濁度儀在映秀灣水電站泥沙濃度監測中的應用

唐明亮，倪 亮，張文淵，付 軍，代劍君

(1.國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，四川 都江堰 611830;2.南瑞集團公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

在水力發電領域，尤其是徑流式水電站中，流域中的懸移質泥沙容易直接進入水輪機組，導致機組過流部件受損，不僅明顯降低了水電站發電效率，而且還增加了維修的成本，嚴重影響水電站運行的經濟效益［1-4］。實現懸移質泥沙濃度的在線監測，為水電站的科學調度提供參考依據，具有重要的經濟意義和社會意義。

泥沙濃度的測定通常采用烘干稱重法，現場先采集水樣，過濾沙樣，烘干后稱重確定泥沙相對于水樣體積的比例。這種方法雖然精確，但操作復雜，不適合泥沙濃度的快速和連續測量。濁度法依據泥沙懸浮物對光線產生散射的原理，實現水體濁度的測定，具有測量實時性好，設站簡易方便等優勢。根據特定條件下濁度與泥沙濃度的可轉換關系，在工程應用中，通常將濁度轉換為泥沙濃度或直接用濁度替代表示泥沙濃度［5］。

本文結合懸移質泥沙測量要求及濁度測量相關標準［6-7］，研制了一種基于90°散射光測量原理的濁度儀，并以該濁度儀為基礎，在映秀灣水電站建立了泥沙濃度在線監測系統。試驗室檢驗及現場應用表明，該濁度儀測量重復性好，準確度高，通過泥沙濃度與濁度相關性率定后，能較好地反映水域泥沙濃度的變化趨勢。

1 測量原理

當一束光在水中傳輸時，遇到介質顆粒會發生不同角度的散射。根據光學理論，不同粒徑的介質顆粒在單位體積的水樣產生的90°方向的散射光強度分別服從瑞利散射定理和米氏散射定理［8-9］。當水中懸浮微粒的直徑小于入射光波長時，單位體積水樣產生的90°方向的散射光強度服從瑞利散射定律，即

式中，N為單位體積水樣中的懸浮微粒數;I0為入射光強度;Is為散射光強度;n1和n2分別為懸浮微粒和水的折射率;λ為入射光波長;ν為單個懸浮微粒體積;r為懸浮微粒到散射光強測試點的距離;n1、n2、λ、r為常數。當微粒體積與入射光強度一定時，Is與顆粒的濃度成正比。

當水中懸浮微粒的直徑大于或等于入射光波長時，單位體積的水樣產生的90°方向的散射光強度服從米氏定律，即

式中，KM為米氏散射的散射系數(米氏系數);A為懸浮微粒表面積。當微粒表面積一定時，Is也與顆粒的濃度成正比。

2 濁度儀設計

結合水域泥沙測量需求，本濁度儀設計量程為0～1 000 NTU，并可根據需要擴展至1 200 NTU。濁度儀由儀表探頭和儀表控制器2個部分組成，探頭與控制器通過四芯屏蔽電纜連接。

2.1 儀表探頭設計

濁度儀探頭與待測水體直接接觸，實現水體濁度的測量。探頭主要由紅外傳感器、清洗裝置、控制電路、外殼及附件等部件組成。濁度儀探頭總體結構見圖1。

2.1.1 紅外傳感器

圖1 濁度儀探頭結構

紅外傳感器是濁度儀探頭的核心部件，其可根據指令產生測量所需的平行入射光，并接收經懸浮微粒散射產生的90°散射光。紅外傳感器采用880 nm的近紅外LED發光管作為光源，其發光強度穩定，譜帶較窄，工作壽命長，并可有效減少自然光中紅外輻射的干擾［10］。光源發出的紅外光通過準直透鏡后形成平行光束，平行光束經水體中的懸浮顆粒散射后進入與入射平行光成呈90°方向的光敏元件，并經光敏元件轉換輸出可測的電壓信號。在光敏元件前部還設計有光闌和濾光片，從而有效抑制雜散光對測量的干擾。紅外傳感器示意見圖2。

圖2 紅外傳感器示意

2.1.2 清洗裝置

濁度儀探頭長時間浸泡在水中，其測量光窗極易受污染物質附著而影響測量。對此，本濁度儀探頭設計有機械清洗裝置。清洗裝置由清洗刷、微型電機、聯軸器、磁鋼、霍爾開關等構成。微型電機帶動清洗刷旋轉，并通過磁鋼和霍爾開關配合實現啟停位置的控制，從而實現對探頭測量光窗的清洗。

2.1.3 控制電路

探頭控制電路實現對探頭紅外傳感器測量控制和清洗裝置控制。控制電路為紅外傳感器的光源提供穩定、可靠的恒流電源，并對光敏元件采集的光電信號進行處理，確保測量的準確性。此外，控制電路通過對清洗裝置電機的控制可實現對探頭測量光窗的清洗，確保測量的長期穩定性。探頭控制電路見圖3。

圖3 控制電路

2.2 儀表控制器設計

儀表控制器可實現濁度及泥沙濃度的實時數據顯示、歷史數據存儲及與上位機通訊等功能。儀表控制器整體呈機盒式結構，并采用液晶觸摸屏設計。濁度儀探頭通過RS485接口接入儀表控制器，實現數據傳輸。控制器通過觸摸屏實現數據顯示和人機交互等功能。同時，可通過以太網連接方式與上位機通信，實現濁度儀遠程參數設置及歷史數據查詢等功能。儀表控制器原理見圖4。

圖4 儀表控制器原理

2.3 數據處理

在低濁度范圍內，90°方向的散射光強與被測液的濁度具有良好的線性關系。但隨著濁度值逐漸增高，由于二次散射等因素的影響，散射光強與濁度測量線性關系逐漸降低。對此，本濁度儀采用分段線性擬合的數據處理方式，提高儀器測量的可靠性。考慮到水體濁度通常為逐漸變化的過程，濁度儀采用中值濾波算法，可有效抑制氣泡等偶然因素對測量的影響。

泥沙濃度與濁度的相關性受水域泥沙特性的影響。為提高測量的可靠性，儀器需通過泥沙濃度與濁度率定后進行相關參數設定，設定完成后，濁度儀即可同時輸出濁度和泥沙濃度示值。

3 性能測試

為檢驗濁度儀的性能，根據國家相關標準和技術要求［11-12］，配制了4 000 NTU的福爾馬肼標準濁度液和經0.2 μm終端過濾制備的超純水，并對濁度儀校正后進行性能測試。

3.1 重復性

稀釋配制800 NTU(量程值的80%)的標準濁度液并混合均勻，將儀表探頭置于該濁度液中重復測定9次，所得儀器重復性數據見圖5。利用貝塞爾公式計算儀器的重復性，可得儀器重復性為0.23%，滿足儀器設計要求。

圖5 重復性數據

3.2 準確度

稀釋配制500 NTU(量程中間值)的標準濁度液并混合均勻，將儀表探頭置于該濁度液中重復測定6次，求出測量平均值與標準溶液濁度值之差相對于量程中間值的百分率，測試數據見表1。由表1數據計算得到其準確度為1.97%，滿足儀器設計要求。

表1 試驗數據

4 工程應用

濁度儀經第三方驗證后，在映秀灣水電站進行了工程試用，并以本濁度儀為基礎搭建了該水電站泥沙濃度在線監測系統，系統安裝示意見圖6。該系統中，濁度儀探頭通過限位承壓管浸入水中，并通過鋼索連接固定，可方便探頭維護;儀表控制器放置在閘首值班室內，可方便測量數據查看和參數設置;探頭和控制器通過四芯電纜連接實現電源供給和數據傳輸;儀表控制器通過以太網與上位機通訊，進而直觀地展示測量水域濁度及泥沙濃度的變化情況，實現濁度和泥沙濃度的實時監測。

圖6 泥沙濃度在線監測系統

4.1 現場率定

在映秀灣水電站閘首取水口采集水樣，過濾提取水樣中的泥沙，經恒溫烘箱烘干后，即為率定用泥沙試樣。用超純水和泥沙試樣配制不同體積濃度的濁水，攪拌均勻后進行率定試驗，試驗結果見表2。每一測量結果為6個測值的平均值。

表2 現場濁度率定試驗結果

對標定的泥沙濃度與濁度測量的平均值進行線性回歸分析，結果見圖7。從圖7可知，兩者的率定轉換關系可表示為

圖7 濁度與泥沙含量率定關系

式中，XNTU為濁度測值;Y為標定的泥沙濃度。在1 000 NTU以內，其相關系數R2高達0.998，表明兩者具有高度的相關性，其轉換公式具有較高的應用性。將上述線性關系參數輸入儀表控制器，即可作為泥沙在線監測系統計算輸出泥沙濃度值的參數。

4.2 數據分析

泥沙在線監測系統投入到映秀灣水電站使用后，選取近20 d的測量數據分析系統的應用效果，系統的測值變化趨勢見圖8。數據分析表明，該泥沙在線監測系統的運行穩定，該時間段內濁度測值和泥沙濃度的變化與現場的水沙環境相符，映秀灣水電站泥沙濃度在線監測系統可較好地滿足現場的監測需求。

圖8 泥沙濃度在線監測系統測值

由于濁度儀在校準和測量時不僅受到泥沙濃度的影響，而且還與泥沙的成分、顆粒大小、表面性質等因素有關。在應用過程時，應充分考慮泥沙變化對率定關系的影響，并根據實際的水沙變化情況對率定公式進行調整，以達到準確測量的效果。

5 結語

本文根據濁度測量相關標準和流域的泥沙濃度測量特點，設計了一種基于90°散射光原理的濁度儀，并以該濁度儀為基礎，建立了映秀灣水電站泥沙濃度在線監測系統，實現了對發電水體泥沙濃度的在線監測。應用表明，該濁度儀測量可靠性良好，濁度儀測值與泥沙濃度具有良好的線性關系，率定后能較好地實現泥沙濃度的在線監測，可及時反映監測水域發電水體的泥沙變化情況，輔助水電站管理人員及時進行調度決策。

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