夏 明， 李 杰， 鄭水華

(南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

滲流監(jiān)測(cè)是壩體安全監(jiān)測(cè)的重要項(xiàng)目之一，獲得準(zhǔn)確的滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是對(duì)大壩安全評(píng)估及分析的前提。配套的主要監(jiān)測(cè)傳感器即為滲壓計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上可供滲流監(jiān)測(cè)的滲壓計(jì)主要有振弦式、差動(dòng)電阻式、陶瓷電容式、電感式、氣動(dòng)式、壓阻式等[1]。而振弦式滲壓計(jì)因其結(jié)構(gòu)小巧，抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)傳、靈敏度高等原因[2]成為首選。此外，振弦式滲壓計(jì)也常用于庫(kù)區(qū)或河流水位監(jiān)測(cè)，以作為庫(kù)區(qū)或河流水位調(diào)節(jié)及監(jiān)控的依據(jù)。

與其他類型的振弦式傳感器相比，振弦式滲壓計(jì)具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且鋼弦初始時(shí)即處于最大張緊狀態(tài)，其測(cè)值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性影響因素也較多，所以成為振弦式儀器的研究難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)自產(chǎn)振弦式滲壓計(jì)與進(jìn)口產(chǎn)品相比，在測(cè)值準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性上仍存在不小的差距，進(jìn)口振弦式滲壓計(jì)仍然是國(guó)內(nèi)滲流安全監(jiān)測(cè)的首選。從國(guó)內(nèi)外的研究成果來看[3～6]，影響振弦式滲壓計(jì)測(cè)值準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的主要原因有關(guān)鍵零部件材料的選擇、鋼弦本身的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、鋼弦固定技術(shù)、敏感部件封裝工藝及溫度影響等。其中，溫度影響是振弦式滲壓計(jì)測(cè)值準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的主要原因。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[7]，振弦式滲壓計(jì)的溫度影響在正常大氣壓條件下，在0～40 ℃范圍內(nèi)，溫度影響應(yīng)不大于±0.04 %FS/℃。目前降低溫度影響的通用方法是進(jìn)行溫度系數(shù)補(bǔ)償，但溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確度也會(huì)受到溫度測(cè)量精度，溫度變化量的影響。盡可能地減少溫度影響系數(shù)，才能最大程度的避免因溫度變化而帶來的測(cè)值誤差，也是提高滲流測(cè)值準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。

本文通過對(duì)振弦式滲壓計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行深入分析，系統(tǒng)總結(jié)了振弦式滲壓計(jì)溫度影響的關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的解決方案，并應(yīng)用到振弦式滲壓計(jì)的改進(jìn)上，有效地解決了因溫度變化而對(duì)振弦式滲壓計(jì)測(cè)值準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性所造成的影響。

1 振弦式滲壓計(jì)工作原理

如圖1所示為振弦式滲壓計(jì)工作原理示意。其主要由感應(yīng)膜片，中間主體，激振線圈，上部端頭，鋼弦組成。鋼弦位于上述零部件組成的密閉腔體內(nèi)，并張拉于感應(yīng)膜片及上部端頭之間。在實(shí)際測(cè)量中，因滲流而產(chǎn)生的孔隙水壓直接作用在感應(yīng)膜片上，感應(yīng)膜片受到水壓力作用而產(chǎn)生撓曲變形從而引起內(nèi)部鋼弦自振頻率發(fā)生變化，經(jīng)量測(cè)儀表通過激振線圈對(duì)鋼弦激振并接收諧振頻率信號(hào)，最后經(jīng)換算便可得到作用在感應(yīng)膜片上的孔隙水壓力值[3，7]。

圖1 振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)原理

鋼弦自振頻率與鋼弦所受應(yīng)力關(guān)系式為

(1)

式中f為鋼弦自振頻率，L為鋼弦長(zhǎng)度，ρ為鋼弦密度，σ為鋼弦所受的應(yīng)力。從式中可以看出鋼弦的自振頻率僅為鋼弦自身參數(shù)所決定，而鋼弦的長(zhǎng)度及密度相對(duì)固定不變，鋼弦的自振頻率僅與鋼弦所受到的應(yīng)力有關(guān)。因此，只要能盡量減少外界溫度的變化對(duì)鋼弦所受到的應(yīng)力影響，即可保證鋼弦測(cè)值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 滲壓計(jì)溫度影響主要因素

滲壓計(jì)溫度影響因素較多，其最終測(cè)值是各方面因素綜合作用的結(jié)果，但是其主要影響因素可歸納為三個(gè)方面。

2.1 材料線脹系數(shù)

材料線脹系數(shù)是指當(dāng)溫度改變1 ℃時(shí)，其長(zhǎng)度變化量與其在0 ℃時(shí)長(zhǎng)度的比值。不同的金屬會(huì)有不同的線脹系數(shù)，且線脹系數(shù)并非一直保持不變，但在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，變化相對(duì)較小，如0～100 ℃范圍內(nèi)等。如圖1所示，因鋼弦張拉于弦芯密閉腔體內(nèi)部，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，鋼弦及外部腔體均會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)度變化，若外部累積長(zhǎng)度變化與鋼弦自身的長(zhǎng)度變化無法抵消時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在外部壓力不變的條件下，鋼弦所受到的應(yīng)力發(fā)生變化，從而改變鋼弦的自振頻率，導(dǎo)致實(shí)際壓力測(cè)量出現(xiàn)偏差，測(cè)值準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性變差。

假設(shè)外部腔體與鋼弦出現(xiàn)的長(zhǎng)度變化無法抵消，差值為L(zhǎng)Δ，由式(1)可進(jìn)一步推導(dǎo)

(2)

(3)

可以得出，因線脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的鋼弦長(zhǎng)度變化量越大，滲壓計(jì)實(shí)際測(cè)值與準(zhǔn)確值之間的差值就越大，滲壓計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度就越低。

2.2 敏感部件的工藝處理

敏感部件的工藝處理會(huì)對(duì)滲壓計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及測(cè)值的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要影響。如圖1所示，如果感應(yīng)膜片、中間主體及上部端頭存在長(zhǎng)期徐變，會(huì)改變鋼弦的受力，一方面會(huì)改變鋼弦的初始自振頻率，測(cè)值產(chǎn)生漂移；另一方面，加劇了因溫度變化對(duì)鋼弦應(yīng)力和自振頻率變化的影響，導(dǎo)致測(cè)值準(zhǔn)確度進(jìn)一步降低。因此，保證滲壓計(jì)敏感部件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性對(duì)降低滲壓計(jì)溫度影響，提升滲壓計(jì)測(cè)值穩(wěn)定性較為重要。

2.3 弦式滲壓計(jì)靈敏度

從理論上講，弦式儀器的靈敏度越高，越能反映出實(shí)際測(cè)量的壓力變化，得到較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。但靈敏度過高在相同的溫度變化下，鋼弦自振頻率的變化量增大，儀器測(cè)值穩(wěn)定性變差，因此，振弦式滲壓計(jì)靈敏度并非越大越好。為保持批量化生產(chǎn)的滲壓計(jì)具有相近的溫度影響系數(shù)，也需要確保滲壓計(jì)具有相近的滿量程輸出，即相近的靈敏度。

3 滲壓計(jì)溫度影響解決方案

3.1 對(duì)滲壓計(jì)關(guān)鍵部件進(jìn)行線脹匹配

所謂線脹匹配是指通過長(zhǎng)度匹配計(jì)算，確保溫度變化時(shí)，鋼弦自身應(yīng)變量與外部應(yīng)變量一致，從而保持鋼弦自振頻率不變。滲壓計(jì)敏感部件會(huì)采用一種或幾種材質(zhì)與鋼弦的長(zhǎng)度進(jìn)行線脹匹配。如圖2所示，為三種材料與鋼弦之間的線脹匹配結(jié)構(gòu)。

圖2 線脹系數(shù)匹配示意

假設(shè)鋼弦線脹系數(shù)為α0，鋼弦長(zhǎng)度為l0，材料1的線脹系數(shù)為α1，長(zhǎng)度為l1，材料2的線脹系數(shù)為α2，長(zhǎng)度為l2，材料3的線脹系數(shù)為α3，長(zhǎng)度為l3，則滿足線脹匹配條件

l0α0=l1α1+l2α2+l3α3,l0=l1+l1+l2+l3

(4)

可知，當(dāng)溫度變化1 ℃，鋼弦線脹變化量與組成外部殼體的材料1，材料2和材料3的線脹變化量矢量和相等時(shí)，則鋼弦自振頻率不受材料線脹系數(shù)的影響。一般，組成外部殼體的材料種類越多，越難進(jìn)行線脹匹配。因此，應(yīng)盡量減少外部殼體的材料種類，甚至可采用一種材質(zhì)實(shí)現(xiàn)。

3.2 嚴(yán)格的敏感部件工藝處理

對(duì)敏感部件的加工工藝嚴(yán)格控制也是降低滲壓計(jì)溫度影響及提升其測(cè)值穩(wěn)定性的主要方面。如由上述材料線脹系數(shù)匹配所得到的各部件的加工尺寸，盡量做到較小的加工誤差，避免累積誤差對(duì)線脹系數(shù)補(bǔ)償?shù)男Ч?。此外，關(guān)鍵零部件的穩(wěn)定化處理也很重要，減少核心零部件徐變的可能。

3.3 控制初始測(cè)值及靈敏度偏差

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滲壓計(jì)靈敏度有基本要求[7]，需要根據(jù)自身采用的鋼弦材料進(jìn)行匹配，制定適合自身產(chǎn)品的靈敏度，既要高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)也不會(huì)帶來較大的溫度影響。為保證滲壓計(jì)具有相近的滿量程輸出，須嚴(yán)格控制感應(yīng)膜片的精度，確保膜片具有相近的變形量，需要對(duì)批量生產(chǎn)的一致性提出更高的要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果

將上述技術(shù)改進(jìn)應(yīng)用到振弦式滲壓計(jì)的設(shè)計(jì)及試制中，如圖3所示為測(cè)試的5種常用量程的滲壓計(jì)溫度影響。從圖中可以看出，經(jīng)過改進(jìn)后的不同量程的滲壓計(jì)溫度影響占滿量程的比值均在±0.04 %FS/℃范圍之內(nèi)，且明顯優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]中對(duì)滲壓計(jì)溫度影響的要求(小于等于±0.04 %FS/℃)。

圖3 改進(jìn)后的振弦式滲壓計(jì)0～40 ℃范圍溫度影響

在滿量程范圍內(nèi)的不同標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)試點(diǎn)，改變環(huán)境溫度，可得到不同溫度下經(jīng)溫度補(bǔ)償后的滲壓計(jì)測(cè)值。如圖4所示，以3只量程為500 kPa的滲壓計(jì)分別在100，200，300，400 kPa標(biāo)準(zhǔn)壓力下的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，在不同標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)試點(diǎn)，溫度在0～40 ℃范圍內(nèi)測(cè)值，經(jīng)補(bǔ)償后準(zhǔn)確度較高，偏差控制在±0.1 %FS(±0.5 kPa)范圍之內(nèi)，完全滿足滲壓計(jì)性能參數(shù)的要求，明顯改善了因溫度變化而對(duì)測(cè)值帶來的負(fù)面影響，提升了其測(cè)值準(zhǔn)確性。

圖4 經(jīng)改進(jìn)后的振弦式滲壓計(jì)(量程500 kPa)0～40 ℃范圍內(nèi) 不同標(biāo)準(zhǔn)壓力點(diǎn)的測(cè)值對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)后振弦式滲壓計(jì)應(yīng)用效果，將改進(jìn)后滲壓計(jì)應(yīng)用到諸如溧陽(yáng)抽蓄、劉家峽水電站、南水北調(diào)等工程中，得到了大量長(zhǎng)期測(cè)值及人工測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。因篇幅有限，取其中一組數(shù)據(jù)為例分析，如圖5所示。從圖5(a)中不難看出，在近一年的測(cè)值過程中，經(jīng)過改進(jìn)后的振弦式滲壓計(jì)測(cè)值與人工讀數(shù)較為接近，圖5(b)中水位偏差計(jì)算結(jié)果顯示均在±0.1 m范圍之內(nèi)，占滿量程輸出(1 000 kPa)的比值小于0.1 %，具有較高的實(shí)際應(yīng)用測(cè)量精度。圖5(c)為取密集觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的過程曲線，改進(jìn)的滲壓計(jì)測(cè)值與人工測(cè)值在一年中的變化趨勢(shì)基本相同，即改進(jìn)后的振弦式滲壓計(jì)所測(cè)水位符合實(shí)際水位變化趨勢(shì)，說明改進(jìn)后的滲壓計(jì)具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖5 改進(jìn)后滲壓計(jì)應(yīng)用性能測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

1)外部材質(zhì)與鋼弦線脹系數(shù)匹配：合理選材，消除了則因熱脹冷縮變形不一致而導(dǎo)致的鋼弦應(yīng)力變化對(duì)測(cè)值的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度的影響；

2)合理制定工藝處理：通過控制加工累積誤差、制定

嚴(yán)格的穩(wěn)定化處理工藝，減少結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期徐變帶來的測(cè)值漂移影響；

3)確定合適的傳感器靈敏度，提升初值一致性：保證滲壓計(jì)具有較低的且接近的溫度影響效果及得到較高的測(cè)值穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度；

4)上述影響因素對(duì)滲壓計(jì)測(cè)值穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度的影響是相互疊加，綜合作用的結(jié)果，需要統(tǒng)一解決才能達(dá)到降低溫度影響的理想效果。