靜磁柵閘門行程傳感器在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

甘 露， 王 青 ， 朱 俊 杰， 雷 文

(1. 南水北調(diào)中線建管局，北京 100038； 2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

南水北調(diào)中線工程為丹江口水庫(kù)至北京團(tuán)城湖。南水北調(diào)中線渠首段位于河南省南陽(yáng)縣境內(nèi)，渠首段銜接中線源頭，主要閘站有35座，承擔(dān)著重要的調(diào)度工作。渠首段目前共有15座閘站使用陶瓷式高速脈沖式傳感器與變送器進(jìn)行開度數(shù)據(jù)的采集與傳輸，在其使用過程中，時(shí)常發(fā)生閘門開度數(shù)據(jù)跳變情況，進(jìn)而影響到渠首段的閘門調(diào)度。經(jīng)研究決定，將陶瓷式高速脈沖式傳感器與變送器改造為靜磁柵閘門行程傳感器，將之前4～20 mA電流信號(hào)改為SSI信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了閘門開度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和平順傳輸，取得了較好的效果。筆者闡述了具體的研究與應(yīng)用過程。

2 靜磁柵閘門行程傳感器的應(yīng)用

2.1 功能描述

靜磁柵閘門行程傳感器是一種利用磁性條形碼的原理用于檢測(cè)物體位移的新型位移傳感器，其具有量程寬泛、精度高、直接測(cè)量、無磨損、剛性結(jié)構(gòu)、防水密封、抗惡劣環(huán)境、防雷擊、防射頻干擾、防靜電、多種信號(hào)輸出方式、掉電不丟失數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，能適應(yīng)各種門型、各種水工環(huán)境對(duì)閘門開度精密檢測(cè)的需求，在某些環(huán)境下具有其它傳感器無法替代的優(yōu)點(diǎn)[1,2]。

2.2 靜磁柵位移傳感器的原理

靜磁柵閘門行程傳感器主要由相互分離的兩部分組成:

(1)含有精密位置信息的磁性條形碼裝置，稱為靜磁柵源( 或測(cè)量桿) 。該部分的特征是無源，截面形態(tài)不拘，可使用除碳素鋼材之外的任何金屬或非金屬材料做磁性條形碼的封裝載體。

(2)由霍爾線性陣列構(gòu)成的計(jì)算機(jī)感測(cè)系統(tǒng)，稱為靜磁柵尺。該部分的特征是有源、低功耗。長(zhǎng)條狀電子采集倉(cāng)截面可以非常微小，可使用除碳素鋼之外的任何金屬或非金屬材料進(jìn)行高度密封( 實(shí)際產(chǎn)品密封殼體一般由鋁合金或不銹鋼制造) 。

靜磁柵源的磁性條形碼排布軸線與靜磁柵尺霍爾線性陣列排布軸線平行，靜磁柵源和靜磁柵尺在保持約定間隙的狀態(tài)下相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即可由靜磁柵尺輸出準(zhǔn)確的位移信號(hào)。

靜磁柵位移傳感器的工作原理見圖1 。位移傳感器的專利要點(diǎn): ① 結(jié)構(gòu)A 與結(jié)構(gòu)B 按箭頭所示方向相對(duì)運(yùn)動(dòng); ② 圖AF是結(jié)構(gòu)A 的俯視示意圖，圖BF是結(jié)構(gòu)B 的俯視示意圖; ③ 結(jié)構(gòu)A 內(nèi)置永久磁性體，形狀不拘; ④ 結(jié)構(gòu)A 依據(jù)內(nèi)置磁性體的個(gè)數(shù)、極性( 圖1中S，N) 、大小( 圖1中D1 ～ D5) 、相鄰磁性體間距( 圖1中L1～ L4) 4個(gè)因素中的任意2個(gè)及以上因素組成位置編碼;⑤ 結(jié)構(gòu)A 中的5個(gè)磁性體組成一編碼區(qū)，在A 有限任意長(zhǎng)度內(nèi)可以安排任意組不同編碼區(qū); ⑥ 結(jié)構(gòu)B 內(nèi)置磁場(chǎng)強(qiáng)度感應(yīng)帶M，感應(yīng)帶M 感應(yīng)結(jié)構(gòu)A 編碼磁性體的個(gè)數(shù)、極性、大小和間距，同時(shí)感應(yīng)A 編碼區(qū)的位置，由此解析絕對(duì)位移電信號(hào)。

相對(duì)運(yùn)動(dòng)可分為2 種情況: 靜磁柵尺固定而靜磁柵源移動(dòng)，或靜磁柵源固定而靜磁柵尺移動(dòng)。一般而言，靜磁柵源不帶電纜，相對(duì)自由，安裝容易，移動(dòng)方便。不過，當(dāng)量程過大、靜磁柵源過長(zhǎng)或移動(dòng)不便時(shí)，也可令靜磁柵尺移動(dòng)，這時(shí)需處理靜磁柵尺電纜安裝和感測(cè)間隙穩(wěn)定性問題。感測(cè)間隙的大小影響到檢測(cè)分辨率和線性度，感測(cè)間隙的穩(wěn)定性影響位移信號(hào)的穩(wěn)定性。間隙越小，分辨率越高，線性度越好。靜磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)見圖2 。

1．探測(cè)頭; 2. 基體; 3. 磁鋼; 4. 傳感棒; 5、6. 電路板; 7.磁敏霍爾元件; 8.數(shù)據(jù)處理器; 9.接插端口; 10.外殼圖2 直線式靜磁柵位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置的靜磁柵源( 直線絕對(duì)編碼器) 和靜磁柵尺之間的間隙一般為1 ～ 10 mm。靜磁柵源沿靜磁柵尺的檢測(cè)軸線移動(dòng)時(shí)，安裝在上層電路板上的霍爾元件感知到永磁體條形碼的移動(dòng)，同時(shí)將信號(hào)傳到下層電路板上的數(shù)據(jù)處理器，運(yùn)用單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能協(xié)調(diào)計(jì)算，靜磁柵尺即可通過接插端口發(fā)出位置信號(hào)。位置信號(hào)經(jīng)外部信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生DC 4 ～ 20 mA、16 位并行數(shù)字信號(hào)、數(shù)字化SSI 位移信號(hào)或多種工業(yè)級(jí)數(shù)字化通訊信號(hào)，如MODBUS 等，從而完成物體相對(duì)位移的檢測(cè)。

2.3 性能特點(diǎn)

靜磁柵閘門行程傳感器應(yīng)用磁性條形碼原理檢測(cè)物體位移，是靜磁柵位移讀碼器與絕對(duì)編碼器技術(shù)的結(jié)合(圖3)。用于水利水電工程的靜磁柵閘門行程傳感器為外置剛性結(jié)構(gòu)絕對(duì)編碼型式，與鋼絲繩閘門開度儀比較，其解決了外置鋼絲繩開度儀抗惡劣環(huán)境能力差、機(jī)械磨損、老化的缺點(diǎn)，以及內(nèi)置式鋼絲繩開度儀維修不便的缺點(diǎn)；與陶瓷活塞桿集成開度儀相比，其解決了陶瓷活塞桿集成開度儀抗干擾能力差、斷電丟失數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。

此外，靜磁柵閘門行程傳感器還具有以下特點(diǎn):

(1) 靜磁柵絕對(duì)編碼器可使位移量以絕對(duì)型輸出，具有斷電記憶功能，失電后能長(zhǎng)時(shí)間保存絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。其“空間柵片”具有非常固定的編號(hào)，可以真正做到“絕對(duì)編碼”，徹底杜絕了旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量方式帶來的打滑現(xiàn)象，不存在零點(diǎn)漂移問題。

(2) 靜磁柵源和靜磁柵尺之間采用“懸浮”的無接觸運(yùn)動(dòng)方式，最大間隙可達(dá)10 mm，因而無機(jī)械磨損，使用壽命較長(zhǎng)。同時(shí)，對(duì)兩者間的相對(duì)安裝狀態(tài)( 偏移、側(cè)移、傾斜) 沒有苛刻的要求。

(3) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。采用剛性結(jié)構(gòu)提高了其對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，采用外置式布置有利于安裝、調(diào)試和維護(hù)。

(4) 每套傳感器可額外配備多只PNP三線磁性接近開關(guān)，便于行程兩端極限位置及其它位置的檢測(cè)、控制和安全保護(hù)。

2.4 靜磁柵閘門行程傳感器的結(jié)構(gòu)

南水北調(diào)渠首分局使用的靜磁柵閘門行程傳感型號(hào)為CWY-CB1-4500-1S1-411-10(圖3、4)，該型號(hào)的靜磁柵閘門行程傳感器主要由靜磁柵位移傳感器(靜磁柵尺)、測(cè)量桿、導(dǎo)向套管、安裝抱箍構(gòu)成。靜磁柵尺長(zhǎng)1 300 mm，安裝在導(dǎo)向套管上，電纜由后部引出；導(dǎo)向套管利用抱箍固定安裝在油缸上；測(cè)量桿長(zhǎng)度略大于油缸行程，安裝于導(dǎo)向套管內(nèi)，前部由萬向關(guān)節(jié)軸承與安裝在油缸前端吊耳上的抱箍連接。隨著油缸伸縮運(yùn)動(dòng)，測(cè)量桿也對(duì)應(yīng)在導(dǎo)向套管內(nèi)伸縮移動(dòng)，靜磁柵尺上感應(yīng)到閘門開度信號(hào)。按照水利工程的慣例，當(dāng)活塞桿完全伸出時(shí)，開度為“0” mm；活塞桿完全縮進(jìn)時(shí)，開度為最大[3]。

圖3 CWY-CB1-4500-1S1-411-10型靜磁柵閘門行程傳感器示意圖

3 靜磁柵閘門行程傳感器在南水北調(diào)引水工程中的應(yīng)用

3.1 靜磁柵閘門行程傳感器的布置

該型號(hào)的靜磁柵閘門行程傳感器為全不銹鋼結(jié)構(gòu)[4]，具有絕對(duì)值輸出、防水、耐腐蝕、剛性強(qiáng)的特點(diǎn)，防護(hù)等級(jí)為IP68。根據(jù)需要，分別配套了兩只PNP三線制磁性接近開關(guān)，作為閘門全開、全關(guān)的極限位置保護(hù)，接近開關(guān)防護(hù)等級(jí)為IP68。

3.2 安裝與調(diào)試

圖4 在油缸上安裝CWY-CB1-4500-1S1-411-10型靜磁柵閘門行程傳感器照片

靜磁柵閘門行程傳感器的安裝工藝簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，安裝時(shí)一般將閘門開啟至便于操作的位置，先將裝配好的靜磁柵閘門行程傳感器吊放至設(shè)計(jì)好的油缸上的位置，調(diào)整好位置后固定安裝，再分別在全開和全關(guān)狀態(tài)調(diào)整上下極限接近開關(guān)位置，接近開關(guān)的位置可根據(jù)需要安裝在導(dǎo)向套管上的任意位置[5](圖5)。

3.3 運(yùn)行與維護(hù)

靜磁柵閘門行程傳感器在油缸運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)出油缸位移信號(hào)并將其輸送至PLC，輸出信號(hào)為二進(jìn)制、24位SSI，測(cè)量精度為±1 mm。磁性接近開關(guān)在工作時(shí)輸出DC24V信號(hào)至PLC。靜磁柵閘門行程傳感器具有防雷、防靜電、防射頻干擾、防過流、防過壓、防反接等功能，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，滿足閘門運(yùn)行需求。

圖5 節(jié)制閘啟閉機(jī)靜磁柵閘門行程傳感器安裝圖

靜磁柵閘門行程傳感器維護(hù)簡(jiǎn)單，平常使用無需維護(hù)，只需在檢修時(shí)對(duì)各安裝部位的螺絲進(jìn)行加固即可。傳感器主要由靜磁柵尺和測(cè)量桿組成，在維修方面，故障主要會(huì)出現(xiàn)在靜磁柵尺上，靜磁柵尺拆裝方便，如需維修，松掉螺母即可拆卸，而測(cè)量桿如無特殊情況可永久使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

靜磁柵閘門行程傳感器于2016年8月在南水北調(diào)渠首段草墩河渡槽節(jié)制閘進(jìn)行了驗(yàn)證性改造，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一年時(shí)間發(fā)現(xiàn)，一年中草墩河遠(yuǎn)程控閘率達(dá)到100%成功；其中靜磁柵閘門行程傳感器長(zhǎng)期處于泡水環(huán)境，在此環(huán)境中靜磁柵閘門行程檢測(cè)裝置能夠保持正常運(yùn)行，證明靜磁柵閘門行程傳感器滿足南水北調(diào)對(duì)閘門行程傳感器的各種需求。通過一年時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行，靜磁柵閘門行程傳感器運(yùn)行正常、穩(wěn)定，能夠適應(yīng)南水北調(diào)閘門頻繁運(yùn)行的特點(diǎn)。南水北調(diào)渠首分局在2017年對(duì)其進(jìn)行整體性改造,將陶瓷式高速脈沖式傳感器與變送器改造為靜磁柵閘門行程傳感器，提高了渠首段的遠(yuǎn)程控閘率，保障了閘站的正常運(yùn)行。