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磁性液位计与自动数据采集系统率定法探究

作者: 来源: 发布日期:2020-01-13
    摘 要:测量和监测设备经过一段时间的使用后,需要对设备进行重新率定,经率定合格后,方可重复使用。 笔者所在单位大量使用 自动静力水准仪,以前都通过厂家进行率定,周期长,效率低,无法满足工程实际需要,因此单位探索和建立了一套自有的率定系统,满足了自我设备率定的基本要求。 需要注意的是,这样的实验室需要申请计量合格证,才能标准化和商用化,本文仅仅是从技术角度探讨这种 方法的可行性。

    在沉降自动化监测中,静力水准系统凭借优良的性能,测量范围广 而深受用户好评,因此,在最早用于大坝监测后,很快在岩土监测领域独 领风骚。作者在多年的工作中,在振弦式静力水准系统应用上,积累了大量的经验,也对设备的原理和适用环境有了深刻的认识。面对大量的二 次使用设备,必须经过率定才能重复安装和使用,作者深入仪器生产厂 商,学习和借鉴率定技术,摸索和提出了一套自己的率定方法,不足之 处,欢迎各位同行批评和指正。文中以美国基康 GK4675 型静力水准仪 作为实例。

    1 设备原理
    静力水准仪依据连通管的原理,采用振弦式传感器,测量每个测点 容器内液面的相对变化,再通过计算公式求得相对于基准点的沉降量,如图 1 所示。
 
    系统中任一特定容器(储液筒)液位变化按下列公式计算:
    ΔELn=(R1n-R0n)Gn-(R0Ref-R1Ref)GRef
    其中:
     ΔELn———n 号容器的液位变化,即该点相对于基准点的沉降量;
     R1n———n 号容器当前读数;
     R0n———n 号容器初始读数;
     Gn———n 号容器传感器系数;
     R0Ref———参照容器的初始读数;
     R1Ref———参照容器的当前读数;
     GRef———参照容器传感器系数;

    注:ΔELx 为负值时表示沉降(ΔELx 为正值时表示升高)。

    2 设备特点和性能
    GeoKon 4675 型静力水准仪是一种高精密液位系统,该系统设计是 用于测量多点相对沉降的系统。在使用中,一系列的传感器容器均采用PVC 液管联接,每一容器的液位由一精密振弦式力传感器测出,该传感 器内有一个自由悬重,一旦液位发生变化,悬重的悬应浮力即被传感器感,精确测出小至 0.025mm 的垂直变化。在多点系统中,所有传感器的垂 直位移均是相对于其中的一点,该点的垂直位移是相对恒定的或者可用其它人工观测手段准来确定。
 

    因为振弦式传感器,最重要的核心就是弦,从基本原理入手,采用加 载砝码的方法进行率定,每个砝码固定重量为 300g,最多添加砝码个数 为 6 个,总量可达 1800g。砝码较多时,需要很长时间稳定。为了提高系统 稳定性,减少系统稳定时间,因此对简易校验装置进行改进,如图 4、图 5所示。
 

    采用一根钢制杆下端连接一个砝码,砝码重量必须为 300g,每个砝 码采用悬挂式方式加入,每增加一个砝码,读数一次。简易率定法速度很 慢,效率极低,无法适用于大批量设备的率定。

    4.2 液位计率定法
 

    此种装置,精度高,速度快,但是需要通过人工来调节精密齿轮,来抬升或者降低测点的高度,此外读数也是通过读数仪来完成,而且每次 只能率定一个仪器,也不适用于大批量设备的率定。

    4.3 磁性液位计与自动数据采集系统率定法
    为了在建设费用和和校验效率两个方面取得平衡,根据需要校验的仪器数量综合分析,建议一次率定 5 个设备。同时进行温度校验。 采用连通管原理,设置 5 个监测点,1 个基准点,基准点放置高精度 液位计,6 个底座放置在同一个稳定的平台上,平台采用大理石面板,宽 度为 0.6m,长度为 6m,高度为 1m,基础采用砖石砌成,每个监测点均有 一个完全相同的透明式玻璃钢浮筒,每个浮筒带有一个三通接口,每个 容器之间采用 PVC 管进行连通,布局示意图如图 7 所示。

    在本率定系统中,采用磁致伸缩式高精度磁性液位计,精度为±0.01mm。 采用高低温交变湿热试验箱进行温度传感器率定。数据采集系统为美国 坎贝尔 CR1000 自动数据采集系统,通过控制电脑,将设定好的频率装载 入采集系统,自动加水和放水以及数据采集,同时数据自动保存和计算。 5 率定系数计算方法计算方法如表 2 所示。 其中: 均值=average(测值 1+测值 2+测值 3)
 
    理论直线=Trend(所有均值,所有负载值)

    6 实际应用
    经过一年左右的运行和试验,从春天到冬天,对本套装置进行了大量和反复的测试,率定装置运行稳定,高效,同时采用简易装置和人工读 数的方法进行验证,率定结果都正确无误,采用高精度磁性液位计,也提升了 率定精度,对于批量设备率定,是一种经济和有效的率定方法。
 

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