精度高溫度計(jì)在大型水利工程中的應(yīng)用

摘要:為了監(jiān)測(cè)金沙江白鶴灘水電站工程運(yùn)行對(duì)水溫的影響,建立了包括庫(kù)區(qū)沿程水溫、取水口垂向水溫、機(jī)組流道水溫和壩下水溫的全覆蓋水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于水位主要變動(dòng)區(qū)域,系統(tǒng)前端設(shè)備選用±0.1℃精度的水溫計(jì),與傳統(tǒng)溫度計(jì)相比,精度高溫度計(jì)在工程中應(yīng)用較少。在廣泛調(diào)研對(duì)比典型溫度計(jì)指標(biāo)后,擬選用鉑電阻溫度計(jì)作為精度高溫度計(jì)在工程中進(jìn)行應(yīng)用。針對(duì)施工期接入自動(dòng)化前鉑電阻溫度計(jì)無(wú)專門人工測(cè)讀設(shè)備的情況,提出了現(xiàn)有水工電橋應(yīng)用于鉑電阻溫度計(jì)的四線制溫度測(cè)讀方式,并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了測(cè)讀方式的合理性。最后通過(guò)分析對(duì)比工程應(yīng)用數(shù)據(jù),證明了文中所述的精度高溫度計(jì)設(shè)備選型合理,提出的人工測(cè)讀方式正確。
　　水電站是金沙江下游四級(jí)開發(fā)方案的第二級(jí),是世界在建規(guī)模最大的水利工程。根據(jù)《金沙江白鶴灘水電站環(huán)境影響報(bào)告書》,白鶴灘水電站運(yùn)行時(shí)下泄水溫平水年4月月均最大降幅為3.9℃,特殊邊界條件下月均最大溫降約為5.6℃,電站運(yùn)行使向家壩壩下水溫延遲幅度增加約1旬,這將對(duì)金沙江河段以及長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的水生生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不利影響。
　　在當(dāng)前長(zhǎng)江流域大保護(hù)的背景下叫,為減緩本工程建設(shè)所產(chǎn)生的不利水溫影響,白鶴灘水電站設(shè)置庫(kù)區(qū)、壩前及壩下游水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng),運(yùn)行期對(duì)攀枝花至宜昌河段水溫進(jìn)行全面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。該水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括庫(kù)區(qū)沿程水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、取水口垂向水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)組流道水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和壩下水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)該電站庫(kù)區(qū)水溫預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)成果及水溫垂向分層特征凹,對(duì)溫度計(jì)的耐水壓和精度進(jìn)行合理選型,高程700m以下水流水溫相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域擬選用±0.3℃精度的水溫計(jì),在高程700m以上庫(kù)水位主要變動(dòng)區(qū)域擬選用+0.1℃精度的水溫計(jì)。
　　目前,水利工程安全監(jiān)測(cè)中常用的溫度傳感器多為電阻式溫度計(jì)和振弦式溫度計(jì),均滿足±0.3℃精度。與傳統(tǒng)溫度計(jì)相比,±0.1℃精度的水溫計(jì)在水利工程安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較少,將其定義為精度高溫度計(jì),針對(duì)白鶴灘水電站水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中精度高溫度計(jì)的選型、施工期測(cè)讀方式及應(yīng)用效果進(jìn)行探究。
1溫度計(jì)選型
1.1常用溫度計(jì)簡(jiǎn)介
　　溫度傳感器是長(zhǎng)期埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物或其它巖土工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)或表面,測(cè)量水工建筑物的壩體、隧洞、廠房等混凝土內(nèi)部的溫度,也可監(jiān)測(cè)大壩施工中混凝土拌和及傳輸時(shí)的溫度及水溫、氣溫等。如上節(jié)所述,水利工程中常用的溫度傳感器多為電阻式溫度計(jì),《大壩安全監(jiān)測(cè)儀器檢驗(yàn)測(cè)試規(guī)程》(SL530-2012)中也規(guī)定了銅電阻式溫度計(jì)、熱敏電阻式(RT型)溫度計(jì)和振弦式溫度計(jì)等3種類型溫度計(jì)的檢驗(yàn)測(cè)試方法和程序。其中,銅電阻式溫度計(jì)利用銅電阻在一定的溫度范圍內(nèi)與溫度成線性的關(guān)系工作。當(dāng)溫度計(jì)所處的環(huán)境溫度變化時(shí),銅電阻的電阻值也相應(yīng)變化。熱敏電阻式(RT型)溫度計(jì)是以半導(dǎo)體熱敏電阻為傳感器,利用半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目隨著溫度升高而按數(shù)激烈地增加,載流子的數(shù)目越多、導(dǎo)電能力越強(qiáng)、電阻率越小的特性,通過(guò)測(cè)量其電阻值來(lái)測(cè)得溫度。它與銅電阻溫度計(jì)的溫度變化特性正好相反。振弦式溫度計(jì)是當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),通過(guò)傳感器傳導(dǎo)至內(nèi)部感應(yīng)體,由于溫度與感應(yīng)體的變化有線性關(guān)系,感應(yīng)體產(chǎn)生膨脹或收縮,引起振弦的自振頻率發(fā)生變化,由二次儀.器通過(guò)線圈對(duì)振弦激振并接受數(shù)字信號(hào),便可計(jì)算得出當(dāng)前環(huán)境溫度的變化。
　　這3類溫度計(jì)均已在水利工程中長(zhǎng)期應(yīng)用,使用效果良好，且在施工期均有便攜的成熟二次儀表配合使用,其中銅電阻式溫度計(jì)精度均可達(dá)±0.3℃。
　　典型溫度計(jì)的有關(guān)指標(biāo)對(duì)比見表1。
 
1.2精度高溫度計(jì)選型
　　通過(guò)廠家調(diào)研和不同類型溫度計(jì)比選,金屬鉑是理想的溫度計(jì)材料,具有易提純、易加工、很好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn),以鉑電阻作為傳感器的溫度計(jì)具有測(cè)溫范圍大、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好等優(yōu)良測(cè)溫性能,可滿足工程要求的±0.1℃精度需求。從應(yīng)用來(lái)看,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)常作為各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、精密溫度計(jì)量?jī)x器的檢定儀器使用,在高科技、工業(yè)生產(chǎn)及科研領(lǐng)域的精度高溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
　　采用的鉑電阻溫度計(jì),如圖1所示。
 
　　具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、具有適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的不銹鋼結(jié)構(gòu)、防水性能佳、使用壽命長(zhǎng)、高靈敏度等特點(diǎn),主要技術(shù)參數(shù)詳見表2。
 
2施工期測(cè)讀方式研究
2.1測(cè)讀方法
　　水利工程中監(jiān)測(cè)儀器接續(xù)電纜通常較長(zhǎng),可達(dá)上千米，鉑電阻溫度計(jì)的阻值小、靈敏度高,如在100℃時(shí)鉑電阻的熱電阻率為0.379Ω/℃,若接續(xù)電纜電阻為2Ω,則誤差將達(dá)到5.3℃。因此在正常測(cè)讀傳感器電阻時(shí),必須考慮將儀器所引電纜電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差予以消除刊。
　　如上節(jié)所述,鉑電阻溫度計(jì)常用在精密工業(yè)系統(tǒng)中，所選溫度計(jì)的使用手冊(cè)中給出了自動(dòng)化采集系統(tǒng)的接人方式和測(cè)讀方式,對(duì)施工期未接人自動(dòng)化的情況下如何準(zhǔn)確測(cè)讀并沒有給出方法,也無(wú)相配套的便攜式測(cè)讀儀表。從儀器原理角度來(lái)說(shuō),精度高溫度計(jì)顯然不能使用振弦式讀數(shù)儀或振弦讀數(shù)儀的伴測(cè)溫度模塊來(lái)進(jìn)行測(cè)讀,因此,考慮從工業(yè)領(lǐng)域鉑電阻測(cè)量原理人手,分析借鑒已應(yīng)用成熟的同為測(cè)量電阻的銅電阻溫度計(jì)的測(cè)讀方式的可行性。
　　國(guó)際上針對(duì)熱電阻引線測(cè)度方式有3種,分別是二線制、三線制、四線制。二線制是在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來(lái)引出電阻信號(hào)的方式,這種引線方法很簡(jiǎn)單,但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r(Ω),引線電阻大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有關(guān),因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合。三線制是在熱電阻根部的一-端連接1根引線,另一端連接2根引線的方式,這種方式通常與電橋配套使用,可以較好地消除引線電阻的影響,在工業(yè)過(guò)程控制中最常用。四線制是在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接2根導(dǎo)線的方式,其中2根引線為熱電阻提供恒定電流I(A),把R(Ω)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U(V),再通過(guò)另2根引線把U(V)引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響,主要用于精度高的溫度檢測(cè)。
　　所選溫度計(jì)采用的是四芯電纜,所以擬采用雙.臂電橋四線制方法進(jìn)行測(cè)讀。水利工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已有成熟的電橋產(chǎn)品,主要用于差阻式儀器的電阻比、電阻值、反測(cè)電阻比及芯線電阻的測(cè)量,可消除長(zhǎng)電纜電阻及芯線電阻變差對(duì)測(cè)值的影響。差阻式儀器采用的是五芯水工電纜,已有的電橋產(chǎn)品也是據(jù)此設(shè)計(jì)的,電橋5個(gè)接線柱的顏色與五芯水工電纜芯線配對(duì)一致即可得出測(cè)量電阻值。從測(cè)量原理和儀器設(shè)備原理人手,研究利用現(xiàn)有的電橋產(chǎn)品采用四線制法對(duì)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)讀方式。
　　四線制測(cè)溫的接線等效圖如圖2所示。
 
　　圖2中,Rt為熱電阻(Ω);RLi為導(dǎo)線Li的等效電阻(Ω)。
　　通過(guò)導(dǎo)線L1、L2給熱電阻施加激勵(lì)電流I(A),測(cè)得電勢(shì)V3(V)、V4(V),導(dǎo)線L3、L4接人高輸人阻抗電路使Il3=0、Il4=0,因此V4-V3等于熱電阻兩端電壓,除以激勵(lì)電流I即可得出熱電阻值Rt。
　　通過(guò)分析現(xiàn)有電橋產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造,采用四線制方法精度高溫度計(jì)四芯測(cè)讀電纜連接方式如圖3所示。
 
　　利用鉑電阻的溫度-電阻特性即可解算出所測(cè)溫度,計(jì)算公式為:
Rt=R0[1+αT-bT²-cT³(T-100)](1)
　　式中:Rt為溫度為T時(shí)的電阻值(Ω);R。為溫度為0℃.時(shí)的電阻值熱電阻(Ω);a、b、c為系數(shù)(無(wú)量綱),儀器采用鉑電阻符合IEC751標(biāo)準(zhǔn)的溫度系數(shù)標(biāo)稱值α為0.003851的元件,系數(shù)取值見表3。
 
　　目前文獻(xiàn)和工作中鮮有水工電橋測(cè)讀精度高(鉑電阻)溫度計(jì)的實(shí)踐，下面將對(duì)上述水工電橋測(cè).讀精度高(鉑電阻)溫度計(jì)的接線方式有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證
2.2試驗(yàn)驗(yàn)證
2.2.1儀器設(shè)備
　　試驗(yàn)，所用的設(shè)備有恒溫水槽(工作區(qū)最大溫差不超過(guò)±0.1℃)、二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)及電橋、萬(wàn)用表等二次儀表,如圖4所示。
 
　　恒溫水槽用來(lái)為儀器提供標(biāo)準(zhǔn)的溫度環(huán)境,鉑電阻溫度計(jì)與水銀溫度計(jì)全部浸沒于恒溫水槽中,水銀溫度計(jì)用來(lái)對(duì)溫度環(huán)境進(jìn)行指正,采用電橋和萬(wàn)用表分別對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)讀,2種二次儀器分別代表了四線制方式和二線制方式,所測(cè)的結(jié)果用來(lái)對(duì)比。
2.2.2試驗(yàn)結(jié)果
　　試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,測(cè)試方法嚴(yán)格按照《大壩安全監(jiān)測(cè)儀器檢驗(yàn)測(cè)試規(guī)程》(SL530-2012)進(jìn)行。在恒溫水槽中0、30、60℃共3個(gè)溫度點(diǎn),溫度計(jì)接續(xù)3、50、100m電纜共3種情況分別用電橋和萬(wàn)用表測(cè)電阻,進(jìn)而求出溫度值,試驗(yàn)結(jié)果見表4一6。
 
將表6測(cè)讀溫度誤差繪制在同一個(gè)分布對(duì)比圖中,如圖5所示。
 
　　結(jié)果表明:①直接采用萬(wàn)用電表用二線制接線方式測(cè)量,隨著儀器接線長(zhǎng)度增加,測(cè)量結(jié)果誤差也相應(yīng)增加,這由于二線制方式無(wú)法消除電纜誤差所致。②采用電橋測(cè)量用四線制接線方式測(cè)量,在各測(cè)試溫度點(diǎn)誤差均較小,在試驗(yàn)室條件下,最大誤差為±0.04℃,不受儀器接線長(zhǎng)度影響。這表明所選鉑電阻溫度計(jì)精度滿足工程需要,所選測(cè)量?jī)x表合適,研究的四線制接線方式正確。
3工程應(yīng)用
3.1精度高溫度計(jì)布置
　　白鶴灘水電站左岸進(jìn)水塔采用疊梁門取水方案,單個(gè)進(jìn)水塔寬度33.2m,順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)34.5m,依次布置攔污柵段、通倉(cāng)段、喇叭口段及閘門室段。進(jìn)水口底板高程736m,塔基高程731m,塔頂高程834m,塔體高度103m。
　　在白鶴灘水電站左岸1*和2*進(jìn)水塔進(jìn)口流道及機(jī)組各設(shè)-條流道水溫監(jiān)測(cè)測(cè)線,各測(cè)點(diǎn)分布在左岸1*和2*進(jìn)水塔檢修閘門槽后的水位觀測(cè)管內(nèi)、1#和2*尾水連接管(尾水管檢修閘門室和尾水調(diào)壓室之間)內(nèi)、1*尾水出口附近,共計(jì)6個(gè)。
　　溫度計(jì)典型布設(shè),如圖6所示。
 
3.2溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果
　　溫度計(jì)埋設(shè)后,數(shù)據(jù)采集大致經(jīng)歷3個(gè)階段:①剛埋人完成后,在儀器旁觀測(cè);②隨著工程建設(shè),儀器電纜逐步接長(zhǎng)至觀測(cè)箱(由圖6可知,最長(zhǎng)約1000m);③電纜接入自動(dòng)采集模塊,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。由于進(jìn)水塔和尾水隧洞兩部位的溫度計(jì)均因?yàn)?施工交叉的原因,數(shù)據(jù)采集密度小，故選用尾水連接管的2支溫度計(jì)進(jìn)行分析,如圖7所示。
 
　　由圖7可知,施工期溫度計(jì)埋設(shè)完成后大致經(jīng)歷3個(gè)階段,除自動(dòng)化階段外,均采用電橋四線制接線方式測(cè)讀。在電纜逐步接長(zhǎng)和自動(dòng)化集成階段,所測(cè)溫度值均比較穩(wěn)定,未發(fā)生劇烈跳增和波動(dòng)現(xiàn)象。自動(dòng)化接人后,同時(shí)將該方式人工測(cè)讀和自動(dòng)化測(cè)量進(jìn)行對(duì)比,所測(cè)結(jié)果幾乎一致。
4結(jié)論
　　采用廣泛調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn).工程應(yīng)用等研究方法,對(duì)白鶴灘水電站水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中精度高溫度計(jì)的選型、施工期測(cè)讀方式及應(yīng)用效果進(jìn)行探究,主要結(jié)論如下。
(1)鉑電阻溫度計(jì)性能好,精度優(yōu)于常用的水工.監(jiān)測(cè)溫度計(jì),精度滿足工程設(shè)計(jì)要求,儀器選型準(zhǔn)確。
(2)通過(guò)室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn),鉑電阻溫度計(jì)人工測(cè)量可采用現(xiàn)用水工電橋按文中所述的四線制方式進(jìn)行測(cè)讀,測(cè)讀結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)由于二線制測(cè)讀方式,可消除接.
續(xù)電纜所帶來(lái)的誤差。
(3)鉑電阻溫度計(jì)應(yīng)用于白鶴灘水電站流道水溫監(jiān)測(cè)中,在近兩年的人工測(cè)讀中,采用所述方法,測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定。溫度計(jì)接人自動(dòng)后,與人工測(cè)讀進(jìn)行比測(cè),所測(cè)結(jié)果一致。
(4)現(xiàn)有的水工電橋并不是針對(duì)鉑電阻設(shè)計(jì)的，后續(xù)可針對(duì)鉑電阻溫度計(jì)的特性按電橋的原理設(shè)計(jì)便攜式測(cè)讀裝置,并內(nèi)置數(shù)據(jù)處理模塊,讀取電阻的同時(shí)可即得溫度,便于工程使用。