基于空气、冰和水电阻特性差异进行河冰冰厚检测方法的研究

崔丽琴，秦建敏，张瑞锋

（1.太原理工大学 物理与光电工程学院新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024；2.黄河水利委员会 宁蒙水文水资源局，内蒙古 包头 014030)

冬季河道结冰现象是高纬度地区冬季普遍存在的一种自然现象，它给许多水利工程设施的安全运行带来影响。近年来，由于全球气温升高，极地冰川消融已成为影响人类生存环境的重要因素之一，冰凌灾害更是威胁黄河流域沿岸人民的生命财产和各种水电大坝的安全。从保护环境、冬季水文水资源管理和水工结构物抗冰能力设计都需要了解河道冰生消变化过程的基本规律。实时检测并获取河道冰层厚度变化的数值是全面掌握河道冰生消变化过程基本规律的一项直观而重要的水文参数指标。从检测方法上区分，对河道冰层厚度的检测方法大致可分为两类：物理检测方法和冰数学模型检测方法；依据检测方式的不同，又可将物理检测方法分为接触式和非接触式。常见的接触式测量如人工钻孔和热电阻丝检测法最为可靠，但其自动化程度低、劳动强度大［1-2］；由大连理工大学研制的磁致位移冰层厚度检测装置已应用于南极科考中，精度可达0.2 cm［3］；电磁感应、卫星遥测、雷达检测等非接触式测量方法可实现对大面积范围冰厚进行检测，缺点是精度低，造价高［4-5］［6］。而利用冰模型进行冰厚预测的方法需依据历史水文资料建立模型计算得出，并受到实时的水文、气象等诸多条件的影响，其准确性和精度往往在事后才能得到证实［7］。分析上述冰情检测方法，都存在一个共同的缺点：无法对冰层内部的生消变化过程实现连续自动化监测。

太原理工大学冰情检测课题组秦建敏教授等于2005年提出了一种基于空气、冰和水的物理特性差异进行冰厚检测的方法，利用该法研制的R-T冰层厚度传感器及其冰情检测系统实现了冰层内部物理状态的连续自动化检测，并在国内水利水电工程及南极科考的冰情检测中获得应用。本文介绍了该传感器的检测原理及检测系统组成，并针对实际工程应用中遇到的低于-30℃的极低温环境中空气和冰的电阻特性差异进行了实验室理论分析与研究。

1 基于空气、冰和水的电阻特性进行冰厚检测的原理

从物体导电特性出发，我们认为自然水（包含有导电杂质的河、湖、海、自来水等)是良导电物体，空气是绝缘体，而在0～-26℃范围内，则把冰看作具有弱导电特性的半导体（而不是传统冰检测理论中把冰作为绝缘体处理)［8］。依据这一特性，将两个具有一定间距的金属触点插入水（或冰)中，可以通过如图1所示的电阻分压原理检测并获取冰和水的等效电阻值。

图1 冰与水等效电阻分压检测原理图

其中，VCC为固定直流电源（在试验中取其值为3.3V)，R0为已知的固定分压电阻，Ri为两触点间被测介质空气、冰或水的等效电阻值，其数值可通过下面的串联电阻分压公式计算得出。

大量的实验数据表明，空气、冰和水的等效电阻具有明显的差异［9］，表现在图1中V0值不同。因此，在检测过程中，可通过检测获取的V0数值与实验室不同介质等效电阻值对比，判断出两触点间为何种介质。依据这一原理，在对河道冰生、消变化检测过程中，将检测范围内的垂直立体空间划分为空气、冰和冰下水三个具有不同电阻特性的区域层。

图2 基于空气、冰与水电阻特性差异的冰厚检测原理图

如图2所示，将被测空间垂直切割成N个水平的物理参数检测层回路，依次对被测层介质的相关物理参数进行自动测量，由获得的检测数据确定被测层的物理属性，进而判断出冰层的上下分界面，计算出冰层厚度的数值，这就是基于空气、冰与水的电阻特性差异实现冰层厚度检测的基本原理。由于在检测过程中，可以同时获取各垂直分层检测点的等效电阻数值，实际上可以由他们的数值判断出冰层内部各点的介质分类，进而掌握冰层内部各点的物理状态。

2 室温～-55℃温度范围内冰情检测机理的实验与分析

受试验条件所限，前期研究中，缺乏对低于-30℃温度环境下冰的电阻取值变化规律系统的理论研究与实验，导致在温度低于-26℃的环境下应用该理论进行冰情检测时，出现无法依据预知的冰物理状态理论阈值去指导冰检测设备硬件的设计和编写被测介质物理状态判断算法的现象，笔者试验采用基于空气、冰与水的电阻特性差异检测原理的RT冰层厚度传感器对室温～-55℃范围内空气、冰和水的电阻特性在实验室进行了理论研究与分析，填补了新冰情检测技术转化应用的理论空白。

2.1 基于空气、冰与水的电阻特性差异检测原理的R-T冰层厚度传感器

基于空气、冰与水的电阻特性差异检测原理研制的实验室专用R-T冰层厚度传感器长1.2m，量程为1m，传感器上分布着100组等效电阻触点，触点间间距为1cm。另外，传感器上还分布着20个温度检测点，每两个温度检测点间间距为5cm。可编程逻辑器件CPLD固定于传感器内部，100组触点间的等效电阻值通过CPLD程序控制分时选通接入图1所示电路中。将传感器采集到的100组采样电压值送入单片机进行分析处理，依据空气、冰和水的电阻差异，可计算出冰层厚度［10］。

用传感器对室温～-55℃温度范围内空气、冰和水的电阻特性差异进行试验。将该传感器斜置于盛水试验容器内，并将其放在GDJS-系列高低温交变湿热试验箱内。实验历时2个月，受试验容器空间所限，选择传感器低端20个触点进行试验，其中，露出水面的触点为9个，水面下触点为11个。试验箱内最低环境温度设置为-55℃。在试验箱从室温到-55℃的降温过程中，采用分压电阻值分别为10MΩ、20MΩ、40MΩ时的传感器进行数据采集，设定采集周期为5min。

2.2 实验数据分析

经过多次重复试验，结果表明，当分压电阻取值为40MΩ时，空气、冰和水的电阻差异最明显。表1为结冰过程中，选取某一温度点（试验箱内环境温度为-44℃，冰水层内部温度为-0.5℃)，自下而上20组检测触点处于不同的介质层中，R-T冰厚传感器采集到的分压电阻两端的采样电压值（V0)，相应关系曲线如图3所示，其中横坐标为传感器的电压检测触点，纵坐标为各检测介质层分压电阻两端得到的采样电压值。表2为完全结冰后（试验箱内环境温度为-55℃，冰层内部温度为-30℃)的采样电压值，相应关系曲线如图4所示。

表1 试验箱内环境温度为-44℃，冰水层内部温度为-0.5℃时各介质层分压电阻两端电压值

表2 试验箱内环境温度为-55℃，冰层内部温度为-30℃时各介质层分压电阻两端电压值

图3 试验箱内环境温度为-44℃，冰层内部温度为-0.5℃各介质层检测电压值变化曲线

图4 试验箱内环境温度为-55℃，冰层内部温度为-30℃各介质层检测电压值变化曲线

对图3和图4曲线分析可知，水结冰过程中，随着温度不断降低，V0不断减小，而空气中V0值随温度变化趋势稳定。从图中可以看出，水层采样电压值最高，为2.5～3.3V之间，冰层次之，为0.40～2.5V之间，空气层最小，稳定在0.36～0.38V之间。依据V0不同，可判断出空气层和冰层、冰层和水层的分界面，进而计算出冰层厚度。本次试验证明，当R-T冰厚传感器处于-30℃～-55℃的温度范围内，只要改变分压电阻值，基于空气、冰和水电阻差异的冰厚检测方法仍然可行，这为R-T冰层厚度传感器的改进提供了理论依据。

3 R-T冰层厚度传感器在额尔古纳河河道冰情检测中的应用

采用前述冰层厚度传感器及其检测系统，于2010.9-2011.5在内蒙中俄界河额尔古纳河奇乾水文站进行了河道定点冰情数据的采集、存储和远传试验。试验系统中，智能冰情检测仪主要用于对R-T冰层厚度传感器采集到的电压检测信号及温度检测信号进行分析处理，完成电压值、温度值及冰层厚度的分析计算、存储和显示等功能；检测仪通过标准RS232接口外接GPRS Modem，并通过GPRS移动通信网络及Internet网络将现场采集到的数据传回监控管理中心PC机上。同时，也可以通过监控中心随时调取现场即时数据和历史数据，并可通过发送命令修改上传数据时间，GPRS Modem上电时间等。

试验电路中：分压电阻值选定为20MΩ，采集间隔时间为20min。当环境温度高于-30℃时，所测冰厚值与现场人工观测冰厚值基本一致。现以2010年10月27日早上8点，环境温度为-15℃，冰层内部温度为-5℃时系统采集电压数据为例，进行分析，其数据曲线如图5所示。从图5电压曲线可以看出，2.5～3.3V变化区段对应水流层，0.35～2.5V变化区间对应冰层，0.35V以下对应空气层。图中黑色虚线表示冰下水层和冰层、冰层和空气层的分界面，从中可以准确判断出冰层厚度值。

图5 2010年10月27日8点R-T冰层厚度传感器实测奇乾水文站各介质层电压曲线图

图6 2010-10-01—2010-10-28齐乾水文站监测点冰下水位值和冰层厚度变化曲线

图6为汇总整理后R-T冰层厚度传感器获取的2010-10-01—2010-10-28每天0：00、8：00、20：00齐乾水文站监测点冰下水位值和冰层厚度变化曲线。横坐标为数据采集日期时间，历时28天，纵坐标为冰下水位或冰层厚度值。该月最低气温为-26℃，验证了室温～-26℃范围内该检测方法在实际工程中的可行性。

2011年1月中旬，奇乾水文站最低气温达到-47.6℃，冰层内部温度也接近-30℃。从现场采集回的数据分析知道，当温度降低到-30℃或者更低后，由于随温度降低，冰的等效电阻值不断增大，越来越接近空气的值，很难区分出空气和冰的分界面，无法准确判断冰层厚度。针对这种现象，作者提出通过改变电路中固定分压电阻值解决这一问题的思路。并在实验室进行了试验验证，实验证明，取固定分压电阻值为40MΩ时，可准确区分出空气和冰的分界面。改进后的R-T冰层厚度传感器将在现场极低温环境下得到进一步验证。

4 结论

基于空气、冰和水的电阻特性差异研制的冰厚检测仪在国内水利水电工程的多次成功应用证实了其在工程应用中的可靠性。工程应用中，当环境温度低于-26℃时，空气和冰的电阻特性差异不太明显，针对这一问题，笔者通过改变系统中的电路参数，在实验室机理试验中进一步验证了该检测方法的可行性，填补了-26～-55℃极低温环境下冰和空气的电阻特性差异研究的空白，为冰层厚度传感器的进一步改进提供了理论基础。冰层厚度传感器在极低温现场应用环境中的可行性将得到进一步验证。

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