振弦式滲壓計溫度影響因素與解決方法

夏 明， 李 杰， 鄭水華

(南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

滲流監測是壩體安全監測的重要項目之一，獲得準確的滲流監測數據，是對大壩安全評估及分析的前提。配套的主要監測傳感器即為滲壓計。目前，國內外市場上可供滲流監測的滲壓計主要有振弦式、差動電阻式、陶瓷電容式、電感式、氣動式、壓阻式等[1]。而振弦式滲壓計因其結構小巧，抗干擾能力強，便于遠傳、靈敏度高等原因[2]成為首選。此外，振弦式滲壓計也常用于庫區或河流水位監測，以作為庫區或河流水位調節及監控的依據。

與其他類型的振弦式傳感器相比，振弦式滲壓計具有更加復雜的結構，且鋼弦初始時即處于最大張緊狀態，其測值的準確性和穩定性影響因素也較多，所以成為振弦式儀器的研究難點。目前，國內自產振弦式滲壓計與進口產品相比，在測值準確性和穩定性上仍存在不小的差距，進口振弦式滲壓計仍然是國內滲流安全監測的首選。從國內外的研究成果來看[3～6]，影響振弦式滲壓計測值準確性和穩定性的主要原因有關鍵零部件材料的選擇、鋼弦本身的長期穩定性、鋼弦固定技術、敏感部件封裝工藝及溫度影響等。其中，溫度影響是振弦式滲壓計測值準確性和穩定性的主要原因。

根據行業標準要求[7]，振弦式滲壓計的溫度影響在正常大氣壓條件下，在0～40 ℃范圍內，溫度影響應不大于±0.04 %FS/℃。目前降低溫度影響的通用方法是進行溫度系數補償，但溫度補償準確度也會受到溫度測量精度，溫度變化量的影響。盡可能地減少溫度影響系數，才能最大程度的避免因溫度變化而帶來的測值誤差，也是提高滲流測值準確性及穩定性的關鍵技術。

本文通過對振弦式滲壓計的結構和工作原理進行深入分析，系統總結了振弦式滲壓計溫度影響的關鍵因素。在此基礎上提出了相應的解決方案，并應用到振弦式滲壓計的改進上，有效地解決了因溫度變化而對振弦式滲壓計測值準確性及穩定性所造成的影響。

1 振弦式滲壓計工作原理

如圖1所示為振弦式滲壓計工作原理示意。其主要由感應膜片，中間主體，激振線圈，上部端頭，鋼弦組成。鋼弦位于上述零部件組成的密閉腔體內，并張拉于感應膜片及上部端頭之間。在實際測量中，因滲流而產生的孔隙水壓直接作用在感應膜片上，感應膜片受到水壓力作用而產生撓曲變形從而引起內部鋼弦自振頻率發生變化，經量測儀表通過激振線圈對鋼弦激振并接收諧振頻率信號，最后經換算便可得到作用在感應膜片上的孔隙水壓力值[3，7]。

圖1 振弦式滲壓計結構原理

鋼弦自振頻率與鋼弦所受應力關系式為

(1)

式中f為鋼弦自振頻率，L為鋼弦長度，ρ為鋼弦密度，σ為鋼弦所受的應力。從式中可以看出鋼弦的自振頻率僅為鋼弦自身參數所決定，而鋼弦的長度及密度相對固定不變，鋼弦的自振頻率僅與鋼弦所受到的應力有關。因此，只要能盡量減少外界溫度的變化對鋼弦所受到的應力影響，即可保證鋼弦測值的準確性和穩定性。

2 滲壓計溫度影響主要因素

滲壓計溫度影響因素較多，其最終測值是各方面因素綜合作用的結果，但是其主要影響因素可歸納為三個方面。

2.1 材料線脹系數

材料線脹系數是指當溫度改變1 ℃時，其長度變化量與其在0 ℃時長度的比值。不同的金屬會有不同的線脹系數，且線脹系數并非一直保持不變，但在一定的溫度區間內，變化相對較小，如0～100 ℃范圍內等。如圖1所示，因鋼弦張拉于弦芯密閉腔體內部，當溫度發生變化時，鋼弦及外部腔體均會出現長度變化，若外部累積長度變化與鋼弦自身的長度變化無法抵消時，會導致在外部壓力不變的條件下，鋼弦所受到的應力發生變化，從而改變鋼弦的自振頻率，導致實際壓力測量出現偏差，測值準確性及穩定性變差。

假設外部腔體與鋼弦出現的長度變化無法抵消，差值為LΔ，由式(1)可進一步推導

(2)

(3)

可以得出，因線脹系數不同而導致的鋼弦長度變化量越大，滲壓計實際測值與準確值之間的差值就越大，滲壓計的測量準確度就越低。

2.2 敏感部件的工藝處理

敏感部件的工藝處理會對滲壓計的長期穩定性及測值的準確性產生重要影響。如圖1所示，如果感應膜片、中間主體及上部端頭存在長期徐變，會改變鋼弦的受力，一方面會改變鋼弦的初始自振頻率，測值產生漂移；另一方面，加劇了因溫度變化對鋼弦應力和自振頻率變化的影響，導致測值準確度進一步降低。因此，保證滲壓計敏感部件的長期穩定性對降低滲壓計溫度影響，提升滲壓計測值穩定性較為重要。

2.3 弦式滲壓計靈敏度

從理論上講，弦式儀器的靈敏度越高，越能反映出實際測量的壓力變化，得到較準確的測量結果。但靈敏度過高在相同的溫度變化下，鋼弦自振頻率的變化量增大，儀器測值穩定性變差，因此，振弦式滲壓計靈敏度并非越大越好。為保持批量化生產的滲壓計具有相近的溫度影響系數，也需要確保滲壓計具有相近的滿量程輸出，即相近的靈敏度。

3 滲壓計溫度影響解決方案

3.1 對滲壓計關鍵部件進行線脹匹配

所謂線脹匹配是指通過長度匹配計算，確保溫度變化時，鋼弦自身應變量與外部應變量一致，從而保持鋼弦自振頻率不變。滲壓計敏感部件會采用一種或幾種材質與鋼弦的長度進行線脹匹配。如圖2所示，為三種材料與鋼弦之間的線脹匹配結構。

圖2 線脹系數匹配示意

假設鋼弦線脹系數為α0，鋼弦長度為l0，材料1的線脹系數為α1，長度為l1，材料2的線脹系數為α2，長度為l2，材料3的線脹系數為α3，長度為l3，則滿足線脹匹配條件

l0α0=l1α1+l2α2+l3α3,l0=l1+l1+l2+l3

(4)

可知，當溫度變化1 ℃，鋼弦線脹變化量與組成外部殼體的材料1，材料2和材料3的線脹變化量矢量和相等時，則鋼弦自振頻率不受材料線脹系數的影響。一般，組成外部殼體的材料種類越多，越難進行線脹匹配。因此，應盡量減少外部殼體的材料種類，甚至可采用一種材質實現。

3.2 嚴格的敏感部件工藝處理

對敏感部件的加工工藝嚴格控制也是降低滲壓計溫度影響及提升其測值穩定性的主要方面。如由上述材料線脹系數匹配所得到的各部件的加工尺寸，盡量做到較小的加工誤差，避免累積誤差對線脹系數補償的效果。此外，關鍵零部件的穩定化處理也很重要，減少核心零部件徐變的可能。

3.3 控制初始測值及靈敏度偏差

行業標準對滲壓計靈敏度有基本要求[7]，需要根據自身采用的鋼弦材料進行匹配，制定適合自身產品的靈敏度，既要高于行業標準的要求，同時也不會帶來較大的溫度影響。為保證滲壓計具有相近的滿量程輸出，須嚴格控制感應膜片的精度，確保膜片具有相近的變形量，需要對批量生產的一致性提出更高的要求。

4 試驗結果

將上述技術改進應用到振弦式滲壓計的設計及試制中，如圖3所示為測試的5種常用量程的滲壓計溫度影響。從圖中可以看出，經過改進后的不同量程的滲壓計溫度影響占滿量程的比值均在±0.04 %FS/℃范圍之內，且明顯優于行業標準[7]中對滲壓計溫度影響的要求(小于等于±0.04 %FS/℃)。

圖3 改進后的振弦式滲壓計0～40 ℃范圍溫度影響

在滿量程范圍內的不同標準壓力測試點，改變環境溫度，可得到不同溫度下經溫度補償后的滲壓計測值。如圖4所示，以3只量程為500 kPa的滲壓計分別在100，200，300，400 kPa標準壓力下的測試結果?？梢钥闯?，在不同標準壓力測試點，溫度在0～40 ℃范圍內測值，經補償后準確度較高，偏差控制在±0.1 %FS(±0.5 kPa)范圍之內，完全滿足滲壓計性能參數的要求，明顯改善了因溫度變化而對測值帶來的負面影響，提升了其測值準確性。

圖4 經改進后的振弦式滲壓計(量程500 kPa)0～40 ℃范圍內 不同標準壓力點的測值對比

為進一步驗證改進后振弦式滲壓計應用效果，將改進后滲壓計應用到諸如溧陽抽蓄、劉家峽水電站、南水北調等工程中，得到了大量長期測值及人工測值進行驗證。因篇幅有限，取其中一組數據為例分析，如圖5所示。從圖5(a)中不難看出，在近一年的測值過程中，經過改進后的振弦式滲壓計測值與人工讀數較為接近，圖5(b)中水位偏差計算結果顯示均在±0.1 m范圍之內，占滿量程輸出(1 000 kPa)的比值小于0.1 %，具有較高的實際應用測量精度。圖5(c)為取密集觀測數據繪制的過程曲線，改進的滲壓計測值與人工測值在一年中的變化趨勢基本相同，即改進后的振弦式滲壓計所測水位符合實際水位變化趨勢，說明改進后的滲壓計具有優異的長期穩定性。

圖5 改進后滲壓計應用性能測試

5 結束語

1)外部材質與鋼弦線脹系數匹配：合理選材，消除了則因熱脹冷縮變形不一致而導致的鋼弦應力變化對測值的穩定性及準確度的影響；

2)合理制定工藝處理：通過控制加工累積誤差、制定

嚴格的穩定化處理工藝，減少結構長期徐變帶來的測值漂移影響；

3)確定合適的傳感器靈敏度，提升初值一致性：保證滲壓計具有較低的且接近的溫度影響效果及得到較高的測值穩定性和準確度；

4)上述影響因素對滲壓計測值穩定性及準確度的影響是相互疊加，綜合作用的結果，需要統一解決才能達到降低溫度影響的理想效果。