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    溫度對靜力水準系統精度影響分析

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-01-15 14:17

      

           液體靜力水準系統是一種精密的水準測量方法,精度達到微米級,可對建筑物的不均勻沉降進行實時測量。根據傳感器原理不同,分為振弦式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、電感式傳感器、磁致伸縮式傳感器等。靜力水準系統是利用相連的容器中液體總是尋求具有相同勢能的水平原理,當測點垂直位移發生變化使管路內液體發生流動,從而使靜力水準液面發生變化,傳感器測量和監測參考點彼此之間的垂直高度的差異和變化量。靜力水準系統的工作介質是液體,液體的特性是極易受到外界的影響而改變它的物理形態。在靜力水準系統中,壓力、溫度等因素對系統的測量有著非常大的影響。在系統設計的時候采用餓了密封缽體和缽體之間用等壓氣管連接的辦法,保證系統在作時每個缽體中的工作液體表面上的大氣壓是一致的,即可消除壓力的影響。溫度對靜力水準測試精度影響,主要包括缽體之間溫度差異的影響和連通管中溫度梯度的影響,本文結合工程實例分析了溫度對靜力水準系統測量精度的影響,初步提出對液體靜力水準系統進行溫度修正的方法。
    2、靜力水準系統測量原理
            靜力水準系統在管道連接的容器中注入一定的液體,所有的容器中的液體將在管道中自由流動,其結果是當平衡或者靜止時各個容器中的液體表面將保持相同的高度,但是各個容器中的液體表面將保持相同的高度,但是各個容器中的液體深度并不相同,這也就反映了各個容器所在的各個參考點的高度不同。靜力水準系統,用傳感器測量每個測點容器內液面的相對變化,再通過計算求得各點相對于基點的相對沉陷量。
    靜力水準系統中測單相對于基準點的垂直位移量計算公式如下:
    Hig=△Hi-△Hf=(hio-hig)-(hfo-hfg)
    式中:Hig表示靜力水準系統中第i只測點在測試時刻相對于基點的垂直位移值;
    △Hi表示靜力水準系統中第i只儀器缽體內液面相對于初始時刻液面的變化;
    △Ho表示靜力水準系統中參考測點儀器缽體內液面與初始時刻液面的變化;
    hio表示靜力水準系統中第i只測點在測試時刻水準儀器液面高度;
    hfo表示靜力水準系統中基準測點在初始時刻水準儀容器液面高度;
    hfg表示靜力水準系統中基準點在測試時刻水準儀容器液面高度。
    液體靜力水準系統
    3、缽體之間溫度差異對測試精度的影響
           液體的密度是隨其溫度變化而變化的,液體的體積隨之變化,在靜力水準系統中,如果整個系統的溫度變幅是一致的,因系統各種各個部分的體積變化一樣的,每個缽體中的液面變化的高度是相同的,不影響測量的結果。但是在系統中如果出現局部的或者不均勻的溫度變化,致使不同的缽體中液面的高度產生不同量的升高或者降低,就會影響測量的精度。
           通常在靜力水準系統中采用水作為工作介質。水在20℃時,線膨脹系數是208微米·(m·℃),假設一個缽體中有70mm深的水,在20℃附近有1℃的溫度變化,將會產生±14μm的液面高度的變化。
           靜力水準設置在外界環境不斷變化的情況下,缽體所處位置不同,缽體之間的溫度必然有所差異,在每個缽體傳感器中安裝溫度傳感器(如振弦式傳感器可以通過測試傳感器電阻,可以測讀儀器缽體的溫度值),可以實時地測量缽體的溫度,通過理論計算得到溫度修正公式,對每個缽體中的測值進行溫度修正。
    4、連通管中溫度梯度對測試精度的影響
    ‘       對于水管中溫度梯度的影響,只要在安裝系統時保證水管的垂直高度差足夠小,就可以忽略’,該結論基于連通管勢能相等的原理,得到對儀器測試結果的影響在于儀器缽體至連通管底部的高差越小,影響則就越小的結論。而根據質量守恒定律,在連通管路中的液體在溫度變化后,體積必然也隨之變化,導致液體流進或流出缽體,使缽體內液體的體積發生變化。
           以某廠家生產的振弦式靜力水準傳感器為例,連通管內徑為10mm,缽體內徑為85mm,浮筒直徑75mm,液體的線膨脹系數取208μm·(m·℃),假設系統中各儀器間距離20m,在20℃時,連通管管路液體溫度均勻增加1℃,缽體液面高度增加0.26mm,其影響遠大于缽體間溫度差異對測試結果的影響。當靜力水準系統安裝在露天環境下,沿連通管的溫度是變化的,測出沿連通管的溫度較難實施,故溫度梯度函數是很難給出的,液體的膨脹系數是和液體的溫度-密度函數是很難給出的,液體的膨脹系數是和液體的溫度-密度函數相對應的函數,所以理論上嚴格的修正函數應該是高于二次曲線的函數,如果考慮到缽體本身的熱障冷縮和其它零部件的溫度因素,很難在理論上計算出精確的修正函數。在各個缽體中安裝溫度傳感器(建議振弦式傳感器可以測讀溫度),以缽體溫度代表缽體進出管路液體的溫度,檢定連接缽體的兩段管路長度和一半內的液體對本缽體產生影響,據此對連通管中溫度梯度對測試精度測試結果進行初步修正。
    5、工程實例
           某重要建筑物,相關單位要求進行實時監測,設置靜力水準觀測系統進行自動化觀測,主要測試該建筑物的不均勻沉降,在建筑物上布設8只靜力水準儀,編號為J1-J8,其中J5為參考測點。
    通過觀察J4點一起缽體在某天溫度與缽體內液體液面變化情況圖尅看出,溫度變化對缽體內液面高度有較大影響,同時有較強的相關性。對測試結果進行初步修正,J4點測試結果與經修正的結果對比曲線可以看出,經過溫度修正,在一定程度上減小了溫度變化對測試結果影響的幅度。
    6、結論
    (1)溫度對靜力水準測試精度影響較大,在室外運用時,必須充分考慮其對測試結果的影響。
    (2)在室外安裝時,一條管路盡量在建筑物同一側,可以減小溫度變化對測試結果的影響。
    (3)管路溫度梯度對靜力水準系統測試結果的影響大于缽體溫度差異對測試結果的影響,本文提出了初步修正的方法,取得了一定的效果。


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