成功案例丨洛桑聯邦理工學院選擇奇石樂壓力傳感器開展水輪機研發模型測試

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）下屬流體機械技術平臺（PTMH）依據國際標準IEC 60193，開展新型水輪機模型測試工作。在測試中，包括卡普蘭式（Kaplan）、弗朗西斯式（Francis）、螺旋槳式、燈泡式及水泵水輪機等多種類型水輪機模型均采用了奇石樂的IEPE壓力傳感器。這些傳感器能夠高精度捕捉壓力脈動，為水輪機設計優化發揮關鍵作用。

盡管能源轉型的討論常常聚焦于風能和太陽能，但水電在全球能源格局中同樣扮演著舉足輕重的角色。2024年，全球水電發電量約為4,400太瓦時（TWh），占全球總發電量的14%，僅次于煤炭和天然氣，位居第三。此外，即使充分考慮大壩對自然景觀和生態系統的影響等生態因素，專家估計全球水電的潛在年發電能力仍可超過16,000 太瓦時（TWh）。不僅如此，水電具備靈活性與巨大儲能容量的雙重優勢，這對于平衡可再生能源占比日益提升的電網而言至關重要。

在測試臺上對水泵水輪機縮比物理模型進行模型驗收測試時，空化現象清晰可見（圖片來源：PTMH）。

水力發電站的發電原理，是通過水輪機將水流下落產生的勢能與流動形成的動能轉化為電能。水輪機的設計類型豐富多樣，且每種類型都具備獨特優勢。其中最常見的包括水泵水輪機、弗朗西斯式水輪機和卡普蘭式水輪機（以其發明者命名）。鑒于水電站建設的高成本投入，以及各電站的實際工況差異，擬安裝的水輪機在投入使用前，必須經過嚴苛的模型驗收測試。水輪機試驗臺借助精準縮尺的水力流道模型，采集壓力脈動、空化現象、運行效率及輸出功率等關鍵參數。

IEPE壓力傳感器精確捕捉壓力脈動

作為專注于水輪機測試的研究機構，PTMH為全球工業客戶提供專業服務。隸屬于位于日內瓦湖畔的洛桑聯邦理工學院（EPFL），除學術研究與教學工作外，PTMH 還運營著三座試驗臺，分別用于水輪機、蓄能泵及水泵水輪機的測試，且所有測試流程均符合 IEC 60193 標準。這類嚴格受控的模型驗收測試，旨在驗證水輪機的水力性能，確保其達到合同約定的性能指標——畢竟，水輪機的設計使用壽命通常長達60年以上。

基于 IEC 60193 標準的空化測試在 PTMH 的 PF2 試驗臺上開展，測試對象為水泵水輪機縮尺模型（圖片來源：PTMH）。

在弗朗西斯式、卡普蘭式、螺旋槳式、燈泡式及水泵水輪機中，由于水流特性與結構腔體的存在，會產生壓力脈動。這些脈動受多種參數影響，若強度過高，可能降低設備性能，甚至造成機械損傷。一旦在測試臺上檢測到此類壓力脈動，就必須采取結構上的應對措施，以保障水輪機運行期間的穩定性。為此，PTMH在其所有類型的縮比模型研發測試中，均采用奇石樂的IEPE壓力傳感器。以下測量參數尤為關鍵：

• 在規定運行范圍內壓力脈動的相對幅值
• 壓力脈動的性質（周期性 vs. 隨機性）
• 壓力脈動的主導頻率
• 緩解措施（如空氣注入）的有效性及其最佳布置位置
• 測試模型中脈動強度與其他相似轉速模型的對比

配備奇石樂測量技術的 PTMH 水輪機試驗臺

在 PTMH 的中控系統全面升級項目中，其水輪機試驗臺引入了奇石樂先進的壓力測量系統。該測量鏈以奇石樂久經市場驗證的 601C 型 IEPE 壓力傳感器為核心。這款微型壓電式壓力傳感器搭載PiezoStar®晶體元件，內置放大電路（IEPE），可將電荷信號直接轉換為電壓信號。傳感器兼具緊湊的結構設計與卓越的測量靈敏度，其高固有頻率與快速響應特性，更是壓力脈動測量工作的決定性優勢。尤為重要的是，奇石樂 601C 系列壓力傳感器配備經過優化設計的傳感器膜片，專門適用于動態壓力測量場景，且具備抗熱沖擊能力。

PTMH所使用的奇石樂 601C 型 IEPE 壓力傳感器為 IP68 防護等級，配套防水電纜共同運行（圖片來源：奇石樂）。

對于 PTMH 的測量系統而言，能夠耐受水輪機嚴苛水動力環境的防水電纜同樣是不可或缺的組成部分。奇石樂 1983AD 型高絕緣連接電纜采用防水接頭設計，防護等級達到 IP68 標準。在數據采集環節，PTMH 選用了奇石樂旗下的 LabAmp 數字式實驗室電荷放大器。該設備不僅具備豐富的數據采集功能與擴展選項，還可與 PTMH 自主研發數據分析軟件所基于的 LabVIEW 編程環境完美兼容。

對于壓力脈動測量數據分析工作，PTMH 選用奇石樂高端 LabAmp 5165A 型實驗室電荷放大器，該設備兼容 LabVIEW 環境（圖片來源：奇石樂）。

水電研發領域的寶貴合作伙伴

PTMH 對壓力脈動分析工作所展現出的高精度給予了高度認可：“我們之所以選擇奇石樂的測量技術，不僅是因為其 IEPE 壓力傳感器能夠實現壓力脈動的高精度測量，更在于其數據采集設備可與 LabVIEW 環境無縫對接。此外，在多年的項目合作過程中，奇石樂提供的快速校準服務，以及全方位的技術咨詢與支持，同樣令我們深感認可。”

依托尖端測量技術的有力支撐，PTMH 實現了測量精度的最大化，成為推動水電領域科研創新與工業應用發展的中堅力量。這些配置精良的試驗臺，不僅鞏固了 PTMH 在全球水電科研領域的領先地位，更為水電行業提供了世界一流的測試服務。上述針對水輪機試驗臺的技術升級投入，保障了測量工作的精準性與可靠性，助力該機構持續在水電科研、教學及測試服務領域保持行業前沿水平。