靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)方案

1、 靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測系統(tǒng)上海華測創(chuàng)時測控科技有限公司技術(shù)部1 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)21.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)21.2系統(tǒng)的工作原理22 靜力水準(zhǔn)儀42.1背景技術(shù)42.2靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)42.3靜力水準(zhǔn)儀特點(diǎn)52.4靜力水準(zhǔn)儀傳感器52.5傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理52.6靜力水準(zhǔn)儀的讀數(shù)與計(jì)算62.6.1讀數(shù)62.6.2計(jì)算62.6.3說明62.7靜力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)傳輸72.7.1數(shù)據(jù)傳輸注意事項(xiàng)72.7.2數(shù)據(jù)傳輸電纜72.7.3數(shù)據(jù)傳輸接線方法72.8靜力水準(zhǔn)儀的安裝72.8.1測墩安裝82.8.2墻壁安裝82.8.3安裝地板和安裝架的固定92.8.4貯液容器的安裝92.8.5連接通液管92.8.6系統(tǒng)充液92.

2、8.7安裝傳感器102.8.8安裝通氣管103系統(tǒng)軟件簡介101靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)是測量兩點(diǎn)間或多點(diǎn)間相對高程變化的精密儀器。主要用于大壩、核電站、高層建筑、礦山、滑坡、橋梁等垂直位移和傾斜的監(jiān)測。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)一般安裝在被測物體等高的測墩上或被測物體墻壁等高線上，通常采用HC-C800一體化模塊化自動測量單元采集數(shù)據(jù)，通過有線或無線通訊與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)自動化觀測。1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由靜力水準(zhǔn)儀及安裝架、液體連通管及固定配件、通氣連通管及固定配件、干燥管、液體等組成。安裝方式分為測墩式安裝和墻壁式安裝兩種方式，視現(xiàn)場條件和設(shè)計(jì)要求選定，如圖示1。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3、示1(模型)1.2系統(tǒng)的工作原理靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)又稱連通管水準(zhǔn)儀，系統(tǒng)至少由兩個觀測點(diǎn)組成，每個觀測點(diǎn)安裝一套靜力水準(zhǔn)儀。靜力水準(zhǔn)儀的貯液容器相互用通液管完全連通，貯液容器內(nèi)注入液體，當(dāng)液體液面完全靜止后系統(tǒng)中所有連通容器內(nèi)的液面應(yīng)同在一個大地水準(zhǔn)面上O，此時每一容器的液位由傳感器測出，即初始液位值分別為：H10、H20、H30、H40、·····Hi0，如圖示2。假設(shè)被測物體測點(diǎn)1作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測點(diǎn)2的地基下沉，測點(diǎn)3的地基上升，測點(diǎn)4的地基不變等等，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡靜止后形成新的水準(zhǔn)面i0，則各測點(diǎn)連通容器內(nèi)的新液位值分別為：H1、H2、H3

4、、H4······Hi，如圖示3。系統(tǒng)各測點(diǎn)的液位由靜力水準(zhǔn)儀傳感器測得，各測點(diǎn)液位變化量分別計(jì)算為：h1=H1-H10、h2=H2-H20、h3=H3-H30、h4=H4-H40······hi=Hi-Hi0。其中計(jì)算結(jié)果：hi為正值表示該測點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面升高，hi為負(fù)值表示該測點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面降低，如圖示3。在此，選定測點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，則其它各測點(diǎn)相對基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移(沉降量)為：H2=h1-h2、H3=h1-h3、H4=h1-h4、···

5、;···Hi=h1-hi。其中計(jì)算結(jié)果：Hi為正值表示該測點(diǎn)地基抬高，Hi為負(fù)值表示該測點(diǎn)地基沉降，如圖示3。如果知道兩測點(diǎn)間的水平距離L，則兩測點(diǎn)間相對傾斜的變化也可算得，如圖示3。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理圖示2 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理圖示3依照上述原理，在靜力水準(zhǔn)儀的系統(tǒng)中，不但可以觀測兩測點(diǎn)間的相對垂直位移，也可在建筑物及其它地基內(nèi)布置多個測點(diǎn)并連成系統(tǒng)，并選一穩(wěn)定不動的測點(diǎn)做為基準(zhǔn)點(diǎn)，來觀測各測點(diǎn)相對基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移(沉降量)。往往基準(zhǔn)點(diǎn)是相對恒定的或者是可用其它方式準(zhǔn)確測定的點(diǎn)，精確計(jì)算各點(diǎn)的絕對垂直位移，必須核定基準(zhǔn)點(diǎn)地基的沉降變化量。對于多測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)系

6、統(tǒng)，每個測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀均需加接三通接頭，使各測點(diǎn)貯液容器用水管連通，各點(diǎn)容器上部與大氣連通，且各點(diǎn)安裝高程應(yīng)基本相同，基準(zhǔn)點(diǎn)必須穩(wěn)固。2靜力水準(zhǔn)儀2.1背景技術(shù)目前在我國推廣應(yīng)用的靜力水準(zhǔn)儀技術(shù)中主要使用的傳感器為：振弦式、電容式、光電式、差動變壓器式等。以上形式的儀器共同的弱點(diǎn)是損壞率高，長期穩(wěn)定性差，需要定期的重新標(biāo)定，維護(hù)費(fèi)用高，信號輸出形式固定適應(yīng)性差。其中有些傳感器安裝要求較高，必須專業(yè)技術(shù)人員安裝；有些傳感器測量精度較差，可靠性方面存在缺陷等等。本系統(tǒng)所述的靜力水準(zhǔn)儀使用磁致伸縮液位計(jì)作為傳感器，型號為JL-1。該傳感器是利用磁致伸縮原理開發(fā)出的新一代高精度液位測量產(chǎn)品，是一種非

7、接觸式液位測量傳感器。傳感器浮子在測桿上的位置隨貯液容器內(nèi)液位的變化而同步變化，通過二次儀表可測得變化數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出液位的變化量。本靜力水準(zhǔn)儀所用傳感器能有效地克服其它類型傳感器所存在的以上問題,具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)。2.2靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)本文著重介紹HC-J100式靜力水準(zhǔn)儀，其結(jié)構(gòu)主要由觀測電纜、傳感器、水平泡、氣管接頭、通氣管、加液塞、上端蓋、貯液筒、防凍液、下端蓋、通液管接頭、通液管、底板、調(diào)節(jié)螺栓、安裝架等部件組成，如圖示4。JL-1型磁致伸縮式靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)圖示42.3靜力水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)本HC-J100式靜力水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)：1.采用有機(jī)玻璃管作為貯液容器，透明

8、度好，可以直觀的反應(yīng)容器內(nèi)液面的高度便于目測。2.上下端蓋采用鋁合金材料制成，表面氧化發(fā)黑處理，及輕便又防銹。3.傳感器采用全不銹鋼制造永不生銹，外部全封閉式結(jié)構(gòu)，防水性能好。4.傳感器安裝采用螺紋連接固定，無需其它附件，及簡單又牢靠。5.上端蓋或底板上裝有水平泡，便于儀器的安裝調(diào)平。6.安裝架裝有3套調(diào)節(jié)螺栓對儀器底板形成3點(diǎn)支撐，便于儀器的安裝調(diào)平7.安裝架適用在測墩和墻壁安裝，無需增加附件，固定簡單方便。2.4靜力水準(zhǔn)儀傳感器HC-J100式靜力水準(zhǔn)儀采用的傳感器，是利用磁致伸縮原理開發(fā)出的新一代高精度液位測量產(chǎn)品，是一種非接觸式液位測量傳感器。具有高分辨率、高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、

9、響應(yīng)時間快，工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。主要特點(diǎn)：直線測量，絕對位置輸出；非接觸式連續(xù)測量，永不磨損；傳感器不用重新標(biāo)定，也不用定期維護(hù)；輸入/輸出多種選擇，可選擇電壓、電流模擬信號輸出，RS485數(shù)字信號輸出；安裝簡單方便與其它液位計(jì)相比有明顯的優(yōu)勢。傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)1.測量范圍：050mm(超量程可達(dá)70mm以上)2.供電電壓：+12VDC±10%3.輸出電流：420mA4.負(fù)載能力：電流信號輸出最大負(fù)載2005.系統(tǒng)測量最小值：0.5mm6.線性度：±0.5%FS7.不重復(fù)性：0.5%FS8.滯后：0.5%FS9.工作溫度：258010.溫度影響：0.007%FS/2.5傳

10、感器的結(jié)構(gòu)和工作原理JL-1型靜力水準(zhǔn)儀所使用的磁致伸縮液位傳感器主要由測桿、電子倉、觀測電纜以及套在測桿上的非接觸磁浮球組成,如圖示5。JL-1型磁致伸縮式量水堰計(jì)傳感器的工作原理磁致伸縮液位傳感器的測桿內(nèi)裝有磁致伸縮線(波導(dǎo)絲)，測桿由不導(dǎo)磁的不銹鋼管制成，可靠地保護(hù)了波導(dǎo)絲。工作時，由電路產(chǎn)生一起始脈沖，起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時，產(chǎn)生沿波導(dǎo)絲方向的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)這個磁場與浮球中的永久磁場相遇時，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動，這一扭動被電子拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，測量電路計(jì)算出兩個脈沖之間的時間差，即可精確地測出被測液位值。2.6靜力水準(zhǔn)儀的讀數(shù)與計(jì)算2.6.1讀數(shù)1.手

11、動采集數(shù)據(jù)可使用HC-1212型讀數(shù)儀直接讀取模數(shù)F。2.自動采集數(shù)據(jù)可使用HC-C800分布式模塊化自動測量單元測量(模數(shù)F=讀數(shù)×100，小數(shù)點(diǎn)后4舍5入)。3.計(jì)算機(jī)讀取(使用專用軟件，直接讀取工程值）。 2.6.2計(jì)算1.靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)液位變化量hj(mm)可按下列公式計(jì)算：hj=Kj(FjFoj)在此：Kj靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)傳感器系數(shù)(mm/F)Fj靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)的當(dāng)前讀數(shù)(F)Foj靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)的初始讀數(shù)(F)2.靜力水準(zhǔn)儀各觀測點(diǎn)液位變化量hi(mm)可按下列公式計(jì)算：hi=Ki(FiFoi)在此：Ki靜力水準(zhǔn)儀觀測點(diǎn)傳感器系數(shù)(mm/F)Foi靜力水準(zhǔn)儀觀測點(diǎn)的

12、初始讀數(shù)(F)Fi靜力水準(zhǔn)儀觀測點(diǎn)的當(dāng)前讀數(shù)(F)3.各觀測點(diǎn)沉降或抬高的變化量Hi(mm)可按下列公式計(jì)算：Hi=hjhi =Kj(FjFoj)Ki(FiFoi)2.6.3說明1.當(dāng)靜力水準(zhǔn)儀觀測計(jì)算值Hi為負(fù)值時表示觀測點(diǎn)地基沉降。2.當(dāng)靜力水準(zhǔn)儀觀測計(jì)算值Hi為正值時表示觀測點(diǎn)地基抬高。3.在正常工作范圍內(nèi)溫度的變化對系統(tǒng)本身的影響很小，溫度修正系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小讀數(shù)，可忽略溫度對系統(tǒng)的影響。2.7靜力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)傳輸2.7.1數(shù)據(jù)傳輸注意事項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸電纜線必須避開大功率電源、射頻信號源和其它有噪聲的傳輸線等。電纜的屏蔽線必須完好無斷線，用二次儀表讀取數(shù)據(jù)時傳感器的屏蔽線必須連接儀表地端。

13、二次儀表必須具備防雷措施。2.7.2數(shù)據(jù)傳輸電纜傳感器的引線方式為屏蔽電纜直接出線(紅、黑、綠、白四芯屏蔽線),電源的地線可以和信號地線共用短接。傳輸電纜選用相同型號的四芯屏蔽電纜。2.7.3數(shù)據(jù)傳輸接線方法1.電源12VDC±10%：紅色線接電源正極，黑色線接電源地端。2.模擬電流信號：綠色線接二次儀表的信號輸入正極,白色線接二次儀表的信號輸入負(fù)極。3.數(shù)字信號(RS485)：綠色線接A,白色線接B。2.8靜力水準(zhǔn)儀的安裝靜力水準(zhǔn)儀的安裝根據(jù)現(xiàn)場的狀況或設(shè)計(jì)要求分為兩種方式：一種方式為測墩安裝，此方式是用安裝地板將靜力水準(zhǔn)儀安裝在標(biāo)高相同的測墩上，如圖示6。另一種方式為墻壁安裝，此

14、方式是用安裝架將靜力水準(zhǔn)儀安裝在墻壁的等高線上；如圖示7。說明：系統(tǒng)如果是多點(diǎn)觀測(3點(diǎn)以上)，應(yīng)考慮設(shè)置主通液管，各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀的通液管應(yīng)加裝三通接頭與主通液管連通，使用這種方法的好處是可縮短液面平衡靜止的時間。2.8.1測墩安裝首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求在觀測建筑物(如大壩的廊道地基、馬道地基，各種隧道地基等）建造相同標(biāo)高的測墩,測墩的尺寸400mm×400mm,高度根據(jù)各測點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高而定。建造測墩時可將靜力水準(zhǔn)儀安裝地板預(yù)埋在測墩上面的中心位置，也可測墩建好后用膨脹螺栓將靜力水準(zhǔn)儀安裝地板固定在測墩上面的中心位置。所有安裝地板預(yù)埋或用膨脹螺栓固定前應(yīng)將三個調(diào)節(jié)螺栓裝配在安裝地板上。靜

15、力水準(zhǔn)儀安裝地板固定好后其標(biāo)高應(yīng)基本相同。靜力水準(zhǔn)儀測墩安裝時，要考慮觀測電纜的走線方向和保護(hù)方法，如果測點(diǎn)與測點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)時(2米),要考慮通氣管和通液管的固定和保護(hù)方法。靜力水準(zhǔn)儀測墩安裝圖示62.8.2墻壁安裝首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求在觀測建筑物(如大壩的廊道墻壁、各種隧道墻壁、橋梁箱梁和橋墩等）的測點(diǎn)處確定標(biāo)高,各測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀安裝標(biāo)高應(yīng)相同。系統(tǒng)中各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀安裝架用膨脹螺栓固定在墻壁上，安裝架固定好后其標(biāo)高應(yīng)基本相同。靜力水準(zhǔn)儀墻壁安裝時，應(yīng)考慮觀測電纜的走線方向和保護(hù)方法，如果測點(diǎn)與測點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)時(2米),要考慮通氣管和通液管的固定和保護(hù)方法。靜力水準(zhǔn)儀墻壁安裝圖示7圖示6和

16、圖示7中：1.HC-J100型磁致伸縮液位傳感器、2.加液塞、3.貯液罐、4.底板、5.調(diào)節(jié)螺桿、6.安裝地板(或安裝架)、7.通氣管彎頭、8.通氣管、9.防凍液、10溶液連通管、11.通氣管三通接頭、12.溶液三通接頭、13.溶液連通彎頭、14.水平泡、15.干燥管2.8.3安裝地板或安裝架的固定安裝底板和安裝架為“L”形鋼板是通用件，只是采用不同的安裝方式時其叫法不同而已。在采用測墩安裝時叫安裝地板，在采用墻壁安裝時叫安裝架。測墩方式安裝時，安裝地板采用預(yù)埋方式固定，其側(cè)板朝下埋入混凝土中，安裝底板采用膨脹螺栓方式固定，其翻轉(zhuǎn)使用側(cè)板朝上即可。安裝地板主面的3個9的孔用于固定3個M8

17、15;80螺栓，中心1個11的孔用于測墩方式安裝時使用M10的膨脹螺栓與測墩固定。墻壁方式安裝時，安裝架使用2個M10的膨脹螺栓與墻壁固定。安裝架與墻壁固定時，可利用測面2個11mm寬的長孔上下稍微調(diào)整安裝架的高低，使系統(tǒng)中各測點(diǎn)的高程保持一致。2.8.4貯液容器的安裝當(dāng)整個系統(tǒng)各測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀安裝地板或安裝架固定好后，將靜力水準(zhǔn)儀貯液筒底板安裝在安裝地板或安裝架的3個調(diào)節(jié)螺栓上,利用儀器上的水平泡調(diào)節(jié)螺桿上的螺母使貯液筒底板水平。貯液容器安裝完成后應(yīng)核定和調(diào)整各測點(diǎn)高程，使其底板標(biāo)高基本相同。2.8.5連接通液管在3點(diǎn)以下的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中，中間測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀與兩端的靜力水準(zhǔn)儀直接用通液管

18、連通即可工作。此時各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀連通所需通液管的長度為相鄰兩測點(diǎn)間的距離長度，見圖示6和圖示7。在3點(diǎn)以上的多點(diǎn)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中，建議設(shè)置主通液管和副通液管，各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀之間不直接連通，而各自通過副通液管與主通液管連通，使系統(tǒng)各測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀貯液容器相連通。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可加快液面平衡靜止的速度。系統(tǒng)中主通液管是分段在各測點(diǎn)處加裝三通接頭后連接形成，其總長度等于第一測點(diǎn)和最末測點(diǎn)的距離長度。系統(tǒng)各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀是通過副管與主通液管連通的，副通液管一頭與靜力水準(zhǔn)儀連接，另一頭通過三通接頭與主通液管連通。另外第一測點(diǎn)和最末測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀與其它測點(diǎn)不同，無需使用副通液管和三通接頭，可直接與主

19、通液管連通,見圖示1。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)各測點(diǎn)連通后，應(yīng)將通液管管口與管接頭相聯(lián)處用卡箍鎖緊，防止松動和漏液。主通液管必須用線槽分段保護(hù)，見圖示1。2.8.6系統(tǒng)充液系統(tǒng)充液通常挑選中間測點(diǎn)作為充液點(diǎn)，這樣可加快充液速度，縮短充液時間。旋下充液點(diǎn)貯液容器的上端蓋，將購買的防凍液充入靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)各測點(diǎn)的貯液容器中。充液完成后各測點(diǎn)貯液容器內(nèi)加入少量甘油，防止液體揮發(fā)。充液操作只能從選定的充液點(diǎn)加液，加液應(yīng)均勻、緩慢、不間斷的進(jìn)行。應(yīng)完全排除通液管內(nèi)的空氣并清除氣泡。充液過程中應(yīng)不斷觀察系統(tǒng)各測點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液位高度，當(dāng)液位平衡靜止后達(dá)到儲液筒標(biāo)線時停止充液。充液完成后應(yīng)及時檢查系統(tǒng)的密封性能，觀察各接

20、頭部位有無液體滲出，無滲漏方可進(jìn)行下一步操作。2.8.7安裝傳感器先將靜力水準(zhǔn)儀上端蓋旋下，再將磁致伸縮液位傳感器測桿上的止位環(huán)和浮球取下。傳感器測桿插入靜力水準(zhǔn)儀上端蓋的M18×1.5螺紋孔中，用力旋緊使傳感器與上端蓋固定牢靠，再將取下的浮子按原方向穿在傳感器測桿上(有CN標(biāo)記的半球在液面之上)，止位環(huán)復(fù)位固定在距測桿端約19mm處，最后將裝好傳感器的上端蓋旋緊在貯液容器上即可工作。2.8.8連接通氣管靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中通氣管的作用是使各測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀貯液容器內(nèi)的液面壓力保持一致，整個系統(tǒng)各測點(diǎn)通氣管應(yīng)相互連通并僅在一點(diǎn)(兩端選其一)與大氣相通。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中兩端測點(diǎn)，任一測點(diǎn)的通氣管與干燥管連接，干燥管通大氣，另一端用直角彎通接頭封堵氣管即可使用。根據(jù)各測點(diǎn)間的距離，截取通氣管的長度，然后將通氣管管口與管接頭相接把各測點(diǎn)串聯(lián)在一起，通過干燥管與大氣連通，最后做好通氣管的固定工作，如圖示1。3系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集管理軟件簡介系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件根據(jù)所使用的二次儀表的不同有所不同，分別介紹如下：1.使用HC-1212型讀數(shù)儀手動采集數(shù)據(jù)時，只能采集電壓信號(0-±2