振弦式渗压计在水库水位监测中的应用初探

邹源盛

(广东省水文局石角水文站，广东 清远511545)

1 振弦式渗压计结构及工作原理

1.1 振弦式渗压计结构

振弦式渗压计是一种非电量电测的传感器，这种仪器直径较小，主要部件均用特殊钢材制造，适用于各种恶劣环境使用［1］。标准的透水石是用带50 μm小孔的烧结不锈钢制成。内设温度传感器和避雷器。内部结构见图1:

图1 振弦式渗压计结构示意图

1.2 振弦式渗压计工作原理

振弦式由膜片(受力弹性形外壳)、细钢弦、调压夹紧装置、激励和接收线圈等组成。ó 钢弦自振频率与其张力的大小、材料、长度等有关，但振弦一经确定后，振弦的自振频率就是一个确定值，震动频率的变化量即对应受力的大小。

振弦在等幅连续震动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件，振弦的振动频率可由下式确定:

式中:f0为初始频率;L 为钢弦的有效长度;P 为钢弦材料密度;σ0为钢弦上的初始应力。

依据上式，钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性E 可视为常数，密度p 和初始应力ó0就是确定值或可测量值。

因此，钢弦的应力与输出频率f0建立了相应的关系:

1)当外界渗压力未施加时，钢弦在初始应力下作稳幅振动，输出初频f0。

2)当施加压力时，则膜片发生相应变形，使钢弦的压力改变，这时初频也随之变化为f。因此，

只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测压力值。

1.3 振弦式渗压计安装应用实例

振弦式低压通气型渗压计经过严格的检验和率定，测值稳定可靠、具有抗干扰能力强，受电参数影响小，精度及灵敏度高、温漂、零漂移量较小，稳定性好。

为减小大气压对探头测值的影响采用专用通气电缆，通过探头测量自身平衡大气压进行修正测值。通气电缆末断配备有干燥管及相应的干燥剂，以免潮湿空气进入探头内部而对测值产生的附加影响来减小测量误差，适合作为水位监测应用的一种探头。率定公式如下:

温度系数:K=－0.009155Kpa/℃

同时，张亚凝同学体会了编剧这份工作背后的不易，她说道：“一个看似简单的故事，要一遍又一遍的推敲，已经写出一大半的剧本被推翻重来也是经常的事。”她觉得通过这次职业体验真正地了解了编剧的工作以及他们的辛苦，学到了很多。

R0为初始读数值:R0=9640

T0为初始温度值:T0=997.2℃

S0为初始大气压值:S0=23.4mbar

测量范围:(0－170Kpa)

表1 振弦式渗压计检测精度表

由表1 可见检测精度。

本文分析的BGK－4500ALV－170kPa 振弦式低压通气型渗压计，安装在广州市白云区太和梅窿水库，梅窿水库位于白云区太和镇大源村，建于1956年，是一座小(1)型水库，库容240 万m3，是太和镇大源村和周边农村农业灌溉唯一的水库。设计当初由于没设计建造测量水位专用的自记井，无法安装遥测常用的机械格雷码浮子式水位计。汛期三防部门无法监测大坝实时水位。给防汛调度无法提供水位数据决策保障。

为满足时监测大坝水位的需要采用BGK－4500ALV－170Kpa 振弦式低压通气型渗压计，安装延着大坝斜坡用高强度PVC 管铺设，电缆长度约50 m左右。安装见图2。

图2 安装振弦式低压通卸型渗压计示意图

图3 振弦式低压通气型渗压计

振弦式低压通气型渗压计测量单元为YDZ—DB801 型。安装前把振弦式低压通气型渗压计率定公式的多项式各项参数输入DB801 测量单元，并让DB801 测量单元读取振弦式渗压计置于空气中振弦式渗压计初始频率保存。由于不同的振弦式渗压计具有不同的工作频率，采用正确的激励频率使振弦式渗压计快速起振，减少振弦式渗压计起振时间快速达到振荡频率。振弦式渗压计测量时由YDZ—YL300A 型通用遥测数传仪(RTU)给DB801 测量单元加电预先激励，当激励停止后再测量其水中温度和自由振荡频率，测量时间为1 ～2 s，测得固定的自由振荡频率后，通过用振弦式传感器率定给出设置在DB801 测量单元的多项式计算公式，计算出相对压力转换成水深显示并输出。

采集输出的数据由YDZ—YL300A 型通用遥测数传仪获取并实时传送到市中心机房数据库进行处理。每日8 时由人工观测水尺读数和遥测数传仪上的读数进行校测。振弦式低压通气型渗压计见图3。

2 对比分析及分析成果

通过安装运行对该BGK—4500ALV—170kPa 振弦式低压通气型渗压计的水位数据的准确性进行分析，以下是摘自梅窿水库9月1日—10月31日每日8 时。人工观测水尺水位和遥测数据库8 时水位数据进行比对分析。从表2 分析结果可以看出:

1)遥测水位比人工观测水尺水位－0.01 m的17 次。

2)遥测水位比人工观测水尺水位+0.01 m的21 次。

3)遥测水位比人工观测水尺水位±0.00 m 22 次。

3)遥测水位比人工观测水尺水位－0.02 m的1 次。

表2 人工观测水位和遥测数据库水位对比分析表 m

由上表可见人工观测水尺8 时水位和BGK－4500ALV－170Kpa 振弦式低压通气型渗压计遥测8时水位十分接近，误差均在±1 cm。

3 应用展望

通过以上数据分析，BGK－4500ALV－170Kpa振弦式低压通气型渗压计水位监测数据符合水位监测规范要求，同时还具有以下4 点优点:①安装简单:无需建造专用水位自记井，直接抛在库区水中就能测量水位;②工作稳定:在没有外在因素破坏的情况下，能够长时间无故障运行;③电缆电阻影响小:振弦式渗压计输出的信号是频率，所以电缆电阻细微的变化不会影响采集器对振弦式渗压计的读取测量数据;④内设防雷保护:内部装有一个三极等离子浪涌避雷器，连接电缆是高质量的100%屏蔽绞合电缆(带有整体屏蔽的抗干扰芯线)。本文通过分析简述在没建造水位自记井安装水位监测的水库安装遥测水位监测设备，希望该设备能够在水库中得到推广应用。

［1］段红梅. 振弦式渗压计工作原理及设计［A］. 科技资讯，2013，21.