水电站测试技术.docx

第一章水电站测试系统及传感器

第一节概述

水电站测试技术是研究水电站原型机组的水力、电气、机械及水工建筑物等有关参数的主要方法，它可以为水轮发电机组、电气设备、水工建筑物的安全、经济运行提供可靠的数据，通过对这些数据的分析研究，鉴定设备的制造、安装质量及水工建筑物的建筑质量，可以为改进设计提供参考。与原型试验相比，模型试验不可能完全具备现场实际条件，所以原型试验更符合实际，可以解决在模型试验中无法解决的问题，如机组的制造、安装质量等。

本书主要介绍水电站水轮发电机组常做的原型试验。有关电气、水工建筑物方面的试验可参考有关著作。

水轮发电机组原型测试的项日很多，水力方面的如压力、流量、流速等；机械方面的如力、力矩、振幅、频率等；还有电气方面的如电压、电流、功率等。

在上述参数中，有关电气的参数可以用相应的电气测量仪表测量，面其他非电量参数，有的可以用机械测试仪表直接测量其静态参数，如振幅、压力、流速、流量、转速等，其动态参数用机械式仪表就无法测量：有的参数不管是动态的还是静态的，用机械式仪表都是无法测量的。随着电子技术的飞速发展，非电量的电测技术得到了越来越广泛的应用。本

非电量的电测技术测试系统如图1-1所

非电量的电测技术测试系统如图1-1所示。一般由传感器、量值处理和记录显示等单元组成。

传感器是将非电量变化转变为电量变化的环节，根据其工作原理分为有源变换器和无源变换器。有源变换器可以直接将机械量的变化转变为电能，如磁电式、电动式、压

传感器

传感器繁值处理

电源

记象最示

图1-]非电量电测系统图

电式、热电式和光电式。无源变换器则将机械参数的变化转变为电阻、电感、电容的变化。对有源传感器，测量系统必须将传感器输出的信号放大后进行记录并显示；而无源传感器须配备电源，将电阻、电感、电容的变化变成电压和电流的变化。

传感器输出信号的形式有模拟量和数字量两种，后者便于远传和输入计算机处理，但电路比较复杂。

量值处理单元是将传感器输出的信号通过测量电路进行加工和预处理，如传感器输出信号十分微弱，不足以推动显示和记录仪表，必须予以放大，有的则需进行衰减、调制和解调、整形滤波运算和数字化等。量值处理单元根据需要有的很简单，有的则相当复杂。

显示记录单元将量值处理单元输出的信号通过指针指示、荧光屏显示或示波器和磁带记录仪记录。对于数字量输出的可通过打印机、数字穿孔机和数字磁带记录仪记录。

电源是给上述环节输送电能的，通常用稳压交流或直流电源，以保证测量系统不受电力系统电压波动的影响。

第二节应变片式传感器

用应变片做敏感元件测量时，将应变片粘贴在试件(感受元件)上，当感受元件变形时，应变片相应地伸长或压缩，从而使阻值发生变化。因为感受元件的应变与应变片的阻值变化成正比，所以，通过测量应变片电阻值的变化就可以测出感受元件的应变。

一、应变片的工作原理

根据电工学原理，一根金属丝的电阻

-D

-

D

P

AL

D+△D

P

图1-2金属丝拉伸后的电阻变化

式中R—-金属丝的电阻；

p金属丝的电阻率：L——金属丝的长度；

A--金属丝的截面积，A=WD/4。

金属丝拉伸后的电阻变化如图1-2所示。

当金属丝受轴向拉力P作用后，轴向伸长AZ,直径收缩AD,电阻值变化为

由于AaA≈0,且A≥△A,略去二次项后得

又

(略去二次项)

则

式中

则

……电阻丝的泊松比；—电阻丝的应变。

=K

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式中是金属丝的灵敏系数。

灵敏系数K。对不同材料其值不同，K-12~4,一般金属丝灵敏系数K。一1.8.由于金属丝变形规律复杂，目前还不能按公式计算K值，只能通过试验求得。

灵敏系数的表达式表明，电阻变化率的大小一方面由金属丝的长度变化引起，另一方面是由电阻率的变化引起的，因此，要提高测量精度和灵敏度，就要选择灵敏系数高的材料做应变片。

二、应变片的结构

日前应用的应变片按敏感元件的材质分有金属丝式、金属箱式和半导体三种，其结构见图1-3、图1-4、图1-5。虽然应变片的种类多样，结构形式不同，但其基本结构都是由敏感元件、基底层、覆盖层和引出线组成。

敏感元件是应变片的核心部分，它感受试件的变形，并将其转换成电阻的变化。

图1-3电阻丝式应变片】一敏感元件；2-基底；一引线基底层和覆盖层的作用是固定和保护敏感元件。应变片通过基底层用粘结剂粘贴在试件上，把试件的变形传递给敏感元件，并使敏感元件与试件绝缘。基底层很薄，以便使试件的变形与敏感元件的变形一致。基底层的材