余劍鋒

(中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，湖北 武漢 430071)

舉世矚目的長(zhǎng)江三峽工程建成后，一方面，因上游形成水庫(kù)后的回水將到達(dá)四川省萬(wàn)縣市，大大改善了上游航運(yùn)條件。另一方面，則因大壩截?cái)嗔碎L(zhǎng)江江面，不僅阻斷了航道，更使得大壩上下游形成了最大113 m 水位落差。為解決船舶過(guò)壩的問(wèn)題，工程設(shè)置了雙線五級(jí)船閘和一線垂直升船機(jī)。相比較過(guò)船閘耗時(shí)超過(guò)3 小時(shí)而言，升船機(jī)可將耗時(shí)縮短至40 min～60 min，且升船機(jī)還具有不耗水的特點(diǎn)，足見(jiàn)其明顯的優(yōu)勢(shì)。三峽升船機(jī)計(jì)劃于2015 年投入運(yùn)行，屆時(shí)將能滿足3000 噸船舶在40 min 內(nèi)過(guò)閘，提高了船舶過(guò)壩效率，成為三峽雙線五級(jí)船閘“樓梯式過(guò)壩”的有效補(bǔ)充。

長(zhǎng)江三峽升船機(jī)采用的是濕運(yùn)工作方式，即采用一只裝水的船廂作為載體運(yùn)載船舶升降的方式。根據(jù)巴斯克原理，不論船廂中有無(wú)船只，帶水船廂的總質(zhì)量不會(huì)改變，利用這一條件設(shè)置同等質(zhì)量的平衡重量來(lái)平衡帶水船廂的總質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)“全平衡”的要求。船廂升降驅(qū)動(dòng)主機(jī)只需克服系統(tǒng)摩阻力、系統(tǒng)慣性力、設(shè)計(jì)允許的不平衡力等就可使整個(gè)大慣量系統(tǒng)按設(shè)計(jì)速度做正常升降運(yùn)行，運(yùn)行功耗很小。但是，由于主機(jī)對(duì)非正常條件沒(méi)有足夠的控制能力，因此，必須對(duì)整個(gè)升船機(jī)工程進(jìn)行有效的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以保證全平衡式的升船機(jī)滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的平衡條件。

1 系統(tǒng)布設(shè)情況

長(zhǎng)江三峽升船機(jī)工程在船廂室段塔柱頂部機(jī)房底板(高層196 m，即承重塔柱頂部)高程層面縱橫梁上，布設(shè)了以10 個(gè)監(jiān)測(cè)垂直位移的JSY-ID 型數(shù)字遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)組成的靜力水準(zhǔn)閉合回路環(huán)線。采用閉合回路環(huán)線可以使得連通管內(nèi)的液體流通更加均勻，更容易趨于穩(wěn)定，避免液體震蕩對(duì)觀測(cè)的影響，減小誤差。

2 系統(tǒng)工作原理與技術(shù)指標(biāo)

JSY-ID 型數(shù)字遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀是測(cè)量相隔一定距離的多個(gè)基點(diǎn)之間相對(duì)高程變化的一種精密儀器，由機(jī)械主體、水管系統(tǒng)、標(biāo)定器、目視測(cè)微器、位移換能器等部分組成。主要用于大型工程如水電站、核電站、高層建筑、巨型科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等垂直變形觀測(cè)。它既能進(jìn)行目視觀測(cè)，又具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理等功能，并配備相應(yīng)的軟件。儀器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)液位分辨率≤0.02 mm

2)兩測(cè)點(diǎn)高差測(cè)量中誤差≤±0.1 mm

3)量程:0～20 mm

4)輸出:RS485 端口，2 400 波特率

5)供電:AC36 V

6)允許環(huán)境條件:溫度0 ℃～50 ℃;濕度25%～95%。

2.2 主體結(jié)構(gòu)

在底座上面放置截面積相同的不銹鋼缽體，缽體中盛裝工作介質(zhì)(蒸餾水)，浮子置于水中漂浮，蓋上蓋板后通過(guò)不銹鋼支柱和底座穩(wěn)固地連成一體。導(dǎo)向裝置由三條間距120°的簧片以及壓塊和夾頭組成?；善欢斯潭ㄔ谏w板面上，另一端集中固定在中心，通過(guò)夾頭和浮子連成一體，使浮子定于中心漂浮。位移傳感器線圈固夾在支架上，鐵芯安裝在浮子上。各個(gè)主體和標(biāo)定器之間用水管系統(tǒng)(塑料水管、三通、彎頭和硅橡膠管接頭等)連接成一個(gè)閉合回路。

2.3 標(biāo)定器結(jié)構(gòu)

標(biāo)定器置于測(cè)網(wǎng)兩端、測(cè)點(diǎn)中間，主要由底座、螺旋機(jī)構(gòu)和標(biāo)定水槽組成，其標(biāo)定墩面低于測(cè)點(diǎn)墩面260 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)度盤帶動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)使標(biāo)定水槽上下運(yùn)動(dòng)。

2.4 位移傳感器

在位移換能器中選用線性差動(dòng)變壓器(即LVDT)把位移量變成電信號(hào)，其工作原理實(shí)質(zhì)上是鐵芯可動(dòng)的變壓器，原理如圖2 所示。

圖2 位移傳感器原理圖

當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)移動(dòng)時(shí)，改變了磁通的空間分布，改變了初、次級(jí)之間的互感量。當(dāng)適當(dāng)頻率的電壓激勵(lì)初級(jí)繞組時(shí)，次級(jí)線圈就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。隨著鐵芯位置的不同，互感也不同，次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同，這就把鐵芯的位移變成了電壓信號(hào)輸出。若將兩個(gè)次級(jí)繞組反向串接，其輸出便是差動(dòng)方式。

差動(dòng)變壓器的技術(shù)性能為:

1)測(cè)程:±15 mm

2)精度:0.3%

3)激勵(lì)電壓頻率:2 kH

4)動(dòng)態(tài)頻率:0～200 Hz

5)靈敏度漂移:零點(diǎn)＜0.01%/℃;滿度＜0.03%℃

6)工作溫度:－10 ℃～+70 ℃;濕度:100%

2.5 系統(tǒng)的基本原理

JSY-ID 型數(shù)字遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀根據(jù)液體表面自然保持水平的特性進(jìn)行工作。當(dāng)儀器主體測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)高程變化時(shí)，儀器主體缽體中的液面就相對(duì)于缽體出現(xiàn)升降變化，測(cè)量出這些變化量就可確定每一個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)某一基點(diǎn)的高差變化。

系統(tǒng)可用電測(cè)法測(cè)量出液面的變化量，規(guī)定液面上升，電測(cè)數(shù)值增大。

系統(tǒng)中的位移傳感器選用專門的線性差動(dòng)變壓器，其輸出信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后，直接變換成數(shù)字量(位移值)。

考慮到系統(tǒng)安裝在基礎(chǔ)廊道，相對(duì)濕度比較大，因此系統(tǒng)的供電考慮用AC36 V 供電，并安裝了安全供電設(shè)施，以保證儀器的正常工作。

在AC36 V 電源輸入端及RS485 輸出端都有抗干擾防雷擊電路。

如圖3 所示，設(shè)A 為基準(zhǔn)點(diǎn)。1，2，…，n 點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，且這些點(diǎn)均放置截面積相同的缽體，每個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于A 點(diǎn)的高差h1，h2，…h(huán)n 可由下式確定:

YA，Y1，……，Yn 為A 點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)1，測(cè)點(diǎn)2……測(cè)點(diǎn)n 的液面變化量。

圖3 系統(tǒng)原理圖

2.6 電路原理框圖

本系統(tǒng)可同時(shí)用電測(cè)法和目視法量測(cè)液面變化量Y，規(guī)定當(dāng)液面上升時(shí)電測(cè)和目測(cè)數(shù)值增大。電測(cè)法是借助于固定在浮子上的位移換能器輸出一個(gè)數(shù)字電信號(hào)，數(shù)字信號(hào)輸出可進(jìn)入各種傳輸網(wǎng)絡(luò)，以隨時(shí)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的形變。目測(cè)法是通過(guò)專用的光學(xué)系統(tǒng)及測(cè)微機(jī)構(gòu)組成的目視測(cè)微器，定期進(jìn)行目視讀數(shù)觀測(cè)。在特殊情況下如檢修電子遙測(cè)系統(tǒng)時(shí)，也能保證觀測(cè)資料的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

圖4 電路原理圖

3 系統(tǒng)標(biāo)定

當(dāng)儀器安裝完畢后，需進(jìn)行標(biāo)定以檢查儀器是否處于正常工作狀態(tài)。

裝有JSY-ID 型數(shù)字遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀的閉合環(huán)路配有一個(gè)標(biāo)定器(如圖1 所示)，標(biāo)定器借助標(biāo)定水槽的上下移動(dòng)，改變JSY 儀器所盛水的體積以達(dá)到人為改變各測(cè)點(diǎn)缽體中液面上升下降的變化，標(biāo)定器精度:≤0.05 mm。標(biāo)定器的度盤轉(zhuǎn)一圈，標(biāo)定器上的水糟垂直位移1 mm，由于標(biāo)定器的水槽與各主體缽體是統(tǒng)一制品，則對(duì)于m 個(gè)標(biāo)定、n 個(gè)缽體內(nèi)液面高度的變化ΔH 水可以如下計(jì)算公式確定:

式中:ΔH水為標(biāo)定棒移動(dòng)量，r棒為標(biāo)定棒半徑，r 為缽體半徑(均等)，r標(biāo)為標(biāo)定筒半徑，單位為mm。r、r棒、r標(biāo)在儀器出廠時(shí)給出實(shí)測(cè)值。ΔH水是預(yù)先給出。

每個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位變化通過(guò)傳感器反應(yīng)給換能器，通過(guò)換能器485 數(shù)字輸出，大范圍地改變每個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位，得出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位差值H485輸出，均值ΔH均值，

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況及結(jié)果分析

JSY-ID 型數(shù)字遙測(cè)靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自安裝調(diào)試后運(yùn)行以來(lái)，未出現(xiàn)硬件故障，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。且采用閉合回路環(huán)線后，觀測(cè)結(jié)果更為接近理論值，誤差更小，系統(tǒng)可靠性更高。表1 為JSY-ID 型數(shù)字遙測(cè)靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在一個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)的觀測(cè)值。

表1 系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)值表

系統(tǒng)觀測(cè)一個(gè)初始讀數(shù)后，標(biāo)定一次使液面下降40 mm，待液面穩(wěn)定后觀測(cè)二次讀數(shù)。然后再標(biāo)定一次使液面上升同樣的高度，穩(wěn)定后觀測(cè)三次讀數(shù)。由表1 可看出，經(jīng)過(guò)兩次標(biāo)定后，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的液面高度基本都能回到初始讀數(shù)的高度。且兩次標(biāo)定讀數(shù)的差值相差很小，系統(tǒng)重復(fù)性較好，所得差值的均值代入計(jì)算公式得到的系統(tǒng)K 值也非常接近理論值。

5 結(jié)論

從JSY 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在三峽升船機(jī)工程中的使用效果來(lái)看，其測(cè)量結(jié)果能滿足要求。閉合回路環(huán)線減小了觀測(cè)誤差，提高了觀測(cè)精度。整個(gè)測(cè)量過(guò)程無(wú)漂移現(xiàn)象，儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，可靠性高。

［1］歐同庚，趙義飛，李農(nóng)發(fā)，等.JSY-ID 型數(shù)字靜力水準(zhǔn)遙測(cè)儀性能測(cè)試及標(biāo)定方法研究［M］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2013，33(S22):88－90.

［2］陳容，張永興，許德明，等.靜力水準(zhǔn)儀在碧口水電站的應(yīng)用［J］.西北水電，2011(1):17－20.