崔麗琴，秦建敏，張瑞鋒

（1.太原理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；2.黃河水利委員會(huì) 寧蒙水文水資源局，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

冬季河道結(jié)冰現(xiàn)象是高緯度地區(qū)冬季普遍存在的一種自然現(xiàn)象，它給許多水利工程設(shè)施的安全運(yùn)行帶來(lái)影響。近年來(lái)，由于全球氣溫升高，極地冰川消融已成為影響人類(lèi)生存環(huán)境的重要因素之一，冰凌災(zāi)害更是威脅黃河流域沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)和各種水電大壩的安全。從保護(hù)環(huán)境、冬季水文水資源管理和水工結(jié)構(gòu)物抗冰能力設(shè)計(jì)都需要了解河道冰生消變化過(guò)程的基本規(guī)律。實(shí)時(shí)檢測(cè)并獲取河道冰層厚度變化的數(shù)值是全面掌握河道冰生消變化過(guò)程基本規(guī)律的一項(xiàng)直觀而重要的水文參數(shù)指標(biāo)。從檢測(cè)方法上區(qū)分，對(duì)河道冰層厚度的檢測(cè)方法大致可分為兩類(lèi)：物理檢測(cè)方法和冰數(shù)學(xué)模型檢測(cè)方法；依據(jù)檢測(cè)方式的不同，又可將物理檢測(cè)方法分為接觸式和非接觸式。常見(jiàn)的接觸式測(cè)量如人工鉆孔和熱電阻絲檢測(cè)法最為可靠，但其自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大［1-2］；由大連理工大學(xué)研制的磁致位移冰層厚度檢測(cè)裝置已應(yīng)用于南極科考中，精度可達(dá)0.2 cm［3］；電磁感應(yīng)、衛(wèi)星遙測(cè)、雷達(dá)檢測(cè)等非接觸式測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積范圍冰厚進(jìn)行檢測(cè)，缺點(diǎn)是精度低，造價(jià)高［4-5］［6］。而利用冰模型進(jìn)行冰厚預(yù)測(cè)的方法需依據(jù)歷史水文資料建立模型計(jì)算得出，并受到實(shí)時(shí)的水文、氣象等諸多條件的影響，其準(zhǔn)確性和精度往往在事后才能得到證實(shí)［7］。分析上述冰情檢測(cè)方法，都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：無(wú)法對(duì)冰層內(nèi)部的生消變化過(guò)程實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

太原理工大學(xué)冰情檢測(cè)課題組秦建敏教授等于2005年提出了一種基于空氣、冰和水的物理特性差異進(jìn)行冰厚檢測(cè)的方法，利用該法研制的R-T冰層厚度傳感器及其冰情檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冰層內(nèi)部物理狀態(tài)的連續(xù)自動(dòng)化檢測(cè)，并在國(guó)內(nèi)水利水電工程及南極科考的冰情檢測(cè)中獲得應(yīng)用。本文介紹了該傳感器的檢測(cè)原理及檢測(cè)系統(tǒng)組成，并針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的低于-30℃的極低溫環(huán)境中空氣和冰的電阻特性差異進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室理論分析與研究。

1 基于空氣、冰和水的電阻特性進(jìn)行冰厚檢測(cè)的原理

從物體導(dǎo)電特性出發(fā)，我們認(rèn)為自然水（包含有導(dǎo)電雜質(zhì)的河、湖、海、自來(lái)水等)是良導(dǎo)電物體，空氣是絕緣體，而在0～-26℃范圍內(nèi)，則把冰看作具有弱導(dǎo)電特性的半導(dǎo)體（而不是傳統(tǒng)冰檢測(cè)理論中把冰作為絕緣體處理)［8］。依據(jù)這一特性，將兩個(gè)具有一定間距的金屬觸點(diǎn)插入水（或冰)中，可以通過(guò)如圖1所示的電阻分壓原理檢測(cè)并獲取冰和水的等效電阻值。

圖1 冰與水等效電阻分壓檢測(cè)原理圖

其中，VCC為固定直流電源（在試驗(yàn)中取其值為3.3V)，R0為已知的固定分壓電阻，Ri為兩觸點(diǎn)間被測(cè)介質(zhì)空氣、冰或水的等效電阻值，其數(shù)值可通過(guò)下面的串聯(lián)電阻分壓公式計(jì)算得出。

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，空氣、冰和水的等效電阻具有明顯的差異［9］，表現(xiàn)在圖1中V0值不同。因此，在檢測(cè)過(guò)程中，可通過(guò)檢測(cè)獲取的V0數(shù)值與實(shí)驗(yàn)室不同介質(zhì)等效電阻值對(duì)比，判斷出兩觸點(diǎn)間為何種介質(zhì)。依據(jù)這一原理，在對(duì)河道冰生、消變化檢測(cè)過(guò)程中，將檢測(cè)范圍內(nèi)的垂直立體空間劃分為空氣、冰和冰下水三個(gè)具有不同電阻特性的區(qū)域?qū)印?/p>

圖2 基于空氣、冰與水電阻特性差異的冰厚檢測(cè)原理圖

如圖2所示，將被測(cè)空間垂直切割成N個(gè)水平的物理參數(shù)檢測(cè)層回路，依次對(duì)被測(cè)層介質(zhì)的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，由獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)確定被測(cè)層的物理屬性，進(jìn)而判斷出冰層的上下分界面，計(jì)算出冰層厚度的數(shù)值，這就是基于空氣、冰與水的電阻特性差異實(shí)現(xiàn)冰層厚度檢測(cè)的基本原理。由于在檢測(cè)過(guò)程中，可以同時(shí)獲取各垂直分層檢測(cè)點(diǎn)的等效電阻數(shù)值，實(shí)際上可以由他們的數(shù)值判斷出冰層內(nèi)部各點(diǎn)的介質(zhì)分類(lèi)，進(jìn)而掌握冰層內(nèi)部各點(diǎn)的物理狀態(tài)。

2 室溫～-55℃溫度范圍內(nèi)冰情檢測(cè)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)與分析

受試驗(yàn)條件所限，前期研究中，缺乏對(duì)低于-30℃溫度環(huán)境下冰的電阻取值變化規(guī)律系統(tǒng)的理論研究與實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致在溫度低于-26℃的環(huán)境下應(yīng)用該理論進(jìn)行冰情檢測(cè)時(shí)，出現(xiàn)無(wú)法依據(jù)預(yù)知的冰物理狀態(tài)理論閾值去指導(dǎo)冰檢測(cè)設(shè)備硬件的設(shè)計(jì)和編寫(xiě)被測(cè)介質(zhì)物理狀態(tài)判斷算法的現(xiàn)象，筆者試驗(yàn)采用基于空氣、冰與水的電阻特性差異檢測(cè)原理的RT冰層厚度傳感器對(duì)室溫～-55℃范圍內(nèi)空氣、冰和水的電阻特性在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了理論研究與分析，填補(bǔ)了新冰情檢測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的理論空白。

2.1 基于空氣、冰與水的電阻特性差異檢測(cè)原理的R-T冰層厚度傳感器

基于空氣、冰與水的電阻特性差異檢測(cè)原理研制的實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)用R-T冰層厚度傳感器長(zhǎng)1.2m，量程為1m，傳感器上分布著100組等效電阻觸點(diǎn)，觸點(diǎn)間間距為1cm。另外，傳感器上還分布著20個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)間間距為5cm?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD固定于傳感器內(nèi)部，100組觸點(diǎn)間的等效電阻值通過(guò)CPLD程序控制分時(shí)選通接入圖1所示電路中。將傳感器采集到的100組采樣電壓值送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理，依據(jù)空氣、冰和水的電阻差異，可計(jì)算出冰層厚度［10］。

用傳感器對(duì)室溫～-55℃溫度范圍內(nèi)空氣、冰和水的電阻特性差異進(jìn)行試驗(yàn)。將該傳感器斜置于盛水試驗(yàn)容器內(nèi)，并將其放在GDJS-系列高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)歷時(shí)2個(gè)月，受試驗(yàn)容器空間所限，選擇傳感器低端20個(gè)觸點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，其中，露出水面的觸點(diǎn)為9個(gè)，水面下觸點(diǎn)為11個(gè)。試驗(yàn)箱內(nèi)最低環(huán)境溫度設(shè)置為-55℃。在試驗(yàn)箱從室溫到-55℃的降溫過(guò)程中，采用分壓電阻值分別為10MΩ、20MΩ、40MΩ時(shí)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)定采集周期為5min。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)分壓電阻取值為40MΩ時(shí)，空氣、冰和水的電阻差異最明顯。表1為結(jié)冰過(guò)程中，選取某一溫度點(diǎn)（試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度為-44℃，冰水層內(nèi)部溫度為-0.5℃)，自下而上20組檢測(cè)觸點(diǎn)處于不同的介質(zhì)層中，R-T冰厚傳感器采集到的分壓電阻兩端的采樣電壓值（V0)，相應(yīng)關(guān)系曲線如圖3所示，其中橫坐標(biāo)為傳感器的電壓檢測(cè)觸點(diǎn)，縱坐標(biāo)為各檢測(cè)介質(zhì)層分壓電阻兩端得到的采樣電壓值。表2為完全結(jié)冰后（試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度為-55℃，冰層內(nèi)部溫度為-30℃)的采樣電壓值，相應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示。

表1 試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度為-44℃，冰水層內(nèi)部溫度為-0.5℃時(shí)各介質(zhì)層分壓電阻兩端電壓值

表2 試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度為-55℃，冰層內(nèi)部溫度為-30℃時(shí)各介質(zhì)層分壓電阻兩端電壓值

圖3 試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度為-44℃，冰層內(nèi)部溫度為-0.5℃各介質(zhì)層檢測(cè)電壓值變化曲線

圖4 試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度為-55℃，冰層內(nèi)部溫度為-30℃各介質(zhì)層檢測(cè)電壓值變化曲線

對(duì)圖3和圖4曲線分析可知，水結(jié)冰過(guò)程中，隨著溫度不斷降低，V0不斷減小，而空氣中V0值隨溫度變化趨勢(shì)穩(wěn)定。從圖中可以看出，水層采樣電壓值最高，為2.5～3.3V之間，冰層次之，為0.40～2.5V之間，空氣層最小，穩(wěn)定在0.36～0.38V之間。依據(jù)V0不同，可判斷出空氣層和冰層、冰層和水層的分界面，進(jìn)而計(jì)算出冰層厚度。本次試驗(yàn)證明，當(dāng)R-T冰厚傳感器處于-30℃～-55℃的溫度范圍內(nèi)，只要改變分壓電阻值，基于空氣、冰和水電阻差異的冰厚檢測(cè)方法仍然可行，這為R-T冰層厚度傳感器的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

3 R-T冰層厚度傳感器在額爾古納河河道冰情檢測(cè)中的應(yīng)用

采用前述冰層厚度傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)，于2010.9-2011.5在內(nèi)蒙中俄界河額爾古納河奇乾水文站進(jìn)行了河道定點(diǎn)冰情數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)傳試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)中，智能冰情檢測(cè)儀主要用于對(duì)R-T冰層厚度傳感器采集到的電壓檢測(cè)信號(hào)及溫度檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理，完成電壓值、溫度值及冰層厚度的分析計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示等功能；檢測(cè)儀通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口外接GPRS Modem，并通過(guò)GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及Internet網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控管理中心PC機(jī)上。同時(shí)，也可以通過(guò)監(jiān)控中心隨時(shí)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可通過(guò)發(fā)送命令修改上傳數(shù)據(jù)時(shí)間，GPRS Modem上電時(shí)間等。

試驗(yàn)電路中：分壓電阻值選定為20MΩ，采集間隔時(shí)間為20min。當(dāng)環(huán)境溫度高于-30℃時(shí)，所測(cè)冰厚值與現(xiàn)場(chǎng)人工觀測(cè)冰厚值基本一致?，F(xiàn)以2010年10月27日早上8點(diǎn)，環(huán)境溫度為-15℃，冰層內(nèi)部溫度為-5℃時(shí)系統(tǒng)采集電壓數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。從圖5電壓曲線可以看出，2.5～3.3V變化區(qū)段對(duì)應(yīng)水流層，0.35～2.5V變化區(qū)間對(duì)應(yīng)冰層，0.35V以下對(duì)應(yīng)空氣層。圖中黑色虛線表示冰下水層和冰層、冰層和空氣層的分界面，從中可以準(zhǔn)確判斷出冰層厚度值。

圖5 2010年10月27日8點(diǎn)R-T冰層厚度傳感器實(shí)測(cè)奇乾水文站各介質(zhì)層電壓曲線圖

圖6 2010-10-01—2010-10-28齊乾水文站監(jiān)測(cè)點(diǎn)冰下水位值和冰層厚度變化曲線

圖6為匯總整理后R-T冰層厚度傳感器獲取的2010-10-01—2010-10-28每天0：00、8：00、20：00齊乾水文站監(jiān)測(cè)點(diǎn)冰下水位值和冰層厚度變化曲線。橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)采集日期時(shí)間，歷時(shí)28天，縱坐標(biāo)為冰下水位或冰層厚度值。該月最低氣溫為-26℃，驗(yàn)證了室溫～-26℃范圍內(nèi)該檢測(cè)方法在實(shí)際工程中的可行性。

2011年1月中旬，奇乾水文站最低氣溫達(dá)到-47.6℃，冰層內(nèi)部溫度也接近-30℃。從現(xiàn)場(chǎng)采集回的數(shù)據(jù)分析知道，當(dāng)溫度降低到-30℃或者更低后，由于隨溫度降低，冰的等效電阻值不斷增大，越來(lái)越接近空氣的值，很難區(qū)分出空氣和冰的分界面，無(wú)法準(zhǔn)確判斷冰層厚度。針對(duì)這種現(xiàn)象，作者提出通過(guò)改變電路中固定分壓電阻值解決這一問(wèn)題的思路。并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明，取固定分壓電阻值為40MΩ時(shí)，可準(zhǔn)確區(qū)分出空氣和冰的分界面。改進(jìn)后的R-T冰層厚度傳感器將在現(xiàn)場(chǎng)極低溫環(huán)境下得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

基于空氣、冰和水的電阻特性差異研制的冰厚檢測(cè)儀在國(guó)內(nèi)水利水電工程的多次成功應(yīng)用證實(shí)了其在工程應(yīng)用中的可靠性。工程應(yīng)用中，當(dāng)環(huán)境溫度低于-26℃時(shí)，空氣和冰的電阻特性差異不太明顯，針對(duì)這一問(wèn)題，筆者通過(guò)改變系統(tǒng)中的電路參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室機(jī)理試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證了該檢測(cè)方法的可行性，填補(bǔ)了-26～-55℃極低溫環(huán)境下冰和空氣的電阻特性差異研究的空白，為冰層厚度傳感器的進(jìn)一步改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。冰層厚度傳感器在極低溫現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境中的可行性將得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

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