灌漿工程中一種性能優(yōu)良的壓力變送器應用

摘要: 根據(jù)灌漿工程的特性，研制了一套動態(tài)檢測灌漿壓力的壓力變送器。介紹了壓阻式壓力變送器的設計要點,重點分析了壓阻式傳感器的工作原理及配套的油水隔離器的技術特點,同時也介紹了現(xiàn)場應用效果。.
1前言
　　灌漿工程中，灌漿效果取決于諸多因素，其中灌漿壓力是最重要的一項，盡管灌漿施工技術要求中已為灌漿設定了一個最適宜的灌漿壓力，但是此灌漿壓力還要借助現(xiàn)場壓力變送器的指示來施加，因此，用壓力變送器客觀真實地檢測灌漿壓力已成為灌漿工程中一項十分關鍵的技術。
　　灌漿壓力通常是由灌漿泵活塞往復運動的驅(qū)使而產(chǎn)生的，經(jīng)連續(xù)流動的漿體的傳遞而進入受灌地層，由于活塞泵的這一往復運動特性及調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)，使得灌漿壓力在灌漿通道內(nèi)呈脈動傳遞，這對壓力變送器提出了較高要求，其必須具備耐動態(tài)沖擊、響應頻率快和壓力超限等條件,經(jīng)綜合分析,采用壓阻式壓力傳感器最為合適。
2壓阻效應和壓阻式壓力傳感器工作原理
2.1壓阻效應
　　固體材料在應力作用下發(fā)生形變時，其電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應，根據(jù)歐姆定律與壓阻效應，長?、截面積A、電阻率ρ的條形材料受軸向應力后的電阻變化率為:
 
　　式中，σ為應力，E為材料的彈性模量，μ為材料的泊松比，ε為應變，J為壓阻系數(shù), K為應變ε引起的電阻變化靈敏度系數(shù)，也稱為G因子，它表征電阻率隨應力σ的變化率，即壓阻效應的強弱。
　　在K的表達式中，πE為電阻率的變化，1+2 μ為電阻縱橫向尺寸的變化。對于各種常用固體材料來說，μ =0.25~0.5,對于一般金屬材料由于其πE幾乎為零，因而金屬絲、箔應變計的K值約為1.5~2,靈敏度低。對于許多半導體材料來說壓阻效應非常顯著，壓阻系數(shù)π引起電阻率的變化可以起主導作用，例如常用電阻率范圍內(nèi)的P型硅，在適當?shù)碾娮枞∠蚝蛻ψ饔孟拢?pi;≈(40至80) ×10^-11m²/N,其常用的彈性模量E=1. 7×10¹¹Pa,所以有K≈πTE≈65~130,而1+2 μ的作用可忽略不計。這就是壓阻式傳感器通常比金屬應變計式傳感器靈敏度要高1~2個數(shù)量級的原因。
2.2壓阻式壓力傳感器的工作原理,
　　其次浸在硅油中的芯片是焊接在密封的不銹鋼外殼內(nèi)，確保芯片免受外界環(huán)境影響，因此經(jīng)久耐用。同時每只壓力傳感器都經(jīng)過動態(tài)壓力頻率響應和溫度特性的補償試驗，具備優(yōu)良的電氣特性和成倍的過載能力。
　　壓力敏感芯片利用單晶硅壓阻效應在單晶硅的基片上用擴散工藝制成一定形狀的應變元件，當它受到壓力作用時應變元件的電阻發(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化。圖1為壓力傳感器的原理圖。在硅片上利用集成電路工藝制成四個等值薄膜電阻組成惠登斯電橋，當不受壓力時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出;當受到壓力時，一對橋臂電阻變大，另一對橋臂電阻變小，電橋失去平衡，有電壓輸出，且輸出電壓與壓力成正比。
　　由于10系列壓力傳感器輸出的信號為微弱的電壓信號，為了將電壓信號變成4~20mA的標準電流信號，需外接一個精度高、低漂移的壓力變送器，其采用XTR101型電壓/電流變換器為核心，該芯片將微弱電壓信號輸入轉(zhuǎn)變成標準的電流信號(4~20mA)輸出。
3油水隔離器
　　在灌漿作業(yè)檢測過程中，漿液直接接觸壓力傳感器膜片會造成壓力傳感器腐蝕破壞，或是引起檢測數(shù)據(jù)誤差太大，因此要把漿液和傳感器探頭隔離，不能讓漿液直接作用在探頭上，于是設計了油水隔離器。
 
　　高壓膠套式油水隔離器的技術特點是在壓力傳感器探頭前設計了耐高壓膠套和鋼支撐骨架(儲油軸管),見圖2。特制耐高壓膠套是特殊配方生產(chǎn)的橡膠制品，內(nèi)外直徑分別為21mm, 27mm, 長為102mm,現(xiàn)場的應用實踐表明:特制耐高壓膠套的使用效果很好，它有足夠的面積使?jié){液將壓力充分的作用在膠套上，適應壓力的頻率響應和耐疲勞極限，靈敏度高，滿足現(xiàn)場對漿液壓力檢測的需要，壓力損失也極小，膠套里面的鋼支撐骨架起保護膠套的作用，使膠套不至于壓縮變形過度而被損壞。工作原理是:在灌漿過程中，高壓漿液進入1腔區(qū)，將高壓作用在特制耐高壓的膠套.上，2腔區(qū)里在裝配前已經(jīng)注滿優(yōu)質(zhì)硅油，它直接接觸壓力傳感器探頭膜片，硅油承受并傳遞壓力到探頭膜片上，膜片就間接地檢測到漿液的實際壓力, 3腔區(qū)內(nèi)安裝的是壓力變送器,將信號電流放大, .轉(zhuǎn)換，輸出4~20mA的信號電流。
4儀器標定
　　從傳感器輸出的信號經(jīng)過-系列的信號處理之后，進入主機的信號較為穩(wěn)定，但仍需儀器標定來判別儀器是否能準確檢測和正常工作。儀器標定分為室內(nèi)標定和現(xiàn)場標定。標定方程的推導過程如下。壓力計的電流范圍: 4~ 20mA;
　　壓力測量范圍: 0~10kPa;
　　壓力(P) 與流量(I)之間呈線性關系:
P= K1X ( I-4)    (1)
　　式中: P一測量壓力(Mpa); I一電流信號(mA);K1一壓力系數(shù)(MPa/ mA),取Pmax二10MPa, I= 20mA;由式(1)得系數(shù)K1 = P/ (I-4) = 10/ (20- -4) =0.625MPa/ mA;所以這里式(1)就變?yōu)閴毫?shù)的標定方程:
P= 0. 625X ( I-4)  (2)
4.1室內(nèi)標定試驗
　　儀器在出廠之前以及到現(xiàn)場投入施工以前都要進行一系列標定試驗，以檢驗儀器的質(zhì)量和確保測量的精度。壓力標定試驗分為兩步:①用信號模擬器來模擬壓力傳感器輸出的電流信號。壓力值在施工現(xiàn)場的測量范圍一般為0~5 MPa,所以要重點對這-段進行標定，即要使信號電流值與壓力值之間的關系與式(2)相吻合。②用壓力傳感器和標準壓力計同時檢測同一系列壓力值，使二者的顯示值相等或相差在0. 03MPa以內(nèi),如果相差太大,說明壓力傳感器方面出.了問題，典型的標定試驗數(shù)據(jù)如表1所示。
 
4.2現(xiàn)場標定試驗
　　出廠的儀器已經(jīng)進行了標定，在現(xiàn)場使用之前也要進行標定，現(xiàn)場也有標準壓力計，以便對壓力傳感器進行標定，其標定方法與出廠前標定相同，另外可以把儀器和與現(xiàn)場用的指針式的壓力表串聯(lián)在一起.進行灌漿，在一定壓力下比較兩者的讀數(shù)是否吻合，如果一樣，就說明儀器滿足要求，標定完畢。.
5工程實例
　　壓阻式壓力變送器配套LJ系列灌漿壓水測控系統(tǒng)使用，目前在新建大中型水電站的灌漿工程中得到了推廣應用，如洪家渡、引子渡、琊砑山抽水蓄能電站，以及遵義灌區(qū)、百色水利樞紐等水利工程。表2是抽水蓄能電站一個帷幕灌漿孔原始報表的一部分，灌漿過程使用LJ灌漿壓力檢測系統(tǒng)的LJ一II 型灌漿,壓水測控系統(tǒng)作過程檢測。從表中可知, 隨著灌漿過程的繼續(xù)，壓力逐漸增大。
 
　　在施工條件惡劣的情況下，壓阻式壓力變送器體現(xiàn)了其自身的優(yōu)點，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強，其最顯著的特點是良好的耐動態(tài)沖擊性能，高的響應頻率和極高的靈敏度，從而使得在測量中大大減小了測量誤差，提高了測量精度。

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