本實(shí)用新型涉及效率測(cè)量裝置，特別是一種基于嵌入式ARM平臺(tái)的水輪發(fā)電機(jī)組效率測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，在國(guó)家注重清潔能源和可再生能源的背景下，國(guó)內(nèi)的水力發(fā)電蓬勃發(fā)展，水力發(fā)電技術(shù)也突飛猛進(jìn)，從目前的趨勢(shì)看，水輪發(fā)電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)，越來(lái)越向高水頭，高轉(zhuǎn)速，高效率，大容量方向發(fā)展。水輪機(jī)作為一種動(dòng)力設(shè)備的原動(dòng)機(jī)，它的任務(wù)是把水流中的流量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以便使水輪發(fā)電機(jī)將這機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。因此水輪機(jī)作為一種能量轉(zhuǎn)換器，它的轉(zhuǎn)換效率是最重要的指標(biāo)，是評(píng)價(jià)能量轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)劣的最重要指標(biāo),水輪機(jī)效率越高,從水能轉(zhuǎn)換為電能的效率也越高,水力能量損失越小。因而如何準(zhǔn)確、快速、便捷地測(cè)量出機(jī)組效率指標(biāo)是評(píng)價(jià)機(jī)組能量利用效果的重要方面。另外，在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，由于水輪發(fā)電機(jī)組由于空化引起機(jī)組轉(zhuǎn)輪空蝕會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪能量損失加大，機(jī)組效率和出力大幅下降。因此從機(jī)組健康安全運(yùn)行的角度而言，實(shí)現(xiàn)機(jī)組效率的準(zhǔn)確和快速測(cè)量，監(jiān)測(cè)機(jī)組效率的變化發(fā)展趨勢(shì)，也是間接監(jiān)測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組空化空蝕水平的重要手段。

在傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組測(cè)量系統(tǒng)中，效率測(cè)量功能一般都是一個(gè)在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)或者綜合測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，一般不單獨(dú)設(shè)計(jì)獨(dú)立的效率測(cè)量裝置。上述綜合系統(tǒng)一般采用大型化的采集裝置+信號(hào)處理裝置的模式，主要特點(diǎn)為采集通道多、信號(hào)處理能力強(qiáng)，但而效率測(cè)量模塊僅僅是上述系統(tǒng)中的一項(xiàng)子系統(tǒng)。但如果需要進(jìn)行效率測(cè)量，就需要安置上述全部裝置。因此也存在系統(tǒng)復(fù)雜、體積大的問(wèn)題、攜帶、安裝不方便的問(wèn)題，另外抗震、防塵等效果也不好，對(duì)環(huán)境要求比較高。另外傳統(tǒng)的綜合測(cè)量系統(tǒng)大多采用基于X86架構(gòu)的采集處理裝置，此裝置在處理能力強(qiáng)大的同時(shí)，也帶來(lái)的功耗巨大和無(wú)法小型化的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)所提到的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種基于嵌入式ARM平臺(tái)的水輪發(fā)電機(jī)組效率測(cè)量裝置，包括：

差壓測(cè)量裝置，其設(shè)置在水輪發(fā)電機(jī)組的蝸殼進(jìn)口水平段，用于感測(cè)設(shè)置在所述蝸殼進(jìn)口水平段的兩個(gè)出水口之間的壓差值；

壓力傳感器，其包括鋼管壓力傳感器、蝸殼進(jìn)口壓力傳感器和尾水管出口壓力傳感器，

所述鋼管壓力傳感器，其設(shè)置在水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)組前主伐前端的壓力管道處，用于感測(cè)所述壓力管道的水流壓力值；

所述蝸殼進(jìn)口壓力傳感器，其設(shè)置在所述水輪發(fā)電機(jī)組的蝸殼進(jìn)口管道處，用于感測(cè)所述水輪發(fā)電機(jī)組的蝸殼進(jìn)口管道的水流壓力值；

所述尾水管出口壓力傳感器，其設(shè)置在所述水輪發(fā)電機(jī)組的尾水管出口管道處，用于感測(cè)所述水輪發(fā)電機(jī)組的尾水管出口管道的水流壓力值；

功率變送器，其設(shè)置在電廠的測(cè)量盤(pán)或監(jiān)測(cè)盤(pán)柜中，用于將二次測(cè)量的參數(shù)變?yōu)?-20mA電流信號(hào)；

嵌入式ARM平臺(tái)，其通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)與所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器連接，所述嵌入式ARM根據(jù)接收的感測(cè)數(shù)據(jù)和內(nèi)置的效率測(cè)量方法，實(shí)時(shí)計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率；

存儲(chǔ)模塊，其與所述嵌入式ARM平臺(tái)連接，用于存儲(chǔ)所述嵌入式ARM平臺(tái)接收到的所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器感測(cè)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算出的水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率數(shù)據(jù)；

通訊傳輸模塊，其與所述嵌入式ARM平臺(tái)連接，用于向外部設(shè)備或外部系統(tǒng)傳送所述嵌入式ARM平臺(tái)接收到的所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器感測(cè)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算出的水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率數(shù)據(jù)；

顯示模塊，其與所述嵌入式ARM平臺(tái)連接，用于顯示所述嵌入式ARM平臺(tái)接收到的所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器感測(cè)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算出的水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率數(shù)據(jù)。

優(yōu)選方案是：所述通訊傳輸模塊接口提供RS-232/485和RJ45形式。

優(yōu)選方案是：所述顯示模塊的顯示設(shè)備為觸摸式液晶屏，屏幕尺寸為6英寸，分辨率為800X600。

優(yōu)選方案是：所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器利用FGPA技術(shù)實(shí)現(xiàn)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。

優(yōu)選方案是：所述差壓測(cè)量裝置為超聲流量傳感器或差壓傳感器。

優(yōu)選方案是：所述內(nèi)置的效率測(cè)量方法包括超聲波測(cè)流法、蝸殼差壓法或水錘法。

本實(shí)用新型基于嵌入式ARM平臺(tái)的水電機(jī)組效率測(cè)量裝置主要完成以下功能：對(duì)效率測(cè)量相關(guān)的壓力、差壓、流量及機(jī)組有功功率等參數(shù)的進(jìn)行同步實(shí)時(shí)采集、并能實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示、存儲(chǔ)、傳輸機(jī)組的效率、耗水率等關(guān)鍵效能指標(biāo)，以便于用戶(hù)隨時(shí)掌握機(jī)組當(dāng)前的效能信息，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員從優(yōu)化調(diào)度和安全運(yùn)行提供相關(guān)依據(jù)。本實(shí)用新型提出的基于嵌入式ARM平臺(tái)的水輪發(fā)電機(jī)組效率測(cè)量裝置系統(tǒng)通過(guò)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和專(zhuān)用化的設(shè)計(jì)，用先進(jìn)的FPGA+嵌入式ARM芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)基于X86體系綜合測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化、小型化、低功耗化，使該測(cè)量裝置在惡劣環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性得到顯著的提高，同時(shí)其高速率、高精度的數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理為水輪發(fā)電機(jī)組效率測(cè)量提供了更先進(jìn)的技術(shù)理念和實(shí)現(xiàn)方法。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書(shū)文字能夠據(jù)以實(shí)施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語(yǔ)并不配出一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種基于嵌入式ARM平臺(tái)的水輪發(fā)電機(jī)組效率測(cè)量裝置，包括：差壓測(cè)量裝置，其設(shè)置在水輪發(fā)電機(jī)組的蝸殼進(jìn)口水平段，用于感測(cè)設(shè)置在所述蝸殼進(jìn)口水平段的兩個(gè)出水口之間的壓差值，，所述差壓測(cè)量裝置為超聲流量傳感器或差壓傳感器；壓力傳感器，其包括鋼管壓力傳感器、蝸殼進(jìn)口壓力傳感器和尾水管出口壓力傳感器，所述鋼管壓力傳感器，其設(shè)置在水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)組前主伐前端的壓力管道處，用于感測(cè)所述壓力管道的水流壓力值；所述蝸殼進(jìn)口壓力傳感器，其設(shè)置在所述水輪發(fā)電機(jī)組的蝸殼進(jìn)口管道處，用于感測(cè)所述水輪發(fā)電機(jī)組的蝸殼進(jìn)口管道的水流壓力值；所述尾水管出口壓力傳感器，其設(shè)置在所述水輪發(fā)電機(jī)組的尾水管出口管道處，用于感測(cè)所述水輪發(fā)電機(jī)組的尾水管出口管道的水流壓力值；功率變送器，其設(shè)置在電廠的測(cè)量盤(pán)或監(jiān)測(cè)盤(pán)柜中，用于將二次測(cè)量的參數(shù)變?yōu)?-20mA電流信號(hào)；嵌入式ARM平臺(tái)，其通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)與所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器連接，所述嵌入式ARM根據(jù)接收的感測(cè)數(shù)據(jù)和內(nèi)置的效率測(cè)量方法，實(shí)時(shí)計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率，所述內(nèi)置的效率測(cè)量方法包括超聲波測(cè)流法、蝸殼差壓法或水錘法；存儲(chǔ)模塊，其與所述嵌入式ARM平臺(tái)連接，用于存儲(chǔ)所述嵌入式ARM平臺(tái)接收到的所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器感測(cè)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算出的水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率數(shù)據(jù)；通訊傳輸模塊，其與所述嵌入式ARM平臺(tái)連接，用于向外部設(shè)備或外部系統(tǒng)傳送所述嵌入式ARM平臺(tái)接收到的所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器感測(cè)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算出的水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率數(shù)據(jù)，所述通訊傳輸模塊接口提供RS-232/485和RJ45形式；顯示模塊，其與所述嵌入式ARM平臺(tái)連接，用于顯示所述嵌入式ARM平臺(tái)接收到的所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器感測(cè)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)計(jì)算出的水輪發(fā)電機(jī)組流量、機(jī)組效率和機(jī)組耗水率數(shù)據(jù)，所述顯示模塊的顯示設(shè)備為觸摸式液晶屏，屏幕尺寸為6英寸，分辨率為800X600；所述差壓測(cè)量裝置、壓力傳感器和功率變送器利用FGPA技術(shù)實(shí)現(xiàn)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。

水輪發(fā)電機(jī)組效率測(cè)量原理

水輪機(jī)作為一種動(dòng)力設(shè)備的原動(dòng)機(jī)，它的任務(wù)是把水流中的流量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以便使水輪發(fā)電機(jī)將這機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。因此水輪機(jī)作為一種能量轉(zhuǎn)換器，它的轉(zhuǎn)換效率是最重要的指標(biāo)，是評(píng)價(jià)能量轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)劣的最重要指標(biāo)。按照物理學(xué)概念，一個(gè)機(jī)械設(shè)備的效率是有功(功率)與總功(總功率)之比?；蛘呙枋鰹檩敵龉β逝c輸入功率的比值。對(duì)于水輪機(jī)組而言，即為水輪機(jī)軸功率與水流功率的比值。由于要測(cè)準(zhǔn)水輪機(jī)軸功率難度太大，因此在原型試驗(yàn)中一般采用測(cè)取水力機(jī)組效率的方法。適用于現(xiàn)場(chǎng)效率測(cè)試的方法有流速儀測(cè)流法、熱力學(xué)法、超聲波測(cè)流法、蝸殼差壓法、示蹤法、水錘法及相對(duì)法等?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際主要采用超聲波測(cè)流法、蝸殼差壓法、水錘法完成機(jī)組效率的采集、計(jì)算。

超聲波測(cè)流法、蝸殼差壓法測(cè)量水輪機(jī)效率的基本原理

不論超聲波測(cè)流法、蝸殼差壓法都是在蝸殼進(jìn)口處和尾水管出口處加裝測(cè)壓傳感器獲得蝸殼進(jìn)口處和尾水管出口處的壓力數(shù)據(jù)，再通過(guò)超聲波測(cè)流法或蝸殼差壓法獲得機(jī)組流量，進(jìn)而計(jì)算獲得水輪機(jī)效率。

其中：η_t為水輪機(jī)效率，N_g為發(fā)電機(jī)功率，η_g為發(fā)電機(jī)效率，Q為機(jī)組流量，H為工作水頭，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取Ｆ渲蠳_g可以通過(guò)功率變送器直接采集獲得，或者通過(guò)通訊采集獲得。Q和H需要通過(guò)采集系統(tǒng)采集或者認(rèn)為輸入獲得。

而Q則可以通過(guò)超聲流量法直接測(cè)量獲得或者采用通過(guò)量蝸殼差壓計(jì)算獲得。采用蝸殼差壓法計(jì)算機(jī)組流量公式如下：

Q＝kΔHⁿ

其中q為測(cè)量獲得的蝸殼差壓，k為該計(jì)算的蝸殼流量系統(tǒng)，n在大多數(shù)機(jī)組上為也就是說(shuō)，對(duì)大多數(shù)機(jī)組而言，

而工作水頭的計(jì)算方法如下：

其中A₁為蝸殼進(jìn)口壓力傳感器安裝高程(m)，A₂為尾水管出口壓力傳感器安裝高程，P₁為蝸殼進(jìn)口壓力傳感器讀數(shù)(kPa),P₂為尾水管出口壓力傳感器讀數(shù)(kPa),D為當(dāng)?shù)厮芏?，S₁為蝸殼進(jìn)口斷面面積，S₂為尾水管出口斷面面積，a₁為蝸殼進(jìn)口斷面處流速不均勻系數(shù)，通常取1，a₂為尾水管出口斷面處流速不均勻系數(shù)，通常取1。機(jī)組耗水率計(jì)算方法如下：

其中q為機(jī)組耗水率，N_t為水輪機(jī)出力。

水錘法測(cè)量效率的基本原理

水錘法，又稱(chēng)壓差-時(shí)間法，由美國(guó)人N.R.吉普遜于1923年提出，故又稱(chēng)吉普遜法。當(dāng)機(jī)組突然甩掉負(fù)荷、水輪機(jī)導(dǎo)葉迅速關(guān)閉時(shí)，壓力鋼管中水流速度很快減小到零，水流的動(dòng)量轉(zhuǎn)變成沖量，從而引起鋼管內(nèi)水壓的升高，這種現(xiàn)象稱(chēng)水錘。水壓力的升高與水流速度變化快慢有關(guān)，即與導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間越短，水流速度變化越快，因而水壓力升高也越大。如能測(cè)出壓力鋼管中水壓力變化的數(shù)值與過(guò)程，就可算出水流速度，從而可求出導(dǎo)葉關(guān)閉前通過(guò)水輪機(jī)的流量。水錘法最基本的原理是牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。其原理如下：

在理想流體中，假設(shè)有一定常流動(dòng)管道橫截面為A，上游橫斷面(下標(biāo)為u)和下游橫斷面(下標(biāo)為d)之間的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，流體質(zhì)量為ρLA，閥門(mén)關(guān)閉后，流速的變化為dv/dt，由此產(chǎn)生上下側(cè)壓差為ΔP＝P_d-P_u的關(guān)系為

如果t為流速變化時(shí)間，ξ為兩斷面之間的摩擦引起的壓力損失，則有：

閥門(mén)關(guān)閉前的流量

其中Av₁為閥門(mén)關(guān)閉后的泄漏流量。

在獲得流量后，根據(jù)效率計(jì)算公式可以直接計(jì)算出機(jī)組效率。

盡管本實(shí)用新型的實(shí)施方案已公開(kāi)如上，但其并不僅僅限于說(shuō)明書(shū)和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本實(shí)用新型的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本實(shí)用新型并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。