振弦式滲壓計(jì)在水庫水位監(jiān)測中的應(yīng)用初探

鄒源盛

(廣東省水文局石角水文站，廣東 清遠(yuǎn)511545)

1 振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)

振弦式滲壓計(jì)是一種非電量電測的傳感器，這種儀器直徑較小，主要部件均用特殊鋼材制造，適用于各種惡劣環(huán)境使用［1］。標(biāo)準(zhǔn)的透水石是用帶50 μm小孔的燒結(jié)不銹鋼制成。內(nèi)設(shè)溫度傳感器和避雷器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1:

圖1 振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 振弦式滲壓計(jì)工作原理

振弦式由膜片(受力彈性形外殼)、細(xì)鋼弦、調(diào)壓夾緊裝置、激勵(lì)和接收線圈等組成。ó 鋼弦自振頻率與其張力的大小、材料、長度等有關(guān)，但振弦一經(jīng)確定后，振弦的自振頻率就是一個(gè)確定值，震動(dòng)頻率的變化量即對應(yīng)受力的大小。

振弦在等幅連續(xù)震動(dòng)的工作狀態(tài)，符合柔軟無阻尼微振動(dòng)的條件，振弦的振動(dòng)頻率可由下式確定:

式中:f0為初始頻率;L 為鋼弦的有效長度;P 為鋼弦材料密度;σ0為鋼弦上的初始應(yīng)力。

依據(jù)上式，鋼弦的質(zhì)量m、長度L、截面積S、彈性E 可視為常數(shù)，密度p 和初始應(yīng)力ó0就是確定值或可測量值。

因此，鋼弦的應(yīng)力與輸出頻率f0建立了相應(yīng)的關(guān)系:

1)當(dāng)外界滲壓力未施加時(shí)，鋼弦在初始應(yīng)力下作穩(wěn)幅振動(dòng)，輸出初頻f0。

2)當(dāng)施加壓力時(shí)，則膜片發(fā)生相應(yīng)變形，使鋼弦的壓力改變，這時(shí)初頻也隨之變化為f。因此，

只要測得振弦頻率值f，即可得到相應(yīng)被測壓力值。

1.3 振弦式滲壓計(jì)安裝應(yīng)用實(shí)例

振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)和率定，測值穩(wěn)定可靠、具有抗干擾能力強(qiáng)，受電參數(shù)影響小，精度及靈敏度高、溫漂、零漂移量較小，穩(wěn)定性好。

為減小大氣壓對探頭測值的影響采用專用通氣電纜，通過探頭測量自身平衡大氣壓進(jìn)行修正測值。通氣電纜末斷配備有干燥管及相應(yīng)的干燥劑，以免潮濕空氣進(jìn)入探頭內(nèi)部而對測值產(chǎn)生的附加影響來減小測量誤差，適合作為水位監(jiān)測應(yīng)用的一種探頭。率定公式如下:

溫度系數(shù):K=－0.009155Kpa/℃

同時(shí)，張亞凝同學(xué)體會(huì)了編劇這份工作背后的不易，她說道：“一個(gè)看似簡單的故事，要一遍又一遍的推敲，已經(jīng)寫出一大半的劇本被推翻重來也是經(jīng)常的事。”她覺得通過這次職業(yè)體驗(yàn)真正地了解了編劇的工作以及他們的辛苦，學(xué)到了很多。

R0為初始讀數(shù)值:R0=9640

T0為初始溫度值:T0=997.2℃

S0為初始大氣壓值:S0=23.4mbar

測量范圍:(0－170Kpa)

表1 振弦式滲壓計(jì)檢測精度表

由表1 可見檢測精度。

本文分析的BGK－4500ALV－170kPa 振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)，安裝在廣州市白云區(qū)太和梅窿水庫，梅窿水庫位于白云區(qū)太和鎮(zhèn)大源村，建于1956年，是一座小(1)型水庫，庫容240 萬m3，是太和鎮(zhèn)大源村和周邊農(nóng)村農(nóng)業(yè)灌溉唯一的水庫。設(shè)計(jì)當(dāng)初由于沒設(shè)計(jì)建造測量水位專用的自記井，無法安裝遙測常用的機(jī)械格雷碼浮子式水位計(jì)。汛期三防部門無法監(jiān)測大壩實(shí)時(shí)水位。給防汛調(diào)度無法提供水位數(shù)據(jù)決策保障。

為滿足時(shí)監(jiān)測大壩水位的需要采用BGK－4500ALV－170Kpa 振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)，安裝延著大壩斜坡用高強(qiáng)度PVC 管鋪設(shè)，電纜長度約50 m左右。安裝見圖2。

圖2 安裝振弦式低壓通卸型滲壓計(jì)示意圖

圖3 振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)

振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)測量單元為YDZ—DB801 型。安裝前把振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)率定公式的多項(xiàng)式各項(xiàng)參數(shù)輸入DB801 測量單元，并讓DB801 測量單元讀取振弦式滲壓計(jì)置于空氣中振弦式滲壓計(jì)初始頻率保存。由于不同的振弦式滲壓計(jì)具有不同的工作頻率，采用正確的激勵(lì)頻率使振弦式滲壓計(jì)快速起振，減少振弦式滲壓計(jì)起振時(shí)間快速達(dá)到振蕩頻率。振弦式滲壓計(jì)測量時(shí)由YDZ—YL300A 型通用遙測數(shù)傳儀(RTU)給DB801 測量單元加電預(yù)先激勵(lì)，當(dāng)激勵(lì)停止后再測量其水中溫度和自由振蕩頻率，測量時(shí)間為1 ～2 s，測得固定的自由振蕩頻率后，通過用振弦式傳感器率定給出設(shè)置在DB801 測量單元的多項(xiàng)式計(jì)算公式，計(jì)算出相對壓力轉(zhuǎn)換成水深顯示并輸出。

采集輸出的數(shù)據(jù)由YDZ—YL300A 型通用遙測數(shù)傳儀獲取并實(shí)時(shí)傳送到市中心機(jī)房數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理。每日8 時(shí)由人工觀測水尺讀數(shù)和遙測數(shù)傳儀上的讀數(shù)進(jìn)行校測。振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)見圖3。

2 對比分析及分析成果

通過安裝運(yùn)行對該BGK—4500ALV—170kPa 振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)的水位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，以下是摘自梅窿水庫9月1日—10月31日每日8 時(shí)。人工觀測水尺水位和遙測數(shù)據(jù)庫8 時(shí)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。從表2 分析結(jié)果可以看出:

1)遙測水位比人工觀測水尺水位－0.01 m的17 次。

2)遙測水位比人工觀測水尺水位+0.01 m的21 次。

3)遙測水位比人工觀測水尺水位±0.00 m 22 次。

3)遙測水位比人工觀測水尺水位－0.02 m的1 次。

表2 人工觀測水位和遙測數(shù)據(jù)庫水位對比分析表 m

由上表可見人工觀測水尺8 時(shí)水位和BGK－4500ALV－170Kpa 振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)遙測8時(shí)水位十分接近，誤差均在±1 cm。

3 應(yīng)用展望

通過以上數(shù)據(jù)分析，BGK－4500ALV－170Kpa振弦式低壓通氣型滲壓計(jì)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)符合水位監(jiān)測規(guī)范要求，同時(shí)還具有以下4 點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):①安裝簡單:無需建造專用水位自記井，直接拋在庫區(qū)水中就能測量水位;②工作穩(wěn)定:在沒有外在因素破壞的情況下，能夠長時(shí)間無故障運(yùn)行;③電纜電阻影響小:振弦式滲壓計(jì)輸出的信號是頻率，所以電纜電阻細(xì)微的變化不會(huì)影響采集器對振弦式滲壓計(jì)的讀取測量數(shù)據(jù);④內(nèi)設(shè)防雷保護(hù):內(nèi)部裝有一個(gè)三極等離子浪涌避雷器，連接電纜是高質(zhì)量的100%屏蔽絞合電纜(帶有整體屏蔽的抗干擾芯線)。本文通過分析簡述在沒建造水位自記井安裝水位監(jiān)測的水庫安裝遙測水位監(jiān)測設(shè)備，希望該設(shè)備能夠在水庫中得到推廣應(yīng)用。

［1］段紅梅. 振弦式滲壓計(jì)工作原理及設(shè)計(jì)［A］. 科技資訊，2013，21.