液压式闸门的开度测量方法

吴忠恩

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310000）

0 引言

随着我国水利事业的跨越式发展，越来越多的闸门，特别是大吨位的闸门采用了液压式启闭机[1]。为保证液压闸门的可靠运行，也为了使闸门控制能更好地纳入计算机监控系统，准确可靠地进行液压闸门的开度测量就成了一个十分现实和重要的课题。传统的转轴式传感器用于液压闸门的开度测量，由于安装繁琐、测量精度不高、重复性差，愈来愈显示出固有的弊端。将恒力收带式传感器用于液压闸门的开度测量，在实际工程运行中得到了良好反映。在此基础上结合多年闸门控制设计经验，将恒力收带式与转轴式传感器在液压闸门的开度测量方面作个比较，期望为今后设计选型提供参考。

1 转轴式传感器用于液压闸门的开度测量

转轴式传感器是采用接触式轴角编码器或光电传感器制成的一种角位移传感器[2]，目前已广泛应用于卷扬式平板门和弧形门的开度测量。但是，当把转轴式传感器用于液压闸门的开度测量时，尽管采取了多种不同的测量方法，在精度、安装和调试等方面仍存在诸多问题。

1.1 通过测绳、挂轮、重锤完成液压闸门的开度测量

转轴式传感器通过测绳、挂轮、重锤可以完成液压平板门和弧形门的开度测量，平板闸门的开度测量示意图如图 1 所示。在进行这种传感器的安装时，首先要把装有挂轮的转轴式传感器装于闸门上方的合适位置，然后把测绳的一端系于闸门的某一固定点，并令测绳绕过挂轮，在测绳的另一端系上重锤。

图1 平板闸门的开度测量

此种方法在应用于平板闸门开度测量时能满足一般的测量精度使用要求；但应用于弧形闸门时，由于存在明显的固有机械和非线性位移导致的计算等方面误差，已逐渐被淘汰。

1.2 利用联轴节完成液压弧形闸门的开度测量

联轴节是一种能把转轴式传感器和卷扬式转动轴或油缸转动支铰连接起来的万向联轴器。采用联轴节完成对闸门的开度测量，就是把传感器与卷扬式转动轴或油缸转动支铰直接相连，通过传感器测得的转动角度，对应到相应的闸门升降高度，可以完成对闸门开度的测量[3]，安装示意图如图 2 所示。

图2 利用联轴节完成开度测量

此测量方法的优点是传感器安装简单，关系比较明确。当用于卷扬式闸门开度测量时，只要知道转动轴每度的角位移对应钢丝绳的变化长度，就可以确定闸门的开度量。缺点是当用于液压式闸门测量时，传感器调正困难，精度低，重复性差。液压启闭机的油缸支铰转动角度一般在 60° 左右，闸门开度一般在 10 m 以上，如果考虑到液压弧门的非线性校正，即使满足闸门开度 1 cm 的分辨率，对传感器灵敏度的要求一般也应不低于 104 圈/转。很明显，对于如此高灵敏的传感器，当用于闸门的现场零位调整时，由于油缸本身和传感器的回差，调试工作相当困难，且测量的重复性也很差，目前该测量方式主要应用在一些测量精度要求不高的场合。

1.3 利用扇齿轮（齿条）完成液压弧形闸门的开度测量

为避免传感器与油缸支铰直接相连时传感器零点难以调试的弊端，实际施工中调试人员常在油缸支铰上安装 1 个大齿数的扇齿轮，通过齿轮啮合增速后，再与传感器连接，安装示意图如图 3 所示。

图3 利用扇齿轮完成开度测量

此测量方法的优点是传感器的转动圈数比较多，传感器的零点易于调节；缺点是传感器与油缸支铰的连接需要增加 1 个齿轮箱，现场安装比较麻烦，而且齿轮的啮合间隙也会造成测量的回差。由于安装的复杂性，该类测量方式已逐步被其他测量方法取代。

2 恒力收带式传感器用于液压闸门的开度测量

由于转轴式传感器在测量液压弧门开度时存在难以克服的缺点，经过技术创新，在一些工程中开始采用恒力收带式传感器，取得了相对满意的效果。

2.1 恒力收带式传感器结构原理

恒力收带式传感器实际上是一种长度传感器，采用弹簧力平衡原理，主要由高精度位移传送系统（钢带及链轮）、恒力装置（平衡弹簧组件）和编码器等部件组成，结构原理如图 4 所示。

图4 恒力收带式传感器结构原理示意图

传感器的主要技术指标如下：测量范围为 0～19.999 m ；分辨率 1 mm；基本误差为 ± 1 mm；重复性误差 ≤± 1 mm；回差＜ 2 mm。

采用恒力收带式传感器进行闸门开度测量时，一旦被测量闸门位置发生变化，恒力弹簧组件转动，收进或放出钢带，带动链轮与编码器转动，从而输出被测量闸门位置的编码值。最大特点是测点位移量大，零点调节方便，避免了齿轮啮合的间隙，克服了测量系统的往复性回差。

2.2 恒力收带式传感器用于液压平板闸门开度的测量

恒力收带式传感器用于液压平板闸门开度测量时，只需把传感器吊装于闸门上部，然后拉出钢带系于被测闸门上端即可。由于钢带的伸缩长度即为闸门的升降高度，所以传感器的输出数据直接反映闸门的开度值，安装示意图如图 5 所示。

图5 恒力收带式传感器用于平板闸门开度测量

2.3 恒力收带式传感器用于液压弧形闸门开度的测量

恒力收带式传感器用于液压弧形闸门开度测量时，首先做 1 块弯板固定在油缸支铰上，在弯板上安装传感器，最后拉出钢带并通过连接扣把钢丝绳固定在活塞拉杆的吊头上即可，安装示意图如图 6所示。由于闸门提升时，传感器测得的数据为活塞拉杆的伸缩量，而闸门开度又是非线性变化的，所以，导出闸门开度与活塞拉杆伸缩长度的数学关系是十分必要的。

图6 恒力收带式传感器用于弧形闸门开度测量

实际应用中，当弧形闸门的金属结构设计完成后，闸门支铰、油缸支铰、拉杆支铰、闸门的半径，以及闸门支铰到拉杆支铰、油缸支铰到拉杆支铰、弧形闸门底槛距闸门支铰的距离等几何关系都是确定的，所以，设计选型只需提供闸门全开或全关时活塞拉杆的伸缩量，传感器生产厂家即可通过固定的数学模型计算出闸门的开度[4]。

2.4 应用举例

新疆北疆某水库工程冲砂底孔闸门采用液压弧形闸门设计，采用恒力收带式传感器测量闸门开度。在计算闸门实际开度时，将闸门实际开度在全行程范围内离散为 14 个测量点。由于启闭机设备电子版设计图纸已按照 1︰150 的比例设计，因此当闸门实际开度分别达到这 14 个测量点时，在电子版设计图纸中可通过测距的方法，分别测量出拉杆的实际长度，然后将 14 组测量点的数据记录在表1 中。另外当闸门处于零点时，记录下当前编码器的码值，即表1 中的 D0数据。

表1 弧形闸门开度计算表

表1 中相关数据说明如下：

1）L 为对应 H 的每个测量点的拉杆长度数据，为设计图纸中的实测数据。

2）D 表示闸门编码器码值，其中闸门开度处于零点时的编码器码值 D0为现场实测，D1～D13为公式计算，具体公式为

依此类推。其中，K 表示比例系数，表示闸门开度编码器每转 1 周（码值变化 1024）时，拉杆长度对应的变化值，此数据一般由启闭机厂家提供或者现场实测得到，此工程实例中 K = 570。

设 Y 为闸门实际开度，X 代表闸门实际开度下对应编码器实际输出的码值，根据 X 在 D0～D13数值区间的不同，闸门实际开度计算方法如下：

通过以上分段线性计算的方法，最终可根据编码器实际输出的码值，计算得出在全行程范围内的闸门实际开度。通过工程液压闸门开度计算实例，表明此种方法能有效计算弧形液压闸门的开度，且具有较高精度，能很好地满足工程实际运行要求。

3 结语

闸门开度测量是实现闸门自动控制的重要环节，恒力收带式传感器测量精度高，安装简单，零点调正方便，在液压式闸门的开度测量中有着明显的优势，目前在大型液压闸门的开度测量中得到了较好的应用。考虑到恒力收带式传感器长时间使用后，会出现拉簧老化、拉力失效、钢丝绳损坏等情况，因此一些生产厂家选用合金弹簧、高强度钢丝绳、钢丝防腐处理等方式进行改进，进一步提高了设备的可用性和长期稳定性。通过对闸门开度测量方法的比较和探讨，希望能进一步促进闸门测控技术的进步，使行业水平迈上一个新的台阶。

[1]卢万银，吴红星，任启宏. 基于 Microwin32 的闸门开度测量与纠偏监控系统[J]. 人民长江，2009 (16): 69-70.

[2]卢万银，张崇巍. 双吊点液压弧型闸门的开度测量与纠偏控制[C]//先进制造技术论坛暨第三届制造业自动化与信息化技术交流会论文集. 北京：中国机械工程学会机械工业自动化分会，2004: 57-58.

[3]李详波. 绝对式角度编码器在摆动式液压弧形闸门开度检测中的研究[J]. 水电站机电技术，2012 (4): 45-47.

[4]孙乃清，宋长松. 绍兴汤浦水库溢洪道闸门计算机监控系统改造[J]. 水电自动化与大坝监测，2010 (1): 76-78.