为水。3.2.2换能器安放点的选取根据图2来看,上、下水库之间的主管道由2条直径从竖管6.4m到水平管渐变成5.2m的有压管道构成,在进入机组前分别分岔为2条直径有3.6m渐变成2.7m的引水支管与4台机组相连。根据设计要求拟在4条引水支管处分别对4台机组进行实时流量监测,从水力学角度来讲,流量测量断面应选在有足够直管段且上、下游没有弯管、渐变等不利于测量的位置处,如果存在以上情况,应尽可能选在相对有利于测量的位置处且需采用交叉8声路或更高的声路布置来解决流态对测流精度的影响。根据现场情况(排除在下库厂房球阀下游外露管段安装点,该处为锥形管,,适合测:管(;2,6;,2.7m,和厂房相连。图2张河湾电站水道系统布置平面超声波换能器的安装点确定在引水分叉管到球阀之间的DN3600mm直管段上,具体部位在分叉管后12m~16m处,这主要是考虑到正向流动和反向流动测量时,测点前后都有一定的直管段,以保证流体具有较好的流态分布,满足测量精度的要求。同时,采用两断面8声道垂直方向(2E8P的超声波换能器布置方式,减小测量误差。换能器采用内贴式结构,通过螺栓固定在钢管内壁,引线通过密封的保护钢管在球阀前集中引出钢管。超声波流量计的主机是一台高精度、高性能的信号处理与运算的计算机,通过对8声道16个换能器的数据进行分析计算,实现水轮机的正、反向瞬时流量和累计流量等参数的在线测量。3.2.3换能器布置方式换能器采用内贴式结构,通过螺栓固定在钢管—72—・调速励磁与辅机控制・魏春雷,等张河湾蓄能电站超声波流量测量系统及应用内壁,引线通过密封的保护钢管在球阀前集中引出钢管。流量测量装置采用1台机组对1台测量主机的形式,可连续在线测量水轮机的正、反向瞬时流量和累计流量。超声波换能器具体安放点及布置示意图见图3所示。图3超声波换能器安放点及布置示意3.2.4系统配置结构考虑到流量测量系统对机组运行状况和计算效率的重要性,采用1台主机测量1台机组的管道流量,换能器通过16根射频电缆与主机相连,如图4所示。图4系统配置主机采用模块化设计,集成化键盘和现场显示,易于操作。它采用IP65封装,内置防雷保护器,电源为220VC/50Hz,功率消耗为30W。每个主机对其测量的1条管道显示瞬时流量、累积水量、水位、水温、每层流速,可对其单独操作,由此构成了完善的流量测量系统。4结语张河湾蓄能电站首台机组于2007年底首次并网发电,超声波测流系统在机组整组启动前即投入使用。受上水库无天然来水的因素制约,电站上水库在利用临时充水泵蓄一定水量后,首次启动方式为水轮机工况。在试验过程中,根据超声波测流系统所测量的实时流量及累计水量,有效地反映各项试验所需水量,为后续试验项目的决策提供保证。同时,该系统与电站配备的在线监测系统相连接,可实现机组效率的在线计算,不仅可方便用于机组性能考核试验,更为电站经济、高效运行提供有力保障,为机组实现状态检修提供了科学依据。魏春雷(1981—,男,助理工程师,主要研究方向:电站水泵水轮机。E2mail:wei2cl@zhw.hbpc.com.cm—82—2021,30(1水电厂自动化求解海洋内波垂向结构的几种Sturm变换方法基金项目：国家自然科学基金资助项目（50179024）．基金项目：国家自然科学基金资助项目（50179024）．作者简介：叶春生，1976~，男，博士，讲师．主要从事物理海洋学及水力学的研究．Email:smileyshark@sina;Tel叶春生1蒋晶晶1沈国光2（1.郑州大学水利与环境学院，郑州，450001；2.天津大学建筑工程学院，天津，300072）摘要：海洋内波垂向结构的求解是研究海洋内波的基础，利用Sturm变换求解垂向结构是一种行之有效的方法。首先，分析了二阶线性变系数常微分特征值方程转化为Sturm-Liouville标准型的一般方法。其次，利用一般方法，给出了将海洋内波垂向结构转化为标准型的一次Sturm变换及其标准型。随后，给出了另外两种形式的一次Sturm变换及其标准型。然后，给出了二次Sturm变换的方法及其标准型。通过Sturm-Liouville理论的研究，获得了用于海洋内波研究的四种形式的Sturm变换，以及相应的标准型。一次Sturm变换的三种形式可用于低频内波的求解，二次Sturm变换的形式可用于高频内波的求解。根据Sturm-Liouville理论，各种形式标准型的数值解构成Hilbert空间，从而实测海洋内波数据可以表示成解向量的广义Fourier级数。关键词：海洋内波；垂向结构；特征值方程；Sturm-Liouville标准型；Sturm变换；低频内波；高频内波；广义Fourier级数中图分类号:O35312文献标识码: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理论基础通常，二阶线性变系数常微分特征值方程可以写为如下形式（1）式中，。由数理方程可知，对于任意一个二阶线性变系数常微分特征值方程，乘以适当的函数后总可以化为下面的形式[1]（2）上式称为Sturm-Liouville方程，以下简记为SL。为自变量，称为权重函数。为与密度函数区分，此处的权重函数记为，与文献[1]有所不同。若令，则（2）式变为（3）这是特殊情况下的SL方程，与（2）式相比，（3）式不存在未知函数的一阶导数项。SL方程又可写成如下形式（4）微分算符为（5）时，若且仅在有限个点上成立，则有如下结论：存在可数多个实的特征值，以及与特征值相对应的特征函数系，；所有特征值非负，即；特征函数系是关于权函数的完全正交系，即：（6）若在上有连续的一阶导数及分段连续的二阶导数，且在边界上是第一、第二、三类齐次边界条件或自然边界条件，则关于的广义Fourier级数在上绝对且一致收敛于。其中，各项的Fourier系数由下式决定 （7）海洋内波的垂向结构[2]海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动，其最大振幅出现在海洋内部，波动频率介于惯性频率和浮力频率之间，其恢复力在频率较高时主要是重力与浮力的合力。海洋内波与表面波最显著的区别在于内波最大的振幅发生在海面以下，存在垂向波数，且内波的控制方程决定了在其传播的深度范围内，会有不同的内波模态。内波控制方程整理简化后为如下形式（8）式中：为海洋内波垂向速度幅值，深度的函数；、分别为关于深度的一阶、二阶导数；为浮力频率，深度的函数，可表示为；为重力加速度；为海洋内波的圆频率；为海洋内波的水平波数；为地转惯性频率。（8）式的特征方程为（9）其判别式为（10）对于实际海洋，是个小量，可以不予考虑。由于地转频率相对于海洋内波圆频率小得多，亦可以忽略不计。从而，判别式的符号完全由与的大小关系决定。判别式的正负决定了解的特性，即在垂向上是否存在波动。典型的海洋密度分层与浮力频率分布如图1所示[3]。--HZXNZ00G2G1图1典型海洋密度及浮力频率分布示意图Fig.1DensityandBluntfrequencydistributionoftypicaloceanareas图1中，、是选定的内波圆频率与浮力频率曲线的两个交点。设交点的纵坐标分别为、。由于内波圆频率不可能比来得更大，仅当时，才可能有内波的存在。由实际海洋浮力频率的分布特性，决定了某一圆频率为的内波只能在一定的深度范围内传播，即存在波导，内波的传播限于波导内而不会穿越。从图1中可以看到，圆频率为的内波仅存在于与的两个交点、所限定的区间内。海洋内波控制方程为二阶线性变系数常微分特征值方程，因此可以归结为SL问题。考虑到某一频率的内波，在整个水深范围内方程具有分层特性，可以利用两次变换及一般二阶方程的通用变换方法，将内波控制方程转化为SL标准型。获取SL标准型的几种方法获取SL标准型的一般方法获取SL标准型的一般方法，不妨称之为一次Sturm变换。设，简记为，则（11）（12）将微分算符（5）式代入（4）式有（13）将代入原始微分方程（1）整理可得（14）比较（13）、（14）两式得（15）方程组中，、、和是未知函数。由该方程组的前两式可得（16）对（16）式两边同时积分得（17）求得之后，分别代入（15）式中的一、三、四式，相应地可以求解、和。对于任意二阶线性变系数常微分特征值方程，只须令（18）即可将原方程转化为形如的SL标准型。海洋内波控制方程的一次Sturm变换对于海洋内波问题，其控制方程为（8）式。显然，该式属于自变量为的二阶线性变系数常微分特征值方程。比较（1）式可得，，，注意到，由一次Sturm变换可得（19）从而有（20）（21）将（20）、（21）两式代入（8）式整理可得（22）与（13）式相比可知（23）于是，（22）式可以整理为（24）由公式（4）可知，上式为SL标准型。数值求解上式，需要给出的边界条件。的边界条件可以由变换（19）式及下文的边界条件给出。一次Sturm变换的第二种形式[3]在（8）式两边同时乘以密度函数，整理后不难得到（25） 显然，上式为SL标准型，未知量以而不是来表述。这一点具有较为重要的实用价值，因为从形式上看，（25）式比（24）式简单。（24）、（25）两式为一次Sturm变换之后的海洋内波控制方程，但是仅对于低频内波的求解有实际意义，下面通过正交性的证明来说明这个问题。解函数正交性的证明[4]以（25）式为例。设固有函数和分别满足方程（25）式，即（26）（27）将式（26）×、（27）×，相减可得（28）对（28）式从到积分得（29）所以有（30）参照图1，对于低频海洋内波，表面边界条件可以采用刚盖近似，即（31）在海底，由于水质点不可穿越，边界条件可以表述为（32）将（31）、（32）两式代入（30）式右端，不难得到（30）式右端为零，故（33）由SL理论，当时，，所以有（34）因此，SL型方程（25）式，其解函数关于权函数是正交的。通过证明过程可知，低频内波满足边界条件（31）式和（32）式，此时（25）式才具有实用价值。当时，将式（26）×得（35）从到积分得（36）由（31）式和（32）式，不难知道上式右端第一项为0。由于第二项被积函数非负，并且存在内波的区域满足，由（36）式可得（37）上式说明，对于（25）式，其特征值。一次Sturm变换的第三种形式[5]根据SL理论，对SL标准型方程，如果，此时一阶导数项为零。由（3）式的导出及其描述，对于海洋内波的控制方程，可以寻求某种变换，如果一阶导数项的系数为零，则获得的方程为SL标准型。不妨设，则（38）（39）将式（38）、（39）代入内波控制方程（8）式，不难得到一阶导数项的系数，令其等于零可得（40）将代入上式，两边同时积分可得（41）因此，变换可以取为，将其代入（8）式可得（42）式中，，该式即欲求的SL标准型。获取SL标准型的两次Sturm变换[3][6]一次Sturm变换利用上述一次Sturm变换的另一种形式，得到（42）式。二次Sturm变换整理（42）式可得（43）参照图1，对于分布而言，在整个坐标轴上，将其分成上、中、下三个区域，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区。由分布知，在Ⅰ、Ⅲ区，；在Ⅱ区，。故（43）式是对应的Ⅰ、Ⅲ区Sturm-liouville微分方程；在Ⅱ区，因为<0，所以对应的SL型微分方程应为下式（44）因为仅当时，才可能有内波的存在。以下讨论将内波方程在Ⅱ区转化为SL标准型的情形。由数理方程，对于Ⅱ区的微分方程（44）式，如果设，并做第二次Sturm变换，则变换的结果仍为SL标准型[6]。由变换关系，不难求得（45）对二次Sturm变换求一阶导数可得（46）对（46）式求二阶导数可得（47）考虑到，将（46）、（47）式整理可得（48）（49）下面计算项。由（48）、（49）式消去可得（50）从而，（51）将（51）式代入（44）式，将替换成，等式两边再同时乘以，整理可得（52）上式便是海洋内波控制方程在Ⅱ区时的SL标准型。边界条件由图1可以看出，在、点处，有，即，故不难得出如下边界条件（53）（54）需要提到的