振弦式渗压计温度影响因素与解决方法

夏 明， 李 杰， 郑水华

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211100)

0 引 言

渗流监测是坝体安全监测的重要项目之一，获得准确的渗流监测数据，是对大坝安全评估及分析的前提。配套的主要监测传感器即为渗压计。目前，国内外市场上可供渗流监测的渗压计主要有振弦式、差动电阻式、陶瓷电容式、电感式、气动式、压阻式等[1]。而振弦式渗压计因其结构小巧，抗干扰能力强，便于远传、灵敏度高等原因[2]成为首选。此外，振弦式渗压计也常用于库区或河流水位监测，以作为库区或河流水位调节及监控的依据。

与其他类型的振弦式传感器相比，振弦式渗压计具有更加复杂的结构，且钢弦初始时即处于最大张紧状态，其测值的准确性和稳定性影响因素也较多，所以成为振弦式仪器的研究难点。目前，国内自产振弦式渗压计与进口产品相比，在测值准确性和稳定性上仍存在不小的差距，进口振弦式渗压计仍然是国内渗流安全监测的首选。从国内外的研究成果来看[3～6]，影响振弦式渗压计测值准确性和稳定性的主要原因有关键零部件材料的选择、钢弦本身的长期稳定性、钢弦固定技术、敏感部件封装工艺及温度影响等。其中，温度影响是振弦式渗压计测值准确性和稳定性的主要原因。

根据行业标准要求[7]，振弦式渗压计的温度影响在正常大气压条件下，在0～40 ℃范围内，温度影响应不大于±0.04 %FS/℃。目前降低温度影响的通用方法是进行温度系数补偿，但温度补偿准确度也会受到温度测量精度，温度变化量的影响。尽可能地减少温度影响系数，才能最大程度的避免因温度变化而带来的测值误差，也是提高渗流测值准确性及稳定性的关键技术。

本文通过对振弦式渗压计的结构和工作原理进行深入分析，系统总结了振弦式渗压计温度影响的关键因素。在此基础上提出了相应的解决方案，并应用到振弦式渗压计的改进上，有效地解决了因温度变化而对振弦式渗压计测值准确性及稳定性所造成的影响。

1 振弦式渗压计工作原理

如图1所示为振弦式渗压计工作原理示意。其主要由感应膜片，中间主体，激振线圈，上部端头，钢弦组成。钢弦位于上述零部件组成的密闭腔体内，并张拉于感应膜片及上部端头之间。在实际测量中，因渗流而产生的孔隙水压直接作用在感应膜片上，感应膜片受到水压力作用而产生挠曲变形从而引起内部钢弦自振频率发生变化，经量测仪表通过激振线圈对钢弦激振并接收谐振频率信号，最后经换算便可得到作用在感应膜片上的孔隙水压力值[3，7]。

图1 振弦式渗压计结构原理

钢弦自振频率与钢弦所受应力关系式为

(1)

式中f为钢弦自振频率，L为钢弦长度，ρ为钢弦密度，σ为钢弦所受的应力。从式中可以看出钢弦的自振频率仅为钢弦自身参数所决定，而钢弦的长度及密度相对固定不变，钢弦的自振频率仅与钢弦所受到的应力有关。因此，只要能尽量减少外界温度的变化对钢弦所受到的应力影响，即可保证钢弦测值的准确性和稳定性。

2 渗压计温度影响主要因素

渗压计温度影响因素较多，其最终测值是各方面因素综合作用的结果，但是其主要影响因素可归纳为三个方面。

2.1 材料线胀系数

材料线胀系数是指当温度改变1 ℃时，其长度变化量与其在0 ℃时长度的比值。不同的金属会有不同的线胀系数，且线胀系数并非一直保持不变，但在一定的温度区间内，变化相对较小，如0～100 ℃范围内等。如图1所示，因钢弦张拉于弦芯密闭腔体内部，当温度发生变化时，钢弦及外部腔体均会出现长度变化，若外部累积长度变化与钢弦自身的长度变化无法抵消时，会导致在外部压力不变的条件下，钢弦所受到的应力发生变化，从而改变钢弦的自振频率，导致实际压力测量出现偏差，测值准确性及稳定性变差。

假设外部腔体与钢弦出现的长度变化无法抵消，差值为LΔ，由式(1)可进一步推导

(2)

(3)

可以得出，因线胀系数不同而导致的钢弦长度变化量越大，渗压计实际测值与准确值之间的差值就越大，渗压计的测量准确度就越低。

2.2 敏感部件的工艺处理

敏感部件的工艺处理会对渗压计的长期稳定性及测值的准确性产生重要影响。如图1所示，如果感应膜片、中间主体及上部端头存在长期徐变，会改变钢弦的受力，一方面会改变钢弦的初始自振频率，测值产生漂移；另一方面，加剧了因温度变化对钢弦应力和自振频率变化的影响，导致测值准确度进一步降低。因此，保证渗压计敏感部件的长期稳定性对降低渗压计温度影响，提升渗压计测值稳定性较为重要。

2.3 弦式渗压计灵敏度

从理论上讲，弦式仪器的灵敏度越高，越能反映出实际测量的压力变化，得到较准确的测量结果。但灵敏度过高在相同的温度变化下，钢弦自振频率的变化量增大，仪器测值稳定性变差，因此，振弦式渗压计灵敏度并非越大越好。为保持批量化生产的渗压计具有相近的温度影响系数，也需要确保渗压计具有相近的满量程输出，即相近的灵敏度。

3 渗压计温度影响解决方案

3.1 对渗压计关键部件进行线胀匹配

所谓线胀匹配是指通过长度匹配计算，确保温度变化时，钢弦自身应变量与外部应变量一致，从而保持钢弦自振频率不变。渗压计敏感部件会采用一种或几种材质与钢弦的长度进行线胀匹配。如图2所示，为三种材料与钢弦之间的线胀匹配结构。

图2 线胀系数匹配示意

假设钢弦线胀系数为α0，钢弦长度为l0，材料1的线胀系数为α1，长度为l1，材料2的线胀系数为α2，长度为l2，材料3的线胀系数为α3，长度为l3，则满足线胀匹配条件

l0α0=l1α1+l2α2+l3α3,l0=l1+l1+l2+l3

(4)

可知，当温度变化1 ℃，钢弦线胀变化量与组成外部壳体的材料1，材料2和材料3的线胀变化量矢量和相等时，则钢弦自振频率不受材料线胀系数的影响。一般，组成外部壳体的材料种类越多，越难进行线胀匹配。因此，应尽量减少外部壳体的材料种类，甚至可采用一种材质实现。

3.2 严格的敏感部件工艺处理

对敏感部件的加工工艺严格控制也是降低渗压计温度影响及提升其测值稳定性的主要方面。如由上述材料线胀系数匹配所得到的各部件的加工尺寸，尽量做到较小的加工误差，避免累积误差对线胀系数补偿的效果。此外，关键零部件的稳定化处理也很重要，减少核心零部件徐变的可能。

3.3 控制初始测值及灵敏度偏差

行业标准对渗压计灵敏度有基本要求[7]，需要根据自身采用的钢弦材料进行匹配，制定适合自身产品的灵敏度，既要高于行业标准的要求，同时也不会带来较大的温度影响。为保证渗压计具有相近的满量程输出，须严格控制感应膜片的精度，确保膜片具有相近的变形量，需要对批量生产的一致性提出更高的要求。

4 试验结果

将上述技术改进应用到振弦式渗压计的设计及试制中，如图3所示为测试的5种常用量程的渗压计温度影响。从图中可以看出，经过改进后的不同量程的渗压计温度影响占满量程的比值均在±0.04 %FS/℃范围之内，且明显优于行业标准[7]中对渗压计温度影响的要求(小于等于±0.04 %FS/℃)。

图3 改进后的振弦式渗压计0～40 ℃范围温度影响

在满量程范围内的不同标准压力测试点，改变环境温度，可得到不同温度下经温度补偿后的渗压计测值。如图4所示，以3只量程为500 kPa的渗压计分别在100，200，300，400 kPa标准压力下的测试结果。可以看出，在不同标准压力测试点，温度在0～40 ℃范围内测值，经补偿后准确度较高，偏差控制在±0.1 %FS(±0.5 kPa)范围之内，完全满足渗压计性能参数的要求，明显改善了因温度变化而对测值带来的负面影响，提升了其测值准确性。

图4 经改进后的振弦式渗压计(量程500 kPa)0～40 ℃范围内 不同标准压力点的测值对比

为进一步验证改进后振弦式渗压计应用效果，将改进后渗压计应用到诸如溧阳抽蓄、刘家峡水电站、南水北调等工程中，得到了大量长期测值及人工测值进行验证。因篇幅有限，取其中一组数据为例分析，如图5所示。从图5(a)中不难看出，在近一年的测值过程中，经过改进后的振弦式渗压计测值与人工读数较为接近，图5(b)中水位偏差计算结果显示均在±0.1 m范围之内，占满量程输出(1 000 kPa)的比值小于0.1 %，具有较高的实际应用测量精度。图5(c)为取密集观测数据绘制的过程曲线，改进的渗压计测值与人工测值在一年中的变化趋势基本相同，即改进后的振弦式渗压计所测水位符合实际水位变化趋势，说明改进后的渗压计具有优异的长期稳定性。

图5 改进后渗压计应用性能测试

5 结束语

1)外部材质与钢弦线胀系数匹配：合理选材，消除了则因热胀冷缩变形不一致而导致的钢弦应力变化对测值的稳定性及准确度的影响；

2)合理制定工艺处理：通过控制加工累积误差、制定

严格的稳定化处理工艺，减少结构长期徐变带来的测值漂移影响；

3)确定合适的传感器灵敏度，提升初值一致性：保证渗压计具有较低的且接近的温度影响效果及得到较高的测值稳定性和准确度；

4)上述影响因素对渗压计测值稳定性及准确度的影响是相互叠加，综合作用的结果，需要统一解决才能达到降低温度影响的理想效果。