精度高溫度計在大型水利工程中的應(yīng)用

摘要:為了監(jiān)測金沙江白鶴灘水電站工程運行對水溫的影響,建立了包括庫區(qū)沿程水溫、取水口垂向水溫、機組流道水溫和壩下水溫的全覆蓋水溫監(jiān)測系統(tǒng)。對于水位主要變動區(qū)域,系統(tǒng)前端設(shè)備選用±0.1℃精度的水溫計,與傳統(tǒng)溫度計相比,精度高溫度計在工程中應(yīng)用較少。在廣泛調(diào)研對比典型溫度計指標后,擬選用鉑電阻溫度計作為精度高溫度計在工程中進行應(yīng)用。針對施工期接入自動化前鉑電阻溫度計無專門人工測讀設(shè)備的情況,提出了現(xiàn)有水工電橋應(yīng)用于鉑電阻溫度計的四線制溫度測讀方式,并通過室內(nèi)試驗對比驗證了測讀方式的合理性。最后通過分析對比工程應(yīng)用數(shù)據(jù),證明了文中所述的精度高溫度計設(shè)備選型合理,提出的人工測讀方式正確。
　　水電站是金沙江下游四級開發(fā)方案的第二級,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)境影響報告書》,白鶴灘水電站運行時下泄水溫平水年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℃,電站運行使向家壩壩下水溫延遲幅度增加約1旬,這將對金沙江河段以及長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)的水生生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響。
　　在當前長江流域大保護的背景下叫,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)置庫區(qū)、壩前及壩下游水溫監(jiān)測系統(tǒng),運行期對攀枝花至宜昌河段水溫進行全面系統(tǒng)監(jiān)測。該水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)包括庫區(qū)沿程水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)、取水口垂向水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)、機組流道水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)和壩下水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)該電站庫區(qū)水溫預測模型預測成果及水溫垂向分層特征凹,對溫度計的耐水壓和精度進行合理選型,高程700m以下水流水溫相對穩(wěn)定區(qū)域擬選用±0.3℃精度的水溫計,在高程700m以上庫水位主要變動區(qū)域擬選用+0.1℃精度的水溫計。
　　目前,水利工程安全監(jiān)測中常用的溫度傳感器多為電阻式溫度計和振弦式溫度計,均滿足±0.3℃精度。與傳統(tǒng)溫度計相比,±0.1℃精度的水溫計在水利工程安全監(jiān)測中應(yīng)用較少,將其定義為精度高溫度計,針對白鶴灘水電站水溫監(jiān)測系統(tǒng)中精度高溫度計的選型、施工期測讀方式及應(yīng)用效果進行探究。
1溫度計選型
1.1常用溫度計簡介
　　溫度傳感器是長期埋設(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)測大壩施工中混凝土拌和及傳輸時的溫度及水溫、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,《大壩安全監(jiān)測儀器檢驗測試規(guī)程》(SL530-2012)中也規(guī)定了銅電阻式溫度計、熱敏電阻式(RT型)溫度計和振弦式溫度計等3種類型溫度計的檢驗測試方法和程序。其中,銅電阻式溫度計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。當溫度計所處的環(huán)境溫度變化時,銅電阻的電阻值也相應(yīng)變化。熱敏電阻式(RT型)溫度計是以半導體熱敏電阻為傳感器,利用半導體中的載流子數(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、導電能力越強、電阻率越小的特性,通過測量其電阻值來測得溫度。它與銅電阻溫度計的溫度變化特性正好相反。振弦式溫度計是當環(huán)境溫度變化時,通過傳感器傳導至內(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.器通過線圈對振弦激振并接受數(shù)字信號,便可計算得出當前環(huán)境溫度的變化。
　　這3類溫度計均已在水利工程中長期應(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精度均可達±0.3℃。
　　典型溫度計的有關(guān)指標對比見表1。
 
1.2精度高溫度計選型
　　通過廠家調(diào)研和不同類型溫度計比選,金屬鉑是理想的溫度計材料,具有易提純、易加工、很好的物理和化學穩(wěn)定性等特點,以鉑電阻作為傳感器的溫度計具有測溫范圍大、性能穩(wěn)定、重復性好等優(yōu)良測溫性能,可滿足工程要求的±0.1℃精度需求。從應(yīng)用來看,標準鉑電阻溫度計常作為各種標準溫度計、精密溫度計量儀器的檢定儀器使用,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,如圖1所示。
 
　　具有長期穩(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、高靈敏度等特點,主要技術(shù)參數(shù)詳見表2。
 
2施工期測讀方式研究
2.1測讀方法
　　水利工程中監(jiān)測儀器接續(xù)電纜通常較長,可達上千米，鉑電阻溫度計的阻值小、靈敏度高,如在100℃時鉑電阻的熱電阻率為0.379Ω/℃,若接續(xù)電纜電阻為2Ω,則誤差將達到5.3℃。因此在正常測讀傳感器電阻時,必須考慮將儀器所引電纜電阻帶來的測量誤差予以消除刊。
　　如上節(jié)所述,鉑電阻溫度計常用在精密工業(yè)系統(tǒng)中，所選溫度計的使用手冊中給出了自動化采集系統(tǒng)的接人方式和測讀方式,對施工期未接人自動化的情況下如何準確測讀并沒有給出方法,也無相配套的便攜式測讀儀表。從儀器原理角度來說,精度高溫度計顯然不能使用振弦式讀數(shù)儀或振弦讀數(shù)儀的伴測溫度模塊來進行測讀,因此,考慮從工業(yè)領(lǐng)域鉑電阻測量原理人手,分析借鑒已應(yīng)用成熟的同為測量電阻的銅電阻溫度計的測讀方式的可行性。
　　國際上針對熱電阻引線測度方式有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線來引出電阻信號的方式,這種引線方法很簡單,但由于連接導線必然存在引線電阻r(Ω),引線電阻大小與導線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān),因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。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)過程控制中最常用。四線制是在熱電阻的根部兩端各連接2根導線的方式,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U(V),再通過另2根引線把U(V)引至二次儀表?？梢娺@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。
　　所選溫度計采用的是四芯電纜,所以擬采用雙.臂電橋四線制方法進行測讀。水利工程安全監(jiān)測領(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、反測電阻比及芯線電阻的測量,可消除長電纜電阻及芯線電阻變差對測值的影響。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)計的,電橋5個接線柱的顏色與五芯水工電纜芯線配對一致即可得出測量電阻值。從測量原理和儀器設(shè)備原理人手,研究利用現(xiàn)有的電橋產(chǎn)品采用四線制法對鉑電阻溫度計測讀方式。
　　四線制測溫的接線等效圖如圖2所示。
 
　　圖2中,Rt為熱電阻(Ω);RLi為導線Li的等效電阻(Ω)。
　　通過導線L1、L2給熱電阻施加激勵電流I(A),測得電勢V3(V)、V4(V),導線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,除以激勵電流I即可得出熱電阻值Rt。
　　通過分析現(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四芯測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溫度,計算公式為:
Rt=R0[1+αT-bT²-cT³(T-100)](1)
　　式中:Rt為溫度為T時的電阻值(Ω);R。為溫度為0℃.時的電阻值熱電阻(Ω);a、b、c為系數(shù)(無量綱),儀器采用鉑電阻符合IEC751標準的溫度系數(shù)標稱值α為0.003851的元件,系數(shù)取值見表3。
 
　　目前文獻和工作中鮮有水工電橋測讀精度高(鉑電阻)溫度計的實踐，下面將對上述水工電橋測.讀精度高(鉑電阻)溫度計的接線方式有效性進行試驗驗證
2.2試驗驗證
2.2.1儀器設(shè)備
　　試驗，所用的設(shè)備有恒溫水槽(工作區(qū)最大溫差不超過±0.1℃)、二等標準水銀溫度計及電橋、萬用表等二次儀表,如圖4所示。
 
　　恒溫水槽用來為儀器提供標準的溫度環(huán)境,鉑電阻溫度計與水銀溫度計全部浸沒于恒溫水槽中,水銀溫度計用來對溫度環(huán)境進行指正,采用電橋和萬用表分別對儀器進行測讀,2種二次儀器分別代表了四線制方式和二線制方式,所測的結(jié)果用來對比。
2.2.2試驗結(jié)果
　　試驗在標準試驗室內(nèi)進行,測試方法嚴格按照《大壩安全監(jiān)測儀器檢驗測試規(guī)程》(SL530-2012)進行。在恒溫水槽中0、30、60℃共3個溫度點,溫度計接續(xù)3、50、100m電纜共3種情況分別用電橋和萬用表測電阻,進而求出溫度值,試驗結(jié)果見表4一6。
 
將表6測讀溫度誤差繪制在同一個分布對比圖中,如圖5所示。
 
　　結(jié)果表明:①直接采用萬用電表用二線制接線方式測量,隨著儀器接線長度增加,測量結(jié)果誤差也相應(yīng)增加,這由于二線制方式無法消除電纜誤差所致。②采用電橋測量用四線制接線方式測量,在各測試溫度點誤差均較小,在試驗室條件下,最大誤差為±0.04℃,不受儀器接線長度影響。這表明所選鉑電阻溫度計精度滿足工程需要,所選測量儀表合適,研究的四線制接線方式正確。
3工程應(yīng)用
3.1精度高溫度計布置
　　白鶴灘水電站左岸進水塔采用疊梁門取水方案,單個進水塔寬度33.2m,順水流方向長34.5m,依次布置攔污柵段、通倉段、喇叭口段及閘門室段。進水口底板高程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*進水塔進口流道及機組各設(shè)-條流道水溫監(jiān)測測線,各測點分布在左岸1*和2*進水塔檢修閘門槽后的水位觀測管內(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6個。
　　溫度計典型布設(shè),如圖6所示。
 
3.2溫度監(jiān)測結(jié)果
　　溫度計埋設(shè)后,數(shù)據(jù)采集大致經(jīng)歷3個階段:①剛埋人完成后,在儀器旁觀測;②隨著工程建設(shè),儀器電纜逐步接長至觀測箱(由圖6可知,最長約1000m);③電纜接入自動采集模塊,實現(xiàn)自動化測量。由于進水塔和尾水隧洞兩部位的溫度計均因為.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支溫度計進行分析,如圖7所示。
 
　　由圖7可知,施工期溫度計埋設(shè)完成后大致經(jīng)歷3個階段,除自動化階段外,均采用電橋四線制接線方式測讀。在電纜逐步接長和自動化集成階段,所測溫度值均比較穩(wěn)定,未發(fā)生劇烈跳增和波動現(xiàn)象。自動化接人后,同時將該方式人工測讀和自動化測量進行對比,所測結(jié)果幾乎一致。
4結(jié)論
　　采用廣泛調(diào)研、室內(nèi)試驗.工程應(yīng)用等研究方法,對白鶴灘水電站水溫監(jiān)測系統(tǒng)中精度高溫度計的選型、施工期測讀方式及應(yīng)用效果進行探究,主要結(jié)論如下。
(1)鉑電阻溫度計性能好,精度優(yōu)于常用的水工.監(jiān)測溫度計,精度滿足工程設(shè)計要求,儀器選型準確。
(2)通過室內(nèi)對比試驗,鉑電阻溫度計人工測量可采用現(xiàn)用水工電橋按文中所述的四線制方式進行測讀,測讀結(jié)果遠遠由于二線制測讀方式,可消除接.
續(xù)電纜所帶來的誤差。
(3)鉑電阻溫度計應(yīng)用于白鶴灘水電站流道水溫監(jiān)測中,在近兩年的人工測讀中,采用所述方法,測量結(jié)果穩(wěn)定。溫度計接人自動后,與人工測讀進行比測,所測結(jié)果一致。
(4)現(xiàn)有的水工電橋并不是針對鉑電阻設(shè)計的，后續(xù)可針對鉑電阻溫度計的特性按電橋的原理設(shè)計便攜式測讀裝置,并內(nèi)置數(shù)據(jù)處理模塊,讀取電阻的同時可即得溫度,便于工程使用。