振弦式滲壓計在水庫水位監(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511545)

1 振弦式滲壓計結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 振弦式滲壓計結(jié)構(gòu)

振弦式滲壓計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 振弦式滲壓計結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 振弦式滲壓計工作原理

振弦式由膜片(受力彈性形外殼)、細鋼弦、調(diào)壓夾緊裝置、激勵和接收線圈等組成。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確定值，震動頻率的變化量即對應(yīng)受力的大小。

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

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，鋼弦在初始應(yīng)力下作穩(wěn)幅振動，輸出初頻f0。

2)當(dāng)施加壓力時，則膜片發(fā)生相應(yīng)變形，使鋼弦的壓力改變，這時初頻也隨之變化為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 振弦式滲壓計安裝應(yīng)用實例

振弦式低壓通氣型滲壓計經(jīng)過嚴格的檢驗和率定，測值穩(wěn)定可靠、具有抗干擾能力強，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，張亞凝同學(xué)體會了編劇這份工作背后的不易，她說道：“一個看似簡單的故事，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，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)計當(dāng)初由于沒設(shè)計建造測量水位專用的自記井，無法安裝遙測常用的機械格雷碼浮子式水位計。汛期三防部門無法監(jiān)測大壩實時水位。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，安裝延著大壩斜坡用高強度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示意圖

圖3 振弦式低壓通氣型滲壓計

振弦式低壓通氣型滲壓計測量單元為YDZ—DB801 型。安裝前把振弦式低壓通氣型滲壓計率定公式的多項式各項參數(shù)輸入DB801 測量單元，并讓DB801 測量單元讀取振弦式滲壓計置于空氣中振弦式滲壓計初始頻率保存。由于不同的振弦式滲壓計具有不同的工作頻率，采用正確的激勵頻率使振弦式滲壓計快速起振，減少振弦式滲壓計起振時間快速達到振蕩頻率。振弦式滲壓計測量時由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，當(dāng)激勵停止后再測量其水中溫度和自由振蕩頻率，測量時間為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 測量單元的多項式計算公式，計算出相對壓力轉(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)傳儀獲取并實時傳送到市中心機房數(shù)據(jù)庫進行處理。每日8 時由人工觀測水尺讀數(shù)和遙測數(shù)傳儀上的讀數(shù)進行校測。振弦式低壓通氣型滲壓計見圖3。

2 對比分析及分析成果

通過安裝運行對該BGK—4500ALV—170kPa 振弦式低壓通氣型滲壓計的水位數(shù)據(jù)的準確性進行分析，以下是摘自梅窿水庫9月1日—10月31日每日8 時。人工觀測水尺水位和遙測數(shù)據(jù)庫8 時水位數(shù)據(jù)進行比對分析。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 時水位和BGK－4500ALV－170Kpa 振弦式低壓通氣型滲壓計遙測8時水位十分接近，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水位監(jiān)測數(shù)據(jù)符合水位監(jiān)測規(guī)范要求，同時還具有以下4 點優(yōu)點: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，能夠長時間無故障運行;③電纜電阻影響小:振弦式滲壓計輸出的信號是頻率，所以電纜電阻細微的變化不會影響采集器對振弦式滲壓計的讀取測量數(shù)據(jù);④內(nèi)設(shè)防雷保護:內(nèi)部裝有一個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. 振弦式滲壓計工作原理及設(shè)計［A］. 科技資訊，2013，21.