液壓式閘門的開度測量方法

吳忠恩

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著我國水利事業的跨越式發展，越來越多的閘門，特別是大噸位的閘門采用了液壓式啟閉機[1]。為保證液壓閘門的可靠運行，也為了使閘門控制能更好地納入計算機監控系統，準確可靠地進行液壓閘門的開度測量就成了一個十分現實和重要的課題。傳統的轉軸式傳感器用于液壓閘門的開度測量，由于安裝繁瑣、測量精度不高、重復性差，愈來愈顯示出固有的弊端。將恒力收帶式傳感器用于液壓閘門的開度測量，在實際工程運行中得到了良好反映。在此基礎上結合多年閘門控制設計經驗，將恒力收帶式與轉軸式傳感器在液壓閘門的開度測量方面作個比較，期望為今后設計選型提供參考。

1 轉軸式傳感器用于液壓閘門的開度測量

轉軸式傳感器是采用接觸式軸角編碼器或光電傳感器制成的一種角位移傳感器[2]，目前已廣泛應用于卷揚式平板門和弧形門的開度測量。但是，當把轉軸式傳感器用于液壓閘門的開度測量時，盡管采取了多種不同的測量方法，在精度、安裝和調試等方面仍存在諸多問題。

1.1 通過測繩、掛輪、重錘完成液壓閘門的開度測量

轉軸式傳感器通過測繩、掛輪、重錘可以完成液壓平板門和弧形門的開度測量，平板閘門的開度測量示意圖如圖 1 所示。在進行這種傳感器的安裝時，首先要把裝有掛輪的轉軸式傳感器裝于閘門上方的合適位置，然后把測繩的一端系于閘門的某一固定點，并令測繩繞過掛輪，在測繩的另一端系上重錘。

圖1 平板閘門的開度測量

此種方法在應用于平板閘門開度測量時能滿足一般的測量精度使用要求；但應用于弧形閘門時，由于存在明顯的固有機械和非線性位移導致的計算等方面誤差，已逐漸被淘汰。

1.2 利用聯軸節完成液壓弧形閘門的開度測量

聯軸節是一種能把轉軸式傳感器和卷揚式轉動軸或油缸轉動支鉸連接起來的萬向聯軸器。采用聯軸節完成對閘門的開度測量，就是把傳感器與卷揚式轉動軸或油缸轉動支鉸直接相連，通過傳感器測得的轉動角度，對應到相應的閘門升降高度，可以完成對閘門開度的測量[3]，安裝示意圖如圖 2 所示。

圖2 利用聯軸節完成開度測量

此測量方法的優點是傳感器安裝簡單，關系比較明確。當用于卷揚式閘門開度測量時，只要知道轉動軸每度的角位移對應鋼絲繩的變化長度，就可以確定閘門的開度量。缺點是當用于液壓式閘門測量時，傳感器調正困難，精度低，重復性差。液壓啟閉機的油缸支鉸轉動角度一般在 60° 左右，閘門開度一般在 10 m 以上，如果考慮到液壓弧門的非線性校正，即使滿足閘門開度 1 cm 的分辨率，對傳感器靈敏度的要求一般也應不低于 104 圈/轉。很明顯，對于如此高靈敏的傳感器，當用于閘門的現場零位調整時，由于油缸本身和傳感器的回差，調試工作相當困難，且測量的重復性也很差，目前該測量方式主要應用在一些測量精度要求不高的場合。

1.3 利用扇齒輪（齒條）完成液壓弧形閘門的開度測量

為避免傳感器與油缸支鉸直接相連時傳感器零點難以調試的弊端，實際施工中調試人員常在油缸支鉸上安裝 1 個大齒數的扇齒輪，通過齒輪嚙合增速后，再與傳感器連接，安裝示意圖如圖 3 所示。

圖3 利用扇齒輪完成開度測量

此測量方法的優點是傳感器的轉動圈數比較多，傳感器的零點易于調節；缺點是傳感器與油缸支鉸的連接需要增加 1 個齒輪箱，現場安裝比較麻煩，而且齒輪的嚙合間隙也會造成測量的回差。由于安裝的復雜性，該類測量方式已逐步被其他測量方法取代。

2 恒力收帶式傳感器用于液壓閘門的開度測量

由于轉軸式傳感器在測量液壓弧門開度時存在難以克服的缺點，經過技術創新，在一些工程中開始采用恒力收帶式傳感器，取得了相對滿意的效果。

2.1 恒力收帶式傳感器結構原理

恒力收帶式傳感器實際上是一種長度傳感器，采用彈簧力平衡原理，主要由高精度位移傳送系統（鋼帶及鏈輪）、恒力裝置（平衡彈簧組件）和編碼器等部件組成，結構原理如圖 4 所示。

圖4 恒力收帶式傳感器結構原理示意圖

傳感器的主要技術指標如下：測量范圍為 0～19.999 m ；分辨率 1 mm；基本誤差為 ± 1 mm；重復性誤差 ≤± 1 mm；回差＜ 2 mm。

采用恒力收帶式傳感器進行閘門開度測量時，一旦被測量閘門位置發生變化，恒力彈簧組件轉動，收進或放出鋼帶，帶動鏈輪與編碼器轉動，從而輸出被測量閘門位置的編碼值。最大特點是測點位移量大，零點調節方便，避免了齒輪嚙合的間隙，克服了測量系統的往復性回差。

2.2 恒力收帶式傳感器用于液壓平板閘門開度的測量

恒力收帶式傳感器用于液壓平板閘門開度測量時，只需把傳感器吊裝于閘門上部，然后拉出鋼帶系于被測閘門上端即可。由于鋼帶的伸縮長度即為閘門的升降高度，所以傳感器的輸出數據直接反映閘門的開度值，安裝示意圖如圖 5 所示。

圖5 恒力收帶式傳感器用于平板閘門開度測量

2.3 恒力收帶式傳感器用于液壓弧形閘門開度的測量

恒力收帶式傳感器用于液壓弧形閘門開度測量時，首先做 1 塊彎板固定在油缸支鉸上，在彎板上安裝傳感器，最后拉出鋼帶并通過連接扣把鋼絲繩固定在活塞拉桿的吊頭上即可，安裝示意圖如圖 6所示。由于閘門提升時，傳感器測得的數據為活塞拉桿的伸縮量，而閘門開度又是非線性變化的，所以，導出閘門開度與活塞拉桿伸縮長度的數學關系是十分必要的。

圖6 恒力收帶式傳感器用于弧形閘門開度測量

實際應用中，當弧形閘門的金屬結構設計完成后，閘門支鉸、油缸支鉸、拉桿支鉸、閘門的半徑，以及閘門支鉸到拉桿支鉸、油缸支鉸到拉桿支鉸、弧形閘門底檻距閘門支鉸的距離等幾何關系都是確定的，所以，設計選型只需提供閘門全開或全關時活塞拉桿的伸縮量，傳感器生產廠家即可通過固定的數學模型計算出閘門的開度[4]。

2.4 應用舉例

新疆北疆某水庫工程沖砂底孔閘門采用液壓弧形閘門設計，采用恒力收帶式傳感器測量閘門開度。在計算閘門實際開度時，將閘門實際開度在全行程范圍內離散為 14 個測量點。由于啟閉機設備電子版設計圖紙已按照 1︰150 的比例設計，因此當閘門實際開度分別達到這 14 個測量點時，在電子版設計圖紙中可通過測距的方法，分別測量出拉桿的實際長度，然后將 14 組測量點的數據記錄在表1 中。另外當閘門處于零點時，記錄下當前編碼器的碼值，即表1 中的 D0數據。

表1 弧形閘門開度計算表

表1 中相關數據說明如下：

1）L 為對應 H 的每個測量點的拉桿長度數據，為設計圖紙中的實測數據。

2）D 表示閘門編碼器碼值，其中閘門開度處于零點時的編碼器碼值 D0為現場實測，D1～D13為公式計算，具體公式為

依此類推。其中，K 表示比例系數，表示閘門開度編碼器每轉 1 周（碼值變化 1024）時，拉桿長度對應的變化值，此數據一般由啟閉機廠家提供或者現場實測得到，此工程實例中 K = 570。

設 Y 為閘門實際開度，X 代表閘門實際開度下對應編碼器實際輸出的碼值，根據 X 在 D0～D13數值區間的不同，閘門實際開度計算方法如下：

通過以上分段線性計算的方法，最終可根據編碼器實際輸出的碼值，計算得出在全行程范圍內的閘門實際開度。通過工程液壓閘門開度計算實例，表明此種方法能有效計算弧形液壓閘門的開度，且具有較高精度，能很好地滿足工程實際運行要求。

3 結語

閘門開度測量是實現閘門自動控制的重要環節，恒力收帶式傳感器測量精度高，安裝簡單，零點調正方便，在液壓式閘門的開度測量中有著明顯的優勢，目前在大型液壓閘門的開度測量中得到了較好的應用?？紤]到恒力收帶式傳感器長時間使用后，會出現拉簧老化、拉力失效、鋼絲繩損壞等情況，因此一些生產廠家選用合金彈簧、高強度鋼絲繩、鋼絲防腐處理等方式進行改進，進一步提高了設備的可用性和長期穩定性。通過對閘門開度測量方法的比較和探討，希望能進一步促進閘門測控技術的進步，使行業水平邁上一個新的臺階。

[1]盧萬銀，吳紅星，任啟宏. 基于 Microwin32 的閘門開度測量與糾偏監控系統[J]. 人民長江，2009 (16): 69-70.

[2]盧萬銀，張崇巍. 雙吊點液壓弧型閘門的開度測量與糾偏控制[C]//先進制造技術論壇暨第三屆制造業自動化與信息化技術交流會論文集. 北京：中國機械工程學會機械工業自動化分會，2004: 57-58.

[3]李詳波. 絕對式角度編碼器在擺動式液壓弧形閘門開度檢測中的研究[J]. 水電站機電技術，2012 (4): 45-47.

[4]孫乃清，宋長松. 紹興湯浦水庫溢洪道閘門計算機監控系統改造[J]. 水電自動化與大壩監測，2010 (1): 76-78.