基于空氣、冰和水電阻特性差異進(jìn)行河冰冰厚檢測方法的研究

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 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)行帶來影響。近年來，由于全球氣溫升高，極地冰川消融已成為影響人類生存環(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)計都需要了解河道冰生消變化過程的基本規(guī)律。實(shí)時檢測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程基本規(guī)律的一項直觀而重要的水文參數(shù)指標(biāo)。從檢測方法上區(qū)分，對河道冰層厚度的檢測方法大致可分為兩類：物理檢測方法和冰數(shù)學(xué)模型檢測方法；依據(jù)檢測方式的不同，又可將物理檢測方法分為接觸式和非接觸式。常見的接觸式測量如人工鉆孔和熱電阻絲檢測法最為可靠，但其自動化程度低、勞動強(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、雷達(dá)檢測等非接觸式測量方法可實(shí)現(xiàn)對大面積范圍冰厚進(jìn)行檢測，缺點(diǎn)是精度低，造價高［4-5］［6］。而利用冰模型進(jìn)行冰厚預(yù)測的方法需依據(jù)歷史水文資料建立模型計算得出，并受到實(shí)時的水文、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］。分析上述冰情檢測方法，都存在一個共同的缺點(diǎn)：無法對冰層內(nèi)部的生消變化過程實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動化監(jiān)測。

太原理工大學(xué)冰情檢測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系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冰層內(nèi)部物理狀態(tài)的連續(xù)自動化檢測，并在國內(nèi)水利水電工程及南極科考的冰情檢測中獲得應(yīng)用。本文介紹了該傳感器的檢測原理及檢測系統(tǒng)組成，并針對實(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)冰檢測理論中把冰作為絕緣體處理)［8］。依據(jù)這一特性，將兩個具有一定間距的金屬觸點(diǎn)插入水（或冰)中，可以通過如圖1所示的電阻分壓原理檢測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)間被測介質(zhì)空氣、冰或水的等效電阻值，其數(shù)值可通過下面的串聯(lián)電阻分壓公式計算得出。

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，在檢測過程中，可通過檢測獲取的V0數(shù)值與實(shí)驗(yàn)室不同介質(zhì)等效電阻值對比，判斷出兩觸點(diǎn)間為何種介質(zhì)。依據(jù)這一原理，在對河道冰生、消變化檢測過程中，將檢測范圍內(nèi)的垂直立體空間劃分為空氣、冰和冰下水三個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原理圖

如圖2所示，將被測空間垂直切割成N個水平的物理參數(shù)檢測層回路，依次對被測層介質(zhì)的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行自動測量，由獲得的檢測數(shù)據(jù)確定被測層的物理屬性，進(jìn)而判斷出冰層的上下分界面，計算出冰層厚度的數(shù)值，這就是基于空氣、冰與水的電阻特性差異實(shí)現(xiàn)冰層厚度檢測的基本原理。由于在檢測過程中，可以同時獲取各垂直分層檢測點(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，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)行冰情檢測時，出現(xiàn)無法依據(jù)預(yù)知的冰物理狀態(tài)理論閾值去指導(dǎo)冰檢測設(shè)備硬件的設(shè)計和編寫被測介質(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原理的RT冰層厚度傳感器對室溫～-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原理研制的實(shí)驗(yàn)室專用R-T冰層厚度傳感器長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個溫度檢測點(diǎn)，每兩個溫度檢測點(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CPLD程序控制分時選通接入圖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，可計算出冰層厚度［10］。

用傳感器對室溫～-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2個月，受試驗(yàn)容器空間所限，選擇傳感器低端20個觸點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，其中，露出水面的觸點(diǎn)為9個，水面下觸點(diǎn)為11個。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℃的降溫過程中，采用分壓電阻值分別為10MΩ、20MΩ、40MΩ時的傳感器進(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)過多次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)分壓電阻取值為40MΩ時，空氣、冰和水的電阻差異最明顯。表1為結(jié)冰過程中，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觸點(diǎn)，縱坐標(biāo)為各檢測介質(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)層檢測電壓值變化曲線

對圖3和圖4曲線分析可知，水結(jié)冰過程中，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中的應(yīng)用

采用前述冰層厚度傳感器及其檢測系統(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、存儲和遠(yuǎn)傳試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)中，智能冰情檢測儀主要用于對R-T冰層厚度傳感器采集到的電壓檢測信號及溫度檢測信號進(jìn)行分析處理，完成電壓值、溫度值及冰層厚度的分析計算、存儲和顯示等功能；檢測儀通過標(biāo)準(zhǔn)RS232接口外接GPRS Modem，并通過GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)及Internet網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控管理中心PC機(jī)上。同時，也可以通過監(jiān)控中心隨時調(diào)取現(xiàn)場即時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可通過發(fā)送命令修改上傳數(shù)據(jù)時間，GPRS Modem上電時間等。

試驗(yàn)電路中：分壓電阻值選定為20MΩ，采集間隔時間為20min。當(dāng)環(huán)境溫度高于-30℃時，所測冰厚值與現(xiàn)場人工觀測冰厚值基本一致?，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)段對應(yīng)水流層，0.35～2.5V變化區(qū)間對應(yīng)冰層，0.35V以下對應(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)采集日期時間，歷時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，越來越接近空氣的值，很難區(qū)分出空氣和冰的分界面，無法準(zhǔn)確判斷冰層厚度。針對這種現(xiàn)象，作者提出通過改變電路中固定分壓電阻值解決這一問題的思路。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，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儀在國內(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，空氣和冰的電阻特性差異不太明顯，針對這一問題，筆者通過改變系統(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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