灌漿記錄儀校驗方法研究

姚振和，陶亦壽，高鳴安，王金發(fā)，羅 熠

(長江科學(xué)院a.儀器與自動化研究所;b.科研計劃處，武漢 430010)

1 研究背景

灌漿記錄儀是實時監(jiān)測和記錄灌漿工程施工進(jìn)程中的漿液壓力、流量和密度等參數(shù)的工程監(jiān)測儀器。灌漿工程屬隱蔽施工工程，工程質(zhì)量依賴于嚴(yán)格的施工過程控制。灌漿記錄儀是灌漿工程各方有效實施施工過程控制的重要手段，也是后期正確分析施工效果所需資料的可靠來源，對工程質(zhì)量控制意義重大，已廣泛應(yīng)用于我國水利水電建設(shè)工程。

在發(fā)達(dá)國家，灌漿記錄儀的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代。80年代中期以后我國開始研制灌漿記錄儀，并逐步應(yīng)用于工程實際。1994年國家水利部和電力工業(yè)部共同發(fā)布的SL62—94《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》首次對灌漿記錄儀的應(yīng)用作出規(guī)定，要求“灌漿工程宜使用測記灌漿壓力、注入率等施工參數(shù)的自動記錄儀?！?001年該標(biāo)準(zhǔn)修訂版又進(jìn)一步規(guī)定了“重要工程的帷幕灌漿和高壓固結(jié)灌漿，應(yīng)使用灌漿自動記錄儀?！保?］自此，我國灌漿記錄儀應(yīng)用進(jìn)入了一個新的時期。

灌漿記錄儀是整合應(yīng)用計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，以及液體流量、壓力和密度等物理量量測技術(shù)而開發(fā)的一種工程檢測儀器，具有一般電子測量儀器的共性，同時作為灌漿工程專用儀器又有其專業(yè)屬性。2010年國家能源局發(fā)布的《灌漿記錄儀技術(shù)導(dǎo)則》統(tǒng)一了灌漿記錄儀的技術(shù)性能和安裝使用的基本要求［2］。由于該儀器目前尚未納入國家法定的計量監(jiān)督管理范疇，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗和計量特性評定缺乏相應(yīng)的可資遵循的校驗方法，致使該儀器在生產(chǎn)、流通和使用等環(huán)節(jié)都出現(xiàn)一定程度的混亂局面，影響儀器的應(yīng)用效果。因此，研究制定一套合理、實用和操作性強的灌漿記錄儀校驗標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前一項重要而緊迫的工作。

2 儀器組成及功能簡介

灌漿記錄儀主要由主機和傳感裝置兩大部分組成。主機為一套數(shù)據(jù)采集處理裝置，一般采用以單片機為核心的微處理系統(tǒng)，集成必要的外設(shè)組件及信號輸入接口構(gòu)成專用主機，也有采用便攜計算機或PC機，配以接口電路及外圍設(shè)備構(gòu)成主機系統(tǒng)。傳感裝置一般包括流量計、壓力計、密度計等。其中流量計目前各廠家基本都采用電磁流量計形式;壓力計一般以壓力傳感器為敏感元件，再配以隔離保護(hù)構(gòu)件和信號調(diào)理電路等部分構(gòu)成，也有廠家直接選配壓力變送器產(chǎn)品;密度計目前大多采用測量定高液位下漿液壓力，再換算為漿液密度的原理而制作，也有廠家選用核子密度計產(chǎn)品或其他密度檢測形式。

灌漿記錄儀的主要功能包括:對灌漿過程參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理;實時顯示和打印灌漿進(jìn)程參數(shù);灌漿結(jié)束時自動計算并打印注入水泥總量、漿液總量、單耗水泥量等結(jié)果數(shù)據(jù)，并打印灌漿過程曲線;壓水試驗中，記錄注水壓力、流量，計算和打印呂容值等。

3 校驗內(nèi)容及原則

3.1 “校驗”的涵義

目前，JJF1001—1998《通用計量術(shù)語及定義》中涉及儀器計量特性評定的術(shù)語為“檢定”和“校準(zhǔn)”，未給出“校驗”的定義，但由于檢定和校準(zhǔn)有一定局限性，因此在他們之外，校驗一詞實際上已被廣泛應(yīng)用。根據(jù)校驗在已有標(biāo)準(zhǔn)中的用法，其涵義與檢定和校準(zhǔn)既有一定聯(lián)系又有明顯區(qū)別，它不具有法制性，這一點與校準(zhǔn)相同，它在技術(shù)操作內(nèi)容上又與檢定有共性，一般可進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以對其它有關(guān)性能進(jìn)行規(guī)定的檢驗，并最終給出合格性的結(jié)論。

一般來說，校驗主要用于無檢定規(guī)程場合的新產(chǎn)品、專用計量器具，或準(zhǔn)確度相對要求較低的計量檢測儀器。此外，某些新產(chǎn)品或?qū)Ｓ糜嬃績x器雖然已有相應(yīng)的檢定規(guī)程，但不需或不可能完全滿足規(guī)程要求，但能滿足使用要求的場合［3］。

因此，在目前狀況下，采用“校驗”這一術(shù)語來表示對灌漿記錄儀技術(shù)性能檢驗及計量特性評定是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

3.2 校驗內(nèi)容

灌漿記錄儀是由主機和傳感裝置等部分組合而成的一套測量儀器，而構(gòu)成整機的各部分其本身也是一個相對獨立的電子裝置，所以儀器校驗內(nèi)容應(yīng)分為對各組成部分的單獨校驗和整機校驗兩個層次。

此外校驗工作還包括儀器技術(shù)性能檢驗和計量特性(精度)評定兩方面內(nèi)容，前者主要是對其基本要件和功能的檢查和驗證，后者是就計量特性相關(guān)項目進(jìn)行定量測量和分析。

技術(shù)性能檢驗項目可按一般電測儀器及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選定。如:整機及各部分證書及隨機文件檢查、外觀檢查、操作件及顯示功能檢查、漂移及絕緣等電特性或安全性檢測等。

計量特性評定的原則和方法參照J(rèn)JF1094—2002《測量儀器特性評定》相關(guān)條文規(guī)定并適度從簡執(zhí)行，可選擇示值誤差(或相對示值誤差)和重復(fù)性兩項作為基本評定指標(biāo)［4］。

示值誤差反映測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用比較法評定，即經(jīng)多次重復(fù)測量取得待測裝置的測量數(shù)據(jù)，同時運用可提供標(biāo)準(zhǔn)值(約定真值)的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行同步測量而取得相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，以兩者差值作為測量示值誤差。

重復(fù)性反映儀器測量結(jié)果的一致性，用相同條件下一組連續(xù)測量數(shù)據(jù)的實驗標(biāo)準(zhǔn)差作為重復(fù)性測量結(jié)果。

3.3 校驗原則

灌漿記錄儀主機(包括硬、軟件)一般是由廠家自主研發(fā)生產(chǎn)的，具有較好安全防護(hù)的整體結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)場一般安置在專用工作臺上，其工作方式除A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)外，其他部分主要是對數(shù)字信號的加工處理，原理上因元器件參數(shù)偏移而形成測量誤差的可能性較小。

流量計、壓力計、密度計等傳感裝置，其工作特點是將流量、壓力等物理量俘獲并轉(zhuǎn)換為電流或電壓等電信號輸出，其檢測精度依賴于器件質(zhì)量和參數(shù)精確調(diào)校，易受外界因素影響而發(fā)生變化，因此在使用前和使用中須按規(guī)定周期進(jìn)行檢查或率定，以保證其正常工作。傳感裝置多為直接外購產(chǎn)品或在外購傳感器基礎(chǔ)上添加輔助部分構(gòu)成，外購產(chǎn)品一般應(yīng)附有出廠合格證和檢定證書。

灌漿記錄儀是應(yīng)用于施工現(xiàn)場的儀器，相對于主機自身特點和具有較好的防護(hù)條件而言，傳感裝置部分直接安裝于灌漿管路系統(tǒng)，工作環(huán)境更為惡劣，因而傳感裝置在使用中發(fā)生損壞或失準(zhǔn)的幾率要遠(yuǎn)高于主機。

基于以上分析，擬規(guī)定灌漿記錄儀校驗原則如下:

(1)主機精度合格標(biāo)準(zhǔn)按高于各傳感裝置2倍以上確定。傳感裝置的精度指標(biāo)宜按適用性、經(jīng)濟性等原則合理選定。

(2)主機校驗采用標(biāo)準(zhǔn)信號源提供輸入信號，將主機輸出結(jié)果和輸入標(biāo)準(zhǔn)信號作為評定主機計量特性的基本數(shù)據(jù)。

(3)傳感裝置采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行同步比測的方法校驗，采用經(jīng)校驗合格的主機作為傳感裝置的輸出設(shè)備。也可根據(jù)校驗機構(gòu)的情況，運用專門的校驗裝置來處理校驗結(jié)果。

(4)由合格主機和傳感裝置組合而成的整機視為合格整機，合格整機的校驗證書以各分部校驗記錄為基礎(chǔ)填制。

(5)校驗周期為每年至少應(yīng)校驗1次。維修后的主機或傳感裝置應(yīng)重新進(jìn)行校驗。

4 校驗方法

4.1 主機校驗

主機為專用數(shù)據(jù)采集處理器，其校驗方法是將標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生的電流信號分別調(diào)至各校驗點規(guī)定量值后接入各參數(shù)輸入接口，讀取主機相應(yīng)參數(shù)的輸出示值并將其處理為該通道折算輸出信號值。將輸入信號標(biāo)準(zhǔn)值與折算輸出信號值分別代入式(1)和(2)，即可求得主機的相對示值誤差和測量結(jié)果的重復(fù)性。

計算公式如下:

(1)相對示值誤差

式中:δ為相對示值誤差;x為被校驗儀器的示值;xs為標(biāo)準(zhǔn)器復(fù)現(xiàn)的量值。

(2)測量結(jié)果的重復(fù)性

式中:s為測量結(jié)果的重復(fù)性;n為測量次數(shù);xi為第i次觀測值，i=1，2，3，…，n;為n次觀測值的算術(shù)平均值。

主機校驗原理圖見圖1。

圖1 主機校驗示意圖Fig.1 Schematic of the calibration of logger host

4.2 流量計校驗

流量計一般為通用電磁流量計(模擬量輸出)。采用“靜態(tài)質(zhì)量法”校驗。校驗介質(zhì)采用清水。校驗裝置一般包括:水循環(huán)系統(tǒng)(水箱、泵、管路、閥門等)、換向器、容器、標(biāo)準(zhǔn)電子秤和計時器(主機內(nèi)置)等部分，其中換向器是一個可快速切換水出流方向的裝置。校驗方法是將待檢流量計串接入管路中，啟動水循環(huán)系統(tǒng)并調(diào)整至穩(wěn)定的校驗點流量，控制換向閥向容器注水一定時段并計時，停止注水后，從主機顯示屏讀取該時段流量計測量累計流量。同時從標(biāo)準(zhǔn)電子秤讀取注入容器水的重量/質(zhì)量，經(jīng)換算得出該時段標(biāo)準(zhǔn)累計流量。累計流量除以計時器記錄的時長，得出平均流量。將測量輸出平均流量和標(biāo)準(zhǔn)平均流量代入式(1)和式(2)，即可求出流量計的相對示值誤差和測量結(jié)果的重復(fù)性。

流量計校驗原理見圖2。

圖2 流量計校驗示意圖Fig.2 Schematic of the calibration of flowmeter

4.3 壓力計校驗

壓力計主要由壓力傳感器和隔離裝置構(gòu)成。校驗方法是將待檢壓力計經(jīng)傳壓管路與壓力發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)壓力計連通，同時將壓力計輸出信號端接入主機，操作壓力發(fā)生器，改變管路壓力，使之逐一達(dá)到各壓力校驗點，從主機讀取壓力計測量輸出值。將壓力計測量輸出值和標(biāo)準(zhǔn)壓力計指示值代入式(1)和式(2)，即可求得壓力計的相對示值誤差和測量結(jié)果的重復(fù)性。

壓力計校驗原理見圖3。

圖3 壓力計校驗示意圖Fig.3 Schematic of the calibration of pressure sensor

4.4 密度計校驗

密度計的一般校驗方法為取樣比測法，首先按待校密度范圍配制出符合校驗點密度的介質(zhì)(水泥漿液或其他替代液態(tài)介質(zhì))，將密度計接入校驗介質(zhì)循環(huán)管路過流，將密度計信號輸出端接入主機，主機顯示密度值即為密度計測量輸出值。用標(biāo)準(zhǔn)泥漿比重/密度秤從校驗介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)取樣測量獲得校驗介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)密度值。將測量值和標(biāo)準(zhǔn)值代入式(1)和式(2)，即可求得密度計的相對示值誤差和測量結(jié)果的重復(fù)性。

密度計校驗原理見圖4。

圖4 密度計校驗示意圖Fig.4 Schematic of the calibration of density meter

目前灌漿工程上采用得較多的密度計形式為差壓式密度計，該密度計利用在固定液位差下漿液密度與流體壓力間的關(guān)系，通過測壓方式換算得出漿液密度。這類密度計可參照壓力計校驗方法進(jìn)行間接校驗。

4.5 測量數(shù)據(jù)處理

為使灌漿記錄儀計量特性的評定方式簡明、實用，在參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上，對評定項目和操作流程進(jìn)行合理取舍:①評定項目選擇相對誤差和重復(fù)性，兩個項目從同一組測量數(shù)據(jù)計算得出，無需進(jìn)行額外的測量操作，不增加校驗工作量;②將校驗點數(shù)和校驗點樣本控制在較小規(guī)模，校驗點一般按全量程選取3～5個，每個校驗點重復(fù)測量次數(shù)一般取3～5次即可。數(shù)據(jù)處理計算公式見式(1)、式(2)。

5 結(jié)語

灌漿記錄儀在我國已有近20年應(yīng)用歷史，在水利水電工程基礎(chǔ)灌漿處理中已全面普及應(yīng)用，對提高我國灌漿工程施工管理水平、控制施工質(zhì)量和完善工程計量方面起到了良好作用。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展和新一輪水利水電建設(shè)高潮的到來，灌漿記錄儀產(chǎn)品生產(chǎn)和技術(shù)創(chuàng)新也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭。目前，國內(nèi)灌漿記錄儀生產(chǎn)廠家已從最初的兩三家發(fā)展為數(shù)十家，由于缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品計量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，加上各廠家在基礎(chǔ)條件及技術(shù)能力上存在差距，導(dǎo)致產(chǎn)品功能和質(zhì)量良莠不齊，因而難以杜絕劣質(zhì)產(chǎn)品流入工程使用，給工程施工質(zhì)量帶來隱患，同時也在一定程度上制約了行業(yè)的健康發(fā)展。

灌漿記錄儀市場快速發(fā)展與產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管相對滯后的矛盾日益突出，這一狀況已引起有關(guān)主管部門的關(guān)注和重視。本文在開展相關(guān)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上就灌漿記錄儀校驗內(nèi)容、原則和方法提出初步思路，可作為進(jìn)一步研究和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，供有關(guān)部門參考。

［1］DL/T 5148—2001，水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2001.(DL/T5148—2001，Technical Specification for Cement Grouting Construction of Hydraulic Structures［S］.Beijing:China E-lectric Power Press，2001.(in Chinese))

［2］DL/T 5237—2010，灌漿記錄儀技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國電力出版社，2010.(DL/T 5237—2010，Technical Guide for Grouting Recorder［S］.Beijing:China Electric Power Press，2010.(in Chinese))

［3］張志忠.淺談檢定、校準(zhǔn)與校驗［J］.中國計量，1999，(1):47 －48.(ZHANG Zhi-zhong.Testing，Calibration and Verification［J］.China Metrology，1999，(1):47 －48.(in Chinese))

［4］JJF1094—2002，測量儀器特性評定［S］.北京:中國計量出版社，2002.(JJF1094—2002，Evaluation of the Characteristics of Measuring Instruments［S］.Beijing:China Metrology Press，2002.(in Chinese))