戴曉兵

(中國水電顧問集團中南勘測設計研究院,湖南長沙 410014)

電阻式混凝土磨蝕傳感器及其測量方法

戴曉兵

(中國水電顧問集團中南勘測設計研究院,湖南長沙 410014)

結合一項國家實用新型專利介紹電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理,以及基于2芯線、3芯線和5芯線的電阻式混凝土磨蝕傳感器的設計方案和測試方法。以E-24系列精度為5％的碳膜電阻為例,規(guī)定了傳感器各個固定電阻的阻值,分析了電阻阻值誤差和電阻變化量對磨蝕深度分級判斷的影響,并用基于2芯線設計方案的傳感器進行室內測試試驗,結果表明電阻式混凝土磨蝕傳感器適用于泄水建筑物混凝土表面的磨損和空蝕測量,可以用于實時監(jiān)控建筑物的運行狀態(tài)。

電阻式傳感器;混凝土磨蝕傳感器;并聯(lián)電阻;測量方法;磨蝕深度

在水利水電工程中,泄水建筑物是必不可少的結構物之一。在高含沙水流或高速水流作用下,泄水建筑物的混凝土表面會產生磨損破壞或空蝕破壞。淺層的磨損或空蝕破壞可能不會對結構帶來致命的危害,但隨著磨損或空蝕的進一步加劇,可能造成水流的邊界分離,形成惡劣的水流流態(tài);或者產生結構縫的止水破壞、鋼筋外露等各種不利于結構穩(wěn)定的現(xiàn)象,危及泄水建筑物安全。為了及時掌握泄水建筑物混凝土表面的性狀,尤其是洞式泄水建筑物、消力池等不易直接觀測的混凝土部位,迫切需要能夠測量和監(jiān)控混凝土表面磨損或空蝕破壞程度的儀器,以實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。

目前,我國僅有一種用于測量混凝土磨蝕深度的傳感器[1-3],這種傳感器利用芯線的斷通信號,分級測量混凝土磨蝕深度,對泄水建筑物的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控,在三板溪、向家壩、溪洛渡等多個工程中成功應用。但是,由于傳感器使用的是芯線斷通信號,因而受到電纜芯線數(shù)量的限制。在工程實際應用中,當使用1根5芯電纜時,只能監(jiān)測到傳感器5種不同工作狀態(tài),存在測量精度不夠或測量范圍不足的缺陷。為此,筆者[4]研制了一種電阻式混凝土磨蝕傳感器,該傳感器利用其內部并聯(lián)電阻值的變化特性,通過測量芯線間電阻值的變化分級判斷混凝土的磨蝕深度,不受電纜芯線數(shù)量的限制,傳感器的測量精度和測量范圍均得到大幅度提高。

1 電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理

電阻式混凝土磨蝕傳感器由用絕緣材料制成的傳感器本體A、本體內2根導線(導線E和導線F)以及1組連接導線E和導線F的引線組成,見圖1(a)。為了進一步提高測量精度和測量范圍,可以增加傳感器本體內的導線數(shù)量和引線數(shù)量,如在本體內設3根導線(導線D、導線E和導線F)和2組引線,引線分別連接導線E和導線F以及導線E和導線D,見圖1(b)。引線距傳感器本體端面的距離各不相同,每根引線上均串聯(lián)1個固定電阻,所有固定電阻并聯(lián)連接。依照引線順序,固定電阻依次為R0、R1、R2、…、Ri-1、Ri、…、Rn-1、Rn。

圖1 電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理

初始狀態(tài)時,傳感器本體內導線之間的并聯(lián)電阻Rb0按式(1)計算:

當混凝土表面受到磨蝕破壞時,相應地傳感器本體也從端面開始受到磨蝕破壞,隨著破壞的深入發(fā)展,引線依次與導線斷開,導線與導線之間的并聯(lián)電阻值將依次發(fā)生改變。當引線0至引線i-1均斷開時,傳感器本體內導線之間的并聯(lián)電阻Rbi可按式(2)計算:

實際監(jiān)測時,首先測量初始狀態(tài)下2根芯線之間的線間電阻Rc,再計算電纜的芯線電阻Rx,Rx按式(3)計算:

傳感器本體受到磨蝕破壞后,測量2根芯線之間的線間電阻Rc,然后用式(4)計算并聯(lián)電阻Rb:

用并聯(lián)電阻Rb與傳感器本體內導線之間的并聯(lián)電阻Rbi進行比較,就可以分級判斷混凝土的磨蝕深度。

2 電阻式混凝土磨蝕傳感器的設計方案

2.1 2芯線設計方案

采用2芯線設計方案的磨蝕傳感器,可以在1根4芯電纜上連接2個磨蝕傳感器,實現(xiàn)電纜資源利用的最大化,從而大幅度降低監(jiān)測成本。2芯線設計方案如圖2所示,電阻參數(shù)如表1所示。導線E與導線F在傳感器的端面位置直接連通,電阻R0值為零,因此初始狀態(tài)下2根芯線之間的線間電阻Rc即為芯線電阻Rx。為了方便磨蝕深度的分級判斷,在引線依次被磨蝕斷開時,傳感器本體內并聯(lián)電阻值需要有一定量的變化量,因此在各根引線(含傳感器端面)上串聯(lián)的固定電阻值依次為0Ω、100Ω、300 Ω、510 Ω、510 Ω、1 kΩ、1 kΩ、1 kΩ、1.5 kΩ、1.5 kΩ、1.5 kΩ。傳感器的引線數(shù)量、引線間距及測量深度范圍可以按照監(jiān)測的實際需要確定。根據(jù)文獻[4-6],引線數(shù)量定為11根,各引線之間的間距均為10 mm。

圖2 2芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設計方案

表1 2芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設計參數(shù)

2.2 3芯線設計方案

圖3 3芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設計方案

采用3芯線設計方案的磨蝕傳感器是在2芯線設計方案的基礎上增加1根導線,從而增加1組引線,以提高測量精度,并使導線間的電阻值互為校驗。3芯線設計方案如圖3所示,電阻參數(shù)如表2所示。傳感器本體內有3根導線:導線D、導線E和導線F;有2組引線,每組均為11根,分別連接導線E和導線F以及導線E和導線D。導線E與導線F的第1根引線在傳感器本體端面位置,導線E與導線D的第1根引線距離傳感器本體端面5 mm。在同一個引線組中,引線之間的距離為10 mm。

2.3 5芯線設計方案

采用5芯線設計方案的磨蝕傳感器包括導線E、導線F和3根校驗線,傳感器的5根芯線分別與5芯電纜的芯線對應連接。5芯線設計方案如圖4所示,其主要特征如下:5芯電纜中的2根芯線分別與導線E及導線F連接,作為測量芯線使用,其工作原理及設計參數(shù)與2芯線設計方案完全相同。3根校驗線距傳感器端面的距離分別為20 mm、50mm、100mm,與混凝土表面磨蝕破壞程度(輕度、中度和重度)相對應,利用校驗線的斷通狀態(tài)對磨蝕深度進行復核測量,同時還起到備用作用。

表2 3芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設計參數(shù)

圖4 5芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設計方案

3 電阻式混凝土磨蝕傳感器的測量方法

a.2芯線傳感器。首先根據(jù)傳感器本體內的固定電阻值,用式(2)計算并聯(lián)電阻Rbi,并計算出電阻變化量。然后將傳感器安裝完成并將電纜引至觀測站后,測量2根芯線之間的線間電阻Rc。由于混凝土表面未發(fā)生磨蝕,傳感器處于初始狀態(tài),即第1根引線(傳感器本體端面)處于連通狀態(tài),線間電阻Rc即為芯線電阻Rx。當?shù)?根引線斷開同時第2根引線處于連通狀態(tài)時,測出2根芯線之間的線間電阻Rc為45 Ω+Rx,則并聯(lián)電阻Rb為45 Ω,芯線之間的電阻變化量為45 Ω。結合表1可以判斷出混凝土表面開始發(fā)生磨蝕,混凝土磨蝕深度在0～10 mm之間。當?shù)?根引線斷開同時第3根引線處于連通狀態(tài)時,實測2根芯線之間的線間電阻Rc增大至82 Ω+Rx,則并聯(lián)電阻Rb為82 Ω,芯線之間的電阻變化量為37 Ω。結合表1可以判斷出混凝土磨蝕深度在10～20 mm之間。依此類推,通過測量2根芯線之間的線間電阻Rc,計算并聯(lián)電阻Rb,并與傳感器內部的并聯(lián)電阻Rbi進行比較,同時結合線間電阻變化量可以分級判斷出傳感器本體被磨蝕的總長度,即混凝土磨蝕深度。

b.3芯線傳感器。首先根據(jù)傳感器本體內部的固定電阻值,用式(2)計算并聯(lián)電阻Rbi。初始狀態(tài)下,分別測量導線E與導線F、導線E與導線D及導線D與導線F的芯線電阻Rxef、Rxed、Rxdf。如實測導線E與導線F的線間電阻Rc為82 Ω+Rxef,且導線E與導線D的線間電阻Rc為45 Ω+Rxed,則導線E與導線F及導線E與導線D的并聯(lián)電阻分別為82 Ω、45 Ω。結合表2可以判斷出混凝土磨蝕深度在10～15 mm之間。用導線D與導線F間的線間電阻Rc進行校驗,其值應為127 Ω+Rxdf。

c.5芯線傳感器。5芯線傳感器的測量方法與2芯線傳感器的測量方法相同,分別測量2根芯線之間的線間電阻Rc,并與計算得出的線間電阻Rci進行比較。與此同時,通過測量校驗線的斷通信號,判斷芯線的連通或斷開狀態(tài),以此復核傳感器的磨蝕深度。

4 標準電阻阻值誤差的影響分析

電阻阻值按其精度分為兩大系列,分別為E-24系列和E-96系列,E-24系列精度為5％,如碳膜電阻;E-96系列為1％,如金屬膜電阻。現(xiàn)以E-24系列精度為5％的碳膜電阻為例,分析電阻阻值誤差對磨蝕深度分級判斷的影響,見表3。由表3可見,標稱電阻值下,傳感器本體內并聯(lián)電阻大于45 Ω,分級電阻變化量在30Ω以上;負誤差(-5％)電阻值下,傳感器本體內并聯(lián)電阻大于43 Ω,分級電阻變化量在29 Ω以上。由此可知,當引線與導線斷開時,完全能夠通過并聯(lián)電阻和電阻變化量2個參數(shù)對混凝土磨蝕深度進行分級判斷,不會因為電阻阻值的精度誤差而產生誤判。

表3 標準電阻阻值誤差對磨蝕深度分級判斷的影響Ω

5 電阻式混凝土磨蝕傳感器的試驗測試

用于室內試驗測試的傳感器采用2芯線設計方案,各引線之間的間距均為10 mm,設計參數(shù)見表1。傳感器的外殼采用內徑26 mm、壁厚3 mm、長150 mm 的PPR管材,傳感器本體采用C9040砂漿材料,內部電路用印刷電路板和E-24系列碳膜電阻制成,見圖5。分別用5只傳感器進行室內試驗測試。試驗時,將1號、2號、3號、4號和5號傳感器分別截去0mm、18mm、41mm、63mm和95mm,以模擬傳感器磨蝕后導線的斷開狀態(tài),同時在水中測量傳感器的并聯(lián)電阻,實測電阻值分別為0 Ω、80 Ω、200 Ω、320 Ω和1500 Ω(表4)。根據(jù)2芯線設計參數(shù)和標準電阻阻值誤差范圍,可以判斷傳感器的磨蝕深度分別為0 mm、10～20mm、40～50mm、50～60mm和90～ 100 mm,與實際截取的長度吻合,誤差小于10 mm。

圖5 電阻式混凝土磨蝕傳感器

表4 2芯線電阻式磨蝕傳感器磨蝕測試數(shù)據(jù)

傳感器引線被磨蝕斷開后,砂漿材料中斷開的導線兩端以點狀置于水中,成為一組電極。根據(jù)歐姆定律,在水溫及水質一定的情況下,水的電阻值大小與電極的垂直截面面積成反比,與電極之間的距離成正比。為了測試水體對檢測回路的影響,采用2芯線設計方案進行試驗,選用自來水和較混濁的雨水作為測試水體,用普通數(shù)字萬用表分別測量10 個E-24系列碳膜電阻阻值及并聯(lián)電阻(表5)。試驗測試結果表明,由于傳感器導線的垂直截面極小,點狀電極距離較大,電極間水的電阻至少比傳感器電阻大2個數(shù)量級,對傳感器回路的并聯(lián)電阻影響甚微,不同水質對并聯(lián)電阻的大小幾乎無影響。實測傳感器回路的并聯(lián)電阻均處在標稱并聯(lián)電阻誤差范圍內,不會產生誤判。

表5 2芯線電阻式磨蝕傳感器水體影響測試數(shù)據(jù)

6 結 語

水利水電工程泄水建筑物在高速含沙水流的環(huán)境下可能造成混凝土表面的磨損或空蝕破壞,危及水工結構物的安全,不可掉以輕心。本文介紹了電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理和2芯線、3芯線和5芯線電阻設計方案及測試方法。以E-24系列精度為5％的碳膜電阻為例,規(guī)定了傳感器各個固定電阻的阻值,分析了電阻阻值誤差和電阻變化量對磨蝕深度分級判斷的影響,并用2芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器進行了室內測試試驗。結果表明,電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理簡單,測量方法簡便,克服了對電纜芯線數(shù)量的依賴,可以極大地提高測量精度和測量范圍,是一種新型可用于測量泄水建筑物混凝土表面磨蝕深度的傳感器,可以用來實時監(jiān)控建筑物的運行狀態(tài),值得推廣,可以納入大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。

[1]戴曉兵,李延農,劉路平,等.一種用于測量磨蝕或空蝕深度的傳感器及其測量方法:中國,ZL200710036138.7 [P].2012-09-05.

[2]戴曉兵,李延農,劉路平,等.混凝土磨蝕計及其測量方法[C]//水利量測技術.鄭州:黃河水利出版社,2010: 121-124.

[3]謝帆,戴曉兵.混凝土磨蝕傳感器在水電工程中的應用[C]//水力學與水利信息學進展.天津:天津大學出版社,2011:120-124.

[4]戴曉兵.電阻式混凝土磨蝕傳感器:中國, ZL201020695809.8[P].2011-09-14.

[5]戴曉兵,李延農.混凝土表面磨蝕破壞劃分標準初議[C]//水力學與水利信息學進展.西安:西安交通大學出版社,2009:485-487.

[6]吳瑾,耿犟,李俊,等.鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器設計與工程應用[J].河海大學學報:自然科學版,2011,39(6):698-701.(WU Jin,GENG Jiang,LI Jun,et al.A sensor for monitoringcorrosionofsteelreinforcementandits application[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2011,39(6):698-701.(in Chinese))

Resistance sensor for concrete abrasion and its measuring method

//DAI Xiaobing(Hydrochina Zhongnan Engineering Corporation,Changsha 410014,China)

The working principle,design scheme and test method of the resistance sensor for concrete abrasion based on two-core wires,three-core wires and five-core wires were introduced,according to a national utility-model patent.Take the E-24 series of deposited-carbon resistor with accuracy of 5％for instance,its resistance value was set for every fixed resistor,effects of the resistance error and the varying quantity on the grade judgment of the abrasion depth were analyzed, and the indoor test of the sensor with two-core wires was performed.Test results show that the sensor is suitable for measuring the abrasion and the cavitation erosion on the concrete surface,and monitoring the real-time running state of the release works,hence it can be brought into the safety monitoring system for the dam.

resistance type sensor;sensor for concrete abrasion;parallel resistance;measuring method;abrasion depth

10.3880/j.issn.10067647.2013.02.017

TP212.1;TV698.1

A

10067647(2013)02007805

2012-05-24 編輯:駱超)

戴曉兵(1963-),男,湖南長沙人,教授級高級工程師,主要從事水力學試驗研究與原型觀測工作。E-mail:msjldai@163.com