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分析精密二氯甲烷液位計(jì)與自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)率定法
摘要:測(cè)量和監(jiān)測(cè)設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間的使用后,需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新率定,經(jīng)率定合格后,方可重復(fù)使用。筆者所在單位大量使用 自動(dòng)靜力水準(zhǔn)儀,以前都通過廠家進(jìn)行率定,周期長(zhǎng),效率低,無(wú)法滿足工程實(shí)際需要,因此單位探索和建立了一套自有的率定系統(tǒng),滿足了自我設(shè)備率定的基本要求。需要注意的是,這樣的實(shí)驗(yàn)室需要申請(qǐng)計(jì)量合格證,才能標(biāo)準(zhǔn)化和商用化,本文僅僅是從技術(shù)角度探討這種方法的可行性。
在沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中,靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)憑借優(yōu)良的性能,測(cè)量范圍廣而深受用戶好評(píng),因此,在*早用于大壩監(jiān)測(cè)后,很快在巖土監(jiān)測(cè)領(lǐng)域獨(dú) 領(lǐng)風(fēng)騷。作者在多年的工作中,在振弦式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用上,積累了大量的經(jīng)驗(yàn),也對(duì)設(shè)備的原理和適用環(huán)境有了深刻的認(rèn)識(shí)。面對(duì)大量的二 次使用設(shè)備,必須經(jīng)過率定才能重復(fù)安裝和使用,作者深入儀器生產(chǎn)廠商,學(xué)習(xí)和借鑒率定技術(shù),摸索和提出了一套自己的率定方法,不足之處,歡迎各位同行批評(píng)和指正。文中以美國(guó)基康 GK4675 型靜力水準(zhǔn)儀作為實(shí)例。
1 設(shè)備原理
靜力水準(zhǔn)儀依據(jù)連通管的原理,采用振弦式傳感器,測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn) 容器內(nèi)液面的相對(duì)變化,再通過計(jì)算公式求得相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量,如圖 1 所示。
系統(tǒng)中任一特定容器(儲(chǔ)液筒)液位變化按下列公式計(jì)算:
△ELn=(R1n-R0n)Gn-(R0Ref-R1Ref)GRef
其中:
△ELn---n 號(hào)容器的液位變化,即該點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量;
R1n---n 號(hào)容器當(dāng)前讀數(shù);
R0n---n 號(hào)容器初始讀數(shù);
Gn---n 號(hào)容器傳感器系數(shù);
R0Ref---參照容器的初始讀數(shù);
R1Ref---參照容器的當(dāng)前讀數(shù);
GRef---參照容器傳感器系數(shù);
注:△ELx 為負(fù)值時(shí)表示沉降(△ELx 為正值時(shí)表示升高)。
2 設(shè)備特點(diǎn)和性能
GeoKon 4675 型靜力水準(zhǔn)儀是一種高精密液位系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是 用于測(cè)量多點(diǎn)相對(duì)沉降的系統(tǒng)。在使用中,一系列的傳感器容器均采用PVC 液管聯(lián)接,每一容器的液位由一精密振弦式力傳感器測(cè)出,該傳感 器內(nèi)有一個(gè)自由懸重,一旦液位發(fā)生變化,懸重的懸應(yīng)浮力即被傳感器感,精確測(cè)出小至 0.025mm 的垂直變化。在多點(diǎn)系統(tǒng)中,所有傳感器的垂 直位移均是相對(duì)于其中的一點(diǎn),該點(diǎn)的垂直位移是相對(duì)恒定的或者可用其它人工觀測(cè)手段準(zhǔn)來確定。
3 產(chǎn)品規(guī)格
產(chǎn)品規(guī)格詳細(xì)情況如圖 2 所示。
4 率定方法
4.1 簡(jiǎn)易率定法
因?yàn)檎裣沂絺鞲衅鳎?重要的核心就是弦,從基本原理入手,采用加 載砝碼的方法進(jìn)行率定,每個(gè)砝碼固定重量為 300g,*多添加砝碼個(gè)數(shù) 為 6 個(gè),總量可達(dá) 1800g。砝碼較多時(shí),需要很長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng) 穩(wěn)定性,減少系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間,因此對(duì)簡(jiǎn)易校驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),如圖 4、圖 5所示。
采用一根鋼制桿下端連接一個(gè)砝碼,砝碼重量必須為 300g,每個(gè)砝 碼采用懸掛式方式加入,每增加一個(gè)砝碼,讀數(shù)一次。簡(jiǎn)易率定法速度很 慢,效率*低,無(wú)法適用于大批量設(shè)備的率定。
4.2 二氯甲烷液位計(jì)率定法
此種裝置,精度高,速度快,但是需要通過人工來調(diào)節(jié)精密齒輪,來抬升或者降低測(cè)點(diǎn)的高度,此外讀數(shù)也是通過讀數(shù)儀來完成,而且每次 只能率定一個(gè)儀器,也不適用于大批量設(shè)備的率定。
4.3 精密二氯甲烷液位計(jì)與自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)率定法
為了在建設(shè)費(fèi)用和和校驗(yàn)效率兩個(gè)方面取得平衡,根據(jù)需要校驗(yàn)的 儀器數(shù)量綜合分析,建議一次率定 5 個(gè)設(shè)備。同時(shí)進(jìn)行溫度校驗(yàn)。 采用連通管原理,設(shè)置 5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),1 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),基準(zhǔn)點(diǎn)放置高精度二氯甲烷液位計(jì),6 個(gè)底座放置在同一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)上,平臺(tái)采用大理石面板,寬 度為 0.6m,長(zhǎng)度為 6m,高度為 1m,基礎(chǔ)采用磚石砌成,每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均有 一個(gè)完全相同的透明式玻璃鋼浮筒,每個(gè)浮筒帶有一個(gè)三通接口,每個(gè) 容器之間采用 PVC 管進(jìn)行連通,布局示意圖如圖 7 所示。
在本率定系統(tǒng)中,采用磁致伸縮式高精度二氯甲烷液位計(jì),精度為±0.01mm。采用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度傳感器率定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國(guó)坎貝爾 CR1000 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過控制電腦,將設(shè)定好的頻率裝載入采集系統(tǒng),自動(dòng)加水和放水以及數(shù)據(jù)采集,同時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存和計(jì)算。
5 率定系數(shù)計(jì)算方法
計(jì)算方法如表 2 所示。
其中:
均值=average(測(cè)值 1+測(cè)值 2+測(cè)值 3)
理論直線=Trend(所有均值,所有負(fù)載值)
6 實(shí)際應(yīng)用
經(jīng)過一年左右的運(yùn)行和試驗(yàn),從春天到冬天,對(duì)本套裝置進(jìn)行了大量和反復(fù)的測(cè)試,率定裝置運(yùn)行穩(wěn)定,高效,同時(shí)采用簡(jiǎn)易裝置和人工讀 數(shù)的方法進(jìn)行驗(yàn)證,率定結(jié)果都正確無(wú)誤,采用高精度二氯甲烷液位計(jì),也提升了率定精度,對(duì)于批量設(shè)備率定,是一種經(jīng)濟(jì)和有效的率定方法。