引言

監測水電站水電機組水力參數的目的首先是確保水電站的安全和經濟運行，其次是鑒定、考查水電機組的性能。因此，作為水電站自動化水平主要表征之一的水力參數監測裝置必須進一步提高其自動化程度，逐步進行技術改造。目前在水電機組的水力參數監測系統中，通常是用前置傳感器和監測儀表相配合。C8051F005是近幾年得到廣泛應用的一種單片機，其運算速度高、工作穩定且內置豐富，為此，本文給出了以該芯片為核心，同時配合多路前置傳感器對水電機組的多個水力參數進行同時監測。

1 工作原理和基本技術參數

水電機組重要的水力參數主要是水輪機的過機流量、累積流量、工作水頭和機組效率。水輪機過機流量可采用蝸殼差壓法來進行測量，即用壓差變送器測出蝸殼測流斷面內外的壓差△P，并根據壓差△P與流量Q的關系式 計算出水輪機的流量，其中，參數K為蝸殼流量系數，一般可預先通過絕對效率試驗（如流速儀法、水錘法等）來確定。累積流量則是過機流量的累積和。

水輪機的工作水頭定義為水輪機的進口斷面與尾水管出口斷面的總能頭之差，實際計算中，工作水頭H可用差壓變送器來測量進口壓力P1與尾管口壓力P2的壓差，但需考慮兩個壓力測點的高程差（用差壓變送器時，此差為0）以及與過機流量Q、進出口截面積S1、S2有關的動水頭項，用關系式表示為：

式中：nt為水輪機效率；nu為機組效率；Ng為發電機功率，單位為MW；ng為發電機效率（可從設計單位提供的發電機效率曲線查取）；Q為水輪機相對流量，單位為m3／s；Ht為水輪機工作水頭，單位為m；γ為水的容重，單位為N／m3。

2 監測儀的硬件設計

2.1 結構設計

該監測儀中CPU所選用的C8051F005內部程序存儲器包含32 k+128字節的FLASH，可在線編程調試。三路變送器產生的4～20 mA的電流同時送人監測儀后。可經過I／V變換轉換成0～5 V的直流模擬電壓。電壓經過調理后（0～2.4 V）送入C805F005，并利用其內部的12位ADC對模擬電壓進行數字化并測量，然后經過CPU計算并將產生的結果同時顯示在LCD上。考慮到系統的線性度要求，本設計采用三路獨立的D／A產生模擬信號并經過V／I變換后輸出。計算中用到的參數可以預先寫入并由按鍵手動修改。電源部分除為監測儀內部各個芯片供電的同時，還要為三路變送器供電（具體電壓電流視實際情況而定）。該監測儀的結構框圖如圖1所示。

2.2 I／V變換及電壓調理

系統I／V變換采用的R CV420芯片是美國RURR-BROWN公司生產的精密電流環接收器，用于將4～20 mA輸入信號轉換成0～5 V輸出信號。該芯片具有很高的性能價格比，它包含一個高級運算放大器、一個片內精密電阻網絡和一個精密10 V電壓基準，其總轉換精度為0.1％，共模抑制比CMR達86DB，共模輸入范圍達40 V。RCV420在滿量程時的電壓降僅為1.5 V，故在環路中串有其它儀表負載或在對變送器電壓有嚴格限制的應用場合非常有用。但在實際使用中要注意對RCV420的調零，否則RCV420在輸人4 mA時可能產生微弱的輸出，這會影響系統的線性度和準確度。由于C8051F005內置的12位ADC采用內部參考電壓（REF0CN=0x07）時的滿度電壓為2.4 V，所以RCV420的輸出要經過電壓調理。而由于單片機的阻抗很大，該調理電路應采用電阻分壓方式，調理過程產生的微小誤差可以通過軟件進行補償。具體應用及調理電路如圖2所示。

2.3 V／I變換電路

V／I變換電路可選用BURR-BROWN公司生產的精密電壓電流轉換芯片XTR110來進行設計。該轉換芯片可以把接收到的0～5 V或0～10 V的直流模擬電壓轉換成4～20 mA、0～20 mA或5～25 mA的直流電流。本設計應用的是第一種轉換方式，即將0～5 V范圍的電壓信號轉換成0～20 mA的電流信號。事實上，XTRR110芯片內置精密的電阻網絡和10V參考電壓，最大線性誤差為0.005％。輸出采用P溝道MOS場效應管，本設計使用的是IR公司的IRF9513，若使用其它場效應管．則應滿足的最大耐壓值為：BVDSS=80 V，BVGS=40 V。具體電路如圖3所示。

2.4 液晶顯示器的連接

本監測儀的顯示部分是采用12864的圖形點陣液晶顯示模塊MS12864A的設計。該模塊自帶驅動電路和漢字庫，可與MCU進行8位并行連接。使用該模塊可以同時顯示所要監測的多路參數而不用切換。由于C8051F005的引腳電壓為3.3 V，所以需要外接上拉電阻以驅動液晶模塊，其具體連接電路如圖4所示。

3 監測儀的軟件設計

本測試系統軟件可用C語言編寫而成，整套程序可由主程序、鍵盤顯示處理程序、中斷處理程序、數據分析處理程序及AD、DA等子程序構成。圖5所示是其主程序框圖。

4 誤差分析

本系統在調試試驗中用到的原始試驗數據由哈爾濱電機廠提供。具體參數有：蝸殼壓差變送器最大壓差值為70 m、最大流量為320 m3／s、水頭壓差變送器的最大值為70 m、蝸殼進口斷面積為44.16 m2、尾水管出口斷面積112 m2、當地重力加速度為9.8 m2／s、發電機效率為98％。具體的流量試驗數據如表1所列，表2所列為本文所介紹的監測儀器的水頭效率試驗參數。

5 結束語

試驗測試中發現有微小的誤差，其主要原因是由于RCV420和XTR110的調零不準確，從而影響了系統的線性度。另外，電壓調理電路中的電阻也要盡量精確。另外，測試中有時還會出現顯示不穩定的現象，這主要是C8051F005內部的12位ADC采樣不穩定造成的。由于該系統對實時性的要求不是非常高，可以考慮對測量值進行5次采樣，并濾除掉最大和最小的采樣值，然后提取剩下三個采樣值的平均值來進行計算。試驗表明，此方法可以減小顯示的不穩定。該儀器的試驗樣品經過哈爾濱電機廠的現場測試證明：其現場測試數據與試驗數據基本相同，儀器工作比較穩定。

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