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    液體靜力水準自動觀測系統

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-01-29 14:21

      

           對大型工程建筑物如水電站、核電站、高層建筑以及大型科學實驗設備等進行垂直變形觀測,目的是要得到觀測點隨時間及荷載的變化而產生的高程變化值。這種變形可能是在很短時間內緩慢發生的,即動態編訂;也可能在較長時間內發生,即靜態變形。動態和靜態變形隨機相加是建筑物垂直位移變形觀測的特點。這個特點用傳統的精密水準測量方法難以反映,而液體靜力水準自動觀測系統卻顯示了優越性。兩年多來,該系統經過設計、制造、安裝、調試及測試試驗等,已初步制成了樣機。從實驗的結果表明,它的測量精度、速度、自動化程度等基本達到設計要求,且工作穩定,能實現聯機實時自動監測建筑物垂直位移。
    2、系統的組成及工作原理
            液體靜力水準自動觀測系統是依據液體連通管原理設計的,他主要由主機、模數轉換電路、計算機及系統軟件等部分組成。
    2.1主機
           主機主要包括若干個相同大小的缽體、浮子、導向裝置、位移傳感器以及一個標定裝置等。為了保持工作介質-水不受污染及儀器長期穩定,缽體和浮子均用玻璃制成。缽體是反映建筑物位移的主要部分,它是直徑和高度均為200mm的圓柱體,底部有一出水孔,各缽體出水孔之間用較粗的軟管連通起來,內填液體為蒸餾水。浮子放置在各吧缽體內的液面上,用來準確反映液面的變化。在設計時不僅要考慮其穩定行,而且要考慮其靈敏度和跟隨液面運動的同步性。所以,在結構上要使浮子重心和浮心處在同一垂直線上,浮子的定傾半徑大于浮心到重心的距離,并在浮子內放置少許鐵砂,以保證浮子能高靈敏度的穩定漂浮。
           導向裝置也就是位移傳感器的鐵芯,用來反映浮子的位移,對儀器的靈敏度和長期穩定性起著重要作用。技術上要求它對浮子的位移阻力小,能把液面變化與浮子位移按1:1的線性關系反映出來。位移傳感器的作用是將位移量轉換成相應的電信號輸出,所采用的是結構簡單、工作可靠、靈敏度高、線性度好的螺管狀差動變壓器式。當鐵芯在線圈內移動時,改變了磁通的空間分布,從而干煸了初、次級之間的互感量。當適當頻率的電壓激勵初級繞組時,次級線圈就產生感應電動勢。隨著鐵芯的位置不同,互感也不同,次級線圈產生的感應電動勢也不同,這樣就把鐵芯,即導向裝置的位移變成了電壓信號。該信號再經過一個前置放大器后,進行同步調節、低通濾波,得到與位移成線性關系的直流電壓輸出。
           標定裝置是用來標定一起格值的,其工作原理是當活塞上、下運動時,能改變筒內盛水的體積,根據誰的不可壓縮原理,可以計算出各缽體中液面的升降量。將此變化量和電子部分相連,即可求得當液面改變單位高度時的電信號變化量數值,從而確定是否修正一起的格值??梢?,標定裝置使用認為改變各缽體中液面的升降來檢核電信號的變化量來達到標定儀器的目的。這樣,對于長期使用的系統,經常標定其格值,可以消除因電子線路老化等因素引起的測量誤差。標定裝置的另一個作用是調節、改變缽體中液面位置,以調整儀器的工作點。
    靜力水準儀
    2.2模數轉換電路
           為把傳感器輸出的模擬信號轉變成計算機可以接受的數字信號,用了1個模數轉換器進行轉換。他有8個模擬量輸出通道,可以與8個缽體上的傳感器連接(需要時還可設置更多的通道)。其輸入的模擬信號為0-3V,數字輸出為8位,反映位移的最小單位為1μm。
    2.3計算機及系統軟件
           計算機是系統的控制及資料處理的部件,測量的指令、數據的采集、檢驗、整理、存儲等均由它來完成。系統連接的計算機可以是便攜式的PC-1500,也可以是功能較全的IBM機。系統的軟件具有完成實時測量和數據處理的功能,為了便于獨立調式和功能擴充系,統軟件采用模塊結構,用一主程序連接各模塊。主要的軟件模塊有:
    a、采樣模塊:將20次采樣的平均值作為采集的數據直接轉換成高差變化量,存入計算機的存儲區單元中。
    b、數據處理模塊:實時的對采樣結果做可靠性檢驗、處理;對各垂直位移量進行計算、存儲或打印。
    c、繪曲線模塊:繪觀測值過程線,直觀地反映出各測點的沉降情況。
    然后,更多的軟件功能有待實際應用的需要進一步擴充。
    2.4系統的工作原理
           在工作基點及需要測量垂直位移的測點上設置主機,其間用軟管相互連通,內充適量的水。當計算機發出測量指令后,由浮子帶動的導桿與傳感器之間因建筑物觀測點發生垂直位移而差生了相對位置變化,并將此變化轉化為一個電信號輸出,經模數轉換后直接輸入微型計算機(IBM/PC-1500)。計算機的軟件程序對采樣數據極性可靠性分析和處理,為有關部分提供所需的資料,比如:觀測點的高程、沉降量、沉降曲線、建筑物的安全狀況等。
    3、整機裝置性能的測試試驗
           液體靜力水準測量的原理似乎不復雜,但是要使這種儀器能滿足變形觀測高精度的要求卻很不容易。這是因為有各種不利的因素對它產生影響,其中包括儀器本身執照和安裝誤差以及外界環境條件的影響等。
           本系統在研制過程中,對各種誤差影響如溫度不均勻、氣壓差異、導桿安裝不垂直、液體不純等產生的誤差進行了分析、計算和試驗,力求使誤差產生的影響控制為最小。
           樣機安裝、調試完畢后,又作了多項性能指標的測試。測試在實驗室中進行,方法是用充滿蒸餾水的連通管把兩個缽體連成一套完成的系統,借助標定裝置達到人為調節兩端缽體中的液位變化,該變化量再與PC-1500計算機進行數據采集、處理的結果作比較,計算出測試結果。主要進行的幾項測試有:
    3.1液位靈敏度
           每次等量改變缽體的液位變化,由計算機對其測量,共進行了10多次觀測,經數據處理后得知,該裝置能感應出0.002mm的水位變化。
    3.2水位變化重復測定精度
           反復(遞增、遞減)改變液位,重復的測定某幾個確定的液位高度,經數據粗粒后的其重復觀測中誤差為±0.008mm。
    3.3在±10mm范圍內的線性度
           整機的線性度取決于位移傳感器的線性度,在整機安裝前受限對位移傳感器記性了測定,并做回歸分析求出其回歸方程,編入數據處理程序中,整機測定是在位移傳感器零位的±10mm范圍內等間距改變缽體中的液體,再由精算及測出這些已知的變化量,經數據整理后得知:兩缽體在±10mm范圍內的線性度分別為0.92%和0.38%。
    3.4高差中誤差
           高差中誤差收到很多外界因素的影響,試驗僅能根據實驗室中的條件進行,經多種方法測試,該裝置中誤差均優于±0.1mm、上述各項指標均達到了設計目標。另外還禁行了一些其它項目的測試,如在電壓波動±15%,濕度達0.001%,溫度在4-35℃的條件下測量,其測量結果不受影響。
    4、系統在變形觀測中的應用
           在建筑物變形觀測中,有時要觀測很多點的變形情況,這時可以再各測點上都布設測量缽體,它們之間用軟管或玻璃管連起來成為網絡。將傳感器電纜捅到原理測點及時米或上百米的中心控制室內,測量人員只需在控制室內操作計算機,即可使系統進行自動采集資料。完成這些工作,對于一個有10個測點的建筑來說,僅需1分鐘,可見,這是精密水準測量方法無可比擬的。另外,還可以發揮計算機的功能,建立數據庫,自動管理資料;此阿勇逐步回歸程序,建立統計分析模型;或建立預報模型進行預報值的計算,將實測值與預報值進行比較,及時評價建筑物安全狀態所必須的信息。聯機實時的對建筑物進行垂直變形監測。
           經過對液體靜力水準自動觀測系統的研制,我們還感到仍有許多需要研究和對系統改進的地方,比如:當連通的兩個缽體相隔較遠時,如何克服溫度或氣壓差異引起的測量誤差;在測點遠離中心控制室時,如何將信號傳輸過去;改進系統裝置,采用高線性度的位移傳感器,選擇加工精度較高的缽體,使測量精度和靈敏度更高;在浮子上再設置目測裝置,使更換傳感器時仍能保持資料的連續性,等等。這將是進一步完善該系統的目標。
     


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