唐明亮，倪 亮，张文渊，付 军，代剑君

(1.国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂，四川 都江堰 611830;2.南瑞集团公司，江苏 南京 211106)

0 引言

在水力发电领域，尤其是径流式水电站中，流域中的悬移质泥沙容易直接进入水轮机组，导致机组过流部件受损，不仅明显降低了水电站发电效率，而且还增加了维修的成本，严重影响水电站运行的经济效益［1-4］。实现悬移质泥沙浓度的在线监测，为水电站的科学调度提供参考依据，具有重要的经济意义和社会意义。

泥沙浓度的测定通常采用烘干称重法，现场先采集水样，过滤沙样，烘干后称重确定泥沙相对于水样体积的比例。这种方法虽然精确，但操作复杂，不适合泥沙浓度的快速和连续测量。浊度法依据泥沙悬浮物对光线产生散射的原理，实现水体浊度的测定，具有测量实时性好，设站简易方便等优势。根据特定条件下浊度与泥沙浓度的可转换关系，在工程应用中，通常将浊度转换为泥沙浓度或直接用浊度替代表示泥沙浓度［5］。

本文结合悬移质泥沙测量要求及浊度测量相关标准［6-7］，研制了一种基于90°散射光测量原理的浊度仪，并以该浊度仪为基础，在映秀湾水电站建立了泥沙浓度在线监测系统。试验室检验及现场应用表明，该浊度仪测量重复性好，准确度高，通过泥沙浓度与浊度相关性率定后，能较好地反映水域泥沙浓度的变化趋势。

1 测量原理

当一束光在水中传输时，遇到介质颗粒会发生不同角度的散射。根据光学理论，不同粒径的介质颗粒在单位体积的水样产生的90°方向的散射光强度分别服从瑞利散射定理和米氏散射定理［8-9］。当水中悬浮微粒的直径小于入射光波长时，单位体积水样产生的90°方向的散射光强度服从瑞利散射定律，即

式中，N为单位体积水样中的悬浮微粒数;I0为入射光强度;Is为散射光强度;n1和n2分别为悬浮微粒和水的折射率;λ为入射光波长;ν为单个悬浮微粒体积;r为悬浮微粒到散射光强测试点的距离;n1、n2、λ、r为常数。当微粒体积与入射光强度一定时，Is与颗粒的浓度成正比。

当水中悬浮微粒的直径大于或等于入射光波长时，单位体积的水样产生的90°方向的散射光强度服从米氏定律，即

式中，KM为米氏散射的散射系数(米氏系数);A为悬浮微粒表面积。当微粒表面积一定时，Is也与颗粒的浓度成正比。

2 浊度仪设计

结合水域泥沙测量需求，本浊度仪设计量程为0～1 000 NTU，并可根据需要扩展至1 200 NTU。浊度仪由仪表探头和仪表控制器2个部分组成，探头与控制器通过四芯屏蔽电缆连接。

2.1 仪表探头设计

浊度仪探头与待测水体直接接触，实现水体浊度的测量。探头主要由红外传感器、清洗装置、控制电路、外壳及附件等部件组成。浊度仪探头总体结构见图1。

2.1.1 红外传感器

图1 浊度仪探头结构

红外传感器是浊度仪探头的核心部件，其可根据指令产生测量所需的平行入射光，并接收经悬浮微粒散射产生的90°散射光。红外传感器采用880 nm的近红外LED发光管作为光源，其发光强度稳定，谱带较窄，工作寿命长，并可有效减少自然光中红外辐射的干扰［10］。光源发出的红外光通过准直透镜后形成平行光束，平行光束经水体中的悬浮颗粒散射后进入与入射平行光成呈90°方向的光敏元件，并经光敏元件转换输出可测的电压信号。在光敏元件前部还设计有光阑和滤光片，从而有效抑制杂散光对测量的干扰。红外传感器示意见图2。

图2 红外传感器示意

2.1.2 清洗装置

浊度仪探头长时间浸泡在水中，其测量光窗极易受污染物质附着而影响测量。对此，本浊度仪探头设计有机械清洗装置。清洗装置由清洗刷、微型电机、联轴器、磁钢、霍尔开关等构成。微型电机带动清洗刷旋转，并通过磁钢和霍尔开关配合实现启停位置的控制，从而实现对探头测量光窗的清洗。

2.1.3 控制电路

探头控制电路实现对探头红外传感器测量控制和清洗装置控制。控制电路为红外传感器的光源提供稳定、可靠的恒流电源，并对光敏元件采集的光电信号进行处理，确保测量的准确性。此外，控制电路通过对清洗装置电机的控制可实现对探头测量光窗的清洗，确保测量的长期稳定性。探头控制电路见图3。

图3 控制电路

2.2 仪表控制器设计

仪表控制器可实现浊度及泥沙浓度的实时数据显示、历史数据存储及与上位机通讯等功能。仪表控制器整体呈机盒式结构，并采用液晶触摸屏设计。浊度仪探头通过RS485接口接入仪表控制器，实现数据传输。控制器通过触摸屏实现数据显示和人机交互等功能。同时，可通过以太网连接方式与上位机通信，实现浊度仪远程参数设置及历史数据查询等功能。仪表控制器原理见图4。

图4 仪表控制器原理

2.3 数据处理

在低浊度范围内，90°方向的散射光强与被测液的浊度具有良好的线性关系。但随着浊度值逐渐增高，由于二次散射等因素的影响，散射光强与浊度测量线性关系逐渐降低。对此，本浊度仪采用分段线性拟合的数据处理方式，提高仪器测量的可靠性。考虑到水体浊度通常为逐渐变化的过程，浊度仪采用中值滤波算法，可有效抑制气泡等偶然因素对测量的影响。

泥沙浓度与浊度的相关性受水域泥沙特性的影响。为提高测量的可靠性，仪器需通过泥沙浓度与浊度率定后进行相关参数设定，设定完成后，浊度仪即可同时输出浊度和泥沙浓度示值。

3 性能测试

为检验浊度仪的性能，根据国家相关标准和技术要求［11-12］，配制了4 000 NTU的福尔马肼标准浊度液和经0.2 μm终端过滤制备的超纯水，并对浊度仪校正后进行性能测试。

3.1 重复性

稀释配制800 NTU(量程值的80%)的标准浊度液并混合均匀，将仪表探头置于该浊度液中重复测定9次，所得仪器重复性数据见图5。利用贝塞尔公式计算仪器的重复性，可得仪器重复性为0.23%，满足仪器设计要求。

图5 重复性数据

3.2 准确度

稀释配制500 NTU(量程中间值)的标准浊度液并混合均匀，将仪表探头置于该浊度液中重复测定6次，求出测量平均值与标准溶液浊度值之差相对于量程中间值的百分率，测试数据见表1。由表1数据计算得到其准确度为1.97%，满足仪器设计要求。

表1 试验数据

4 工程应用

浊度仪经第三方验证后，在映秀湾水电站进行了工程试用，并以本浊度仪为基础搭建了该水电站泥沙浓度在线监测系统，系统安装示意见图6。该系统中，浊度仪探头通过限位承压管浸入水中，并通过钢索连接固定，可方便探头维护;仪表控制器放置在闸首值班室内，可方便测量数据查看和参数设置;探头和控制器通过四芯电缆连接实现电源供给和数据传输;仪表控制器通过以太网与上位机通讯，进而直观地展示测量水域浊度及泥沙浓度的变化情况，实现浊度和泥沙浓度的实时监测。

图6 泥沙浓度在线监测系统

4.1 现场率定

在映秀湾水电站闸首取水口采集水样，过滤提取水样中的泥沙，经恒温烘箱烘干后，即为率定用泥沙试样。用超纯水和泥沙试样配制不同体积浓度的浊水，搅拌均匀后进行率定试验，试验结果见表2。每一测量结果为6个测值的平均值。

表2 现场浊度率定试验结果

对标定的泥沙浓度与浊度测量的平均值进行线性回归分析，结果见图7。从图7可知，两者的率定转换关系可表示为

图7 浊度与泥沙含量率定关系

式中，XNTU为浊度测值;Y为标定的泥沙浓度。在1 000 NTU以内，其相关系数R2高达0.998，表明两者具有高度的相关性，其转换公式具有较高的应用性。将上述线性关系参数输入仪表控制器，即可作为泥沙在线监测系统计算输出泥沙浓度值的参数。

4.2 数据分析

泥沙在线监测系统投入到映秀湾水电站使用后，选取近20 d的测量数据分析系统的应用效果，系统的测值变化趋势见图8。数据分析表明，该泥沙在线监测系统的运行稳定，该时间段内浊度测值和泥沙浓度的变化与现场的水沙环境相符，映秀湾水电站泥沙浓度在线监测系统可较好地满足现场的监测需求。

图8 泥沙浓度在线监测系统测值

由于浊度仪在校准和测量时不仅受到泥沙浓度的影响，而且还与泥沙的成分、颗粒大小、表面性质等因素有关。在应用过程时，应充分考虑泥沙变化对率定关系的影响，并根据实际的水沙变化情况对率定公式进行调整，以达到准确测量的效果。

5 结语

本文根据浊度测量相关标准和流域的泥沙浓度测量特点，设计了一种基于90°散射光原理的浊度仪，并以该浊度仪为基础，建立了映秀湾水电站泥沙浓度在线监测系统，实现了对发电水体泥沙浓度的在线监测。应用表明，该浊度仪测量可靠性良好，浊度仪测值与泥沙浓度具有良好的线性关系，率定后能较好地实现泥沙浓度的在线监测，可及时反映监测水域发电水体的泥沙变化情况，辅助水电站管理人员及时进行调度决策。

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