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分析精密二氯甲烷液位計(jì)與自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)率定法
摘要：測量和監(jiān)測設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新率定，經(jīng)率定合格后，方可重復(fù)使用。筆者所在單位大量使用 自動(dòng)靜力水準(zhǔn)儀，以前都通過廠家進(jìn)行率定，周期長，效率低，無法滿足工程實(shí)際需要，因此單位探索和建立了一套自有的率定系統(tǒng)，滿足了自我設(shè)備率定的基本要求。需要注意的是，這樣的實(shí)驗(yàn)室需要申請(qǐng)計(jì)量合格證，才能標(biāo)準(zhǔn)化和商用化，本文僅僅是從技術(shù)角度探討這種方法的可行性。
在沉降自動(dòng)化監(jiān)測中，靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)憑借優(yōu)良的性能，測量范圍廣而深受用戶好評(píng)，因此，在*早用于大壩監(jiān)測后，很快在巖土監(jiān)測領(lǐng)域獨(dú) 領(lǐng)風(fēng)騷。作者在多年的工作中，在振弦式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用上，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，也對(duì)設(shè)備的原理和適用環(huán)境有了深刻的認(rèn)識(shí)。面對(duì)大量的二 次使用設(shè)備，必須經(jīng)過率定才能重復(fù)安裝和使用，作者深入儀器生產(chǎn)廠商，學(xué)習(xí)和借鑒率定技術(shù)，摸索和提出了一套自己的率定方法，不足之處，歡迎各位同行批評(píng)和指正。文中以美國基康 GK4675 型靜力水準(zhǔn)儀作為實(shí)例。
1 設(shè)備原理
靜力水準(zhǔn)儀依據(jù)連通管的原理，采用振弦式傳感器，測量每個(gè)測點(diǎn) 容器內(nèi)液面的相對(duì)變化，再通過計(jì)算公式求得相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量，如圖 1 所示。
系統(tǒng)中任一特定容器（儲(chǔ)液筒）液位變化按下列公式計(jì)算：
△ELn=（R1n－R0n）Gn－（R0Ref－R1Ref）GRef
其中：
△ELn---n 號(hào)容器的液位變化，即該點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量；
R1n---n 號(hào)容器當(dāng)前讀數(shù)；
R0n---n 號(hào)容器初始讀數(shù)；
Gn---n 號(hào)容器傳感器系數(shù)；
R0Ref---參照容器的初始讀數(shù)；
R1Ref---參照容器的當(dāng)前讀數(shù)；
GRef---參照容器傳感器系數(shù)；
注：△ELx 為負(fù)值時(shí)表示沉降（△ELx 為正值時(shí)表示升高）。
2 設(shè)備特點(diǎn)和性能
GeoKon 4675 型靜力水準(zhǔn)儀是一種高精密液位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是 用于測量多點(diǎn)相對(duì)沉降的系統(tǒng)。在使用中，一系列的傳感器容器均采用PVC 液管聯(lián)接，每一容器的液位由一精密振弦式力傳感器測出，該傳感 器內(nèi)有一個(gè)自由懸重，一旦液位發(fā)生變化，懸重的懸應(yīng)浮力即被傳感器感，精確測出小至 0.025mm 的垂直變化。在多點(diǎn)系統(tǒng)中，所有傳感器的垂 直位移均是相對(duì)于其中的一點(diǎn)，該點(diǎn)的垂直位移是相對(duì)恒定的或者可用其它人工觀測手段準(zhǔn)來確定。
3 產(chǎn)品規(guī)格
產(chǎn)品規(guī)格詳細(xì)情況如圖 2 所示。
4 率定方法
4.1 簡易率定法
因?yàn)檎裣沂絺鞲衅鳎?重要的核心就是弦，從基本原理入手，采用加 載砝碼的方法進(jìn)行率定，每個(gè)砝碼固定重量為 300g，*多添加砝碼個(gè)數(shù) 為 6 個(gè)，總量可達(dá) 1800g。砝碼較多時(shí)，需要很長時(shí)間穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng) 穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間，因此對(duì)簡易校驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，如圖 4、圖 5所示。
采用一根鋼制桿下端連接一個(gè)砝碼，砝碼重量必須為 300g，每個(gè)砝 碼采用懸掛式方式加入，每增加一個(gè)砝碼，讀數(shù)一次。簡易率定法速度很 慢，效率*低，無法適用于大批量設(shè)備的率定。
4.2 二氯甲烷液位計(jì)率定法
此種裝置，精度高，速度快，但是需要通過人工來調(diào)節(jié)精密齒輪，來抬升或者降低測點(diǎn)的高度，此外讀數(shù)也是通過讀數(shù)儀來完成，而且每次 只能率定一個(gè)儀器，也不適用于大批量設(shè)備的率定。
4.3 精密二氯甲烷液位計(jì)與自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)率定法
為了在建設(shè)費(fèi)用和和校驗(yàn)效率兩個(gè)方面取得平衡，根據(jù)需要校驗(yàn)的 儀器數(shù)量綜合分析，建議一次率定 5 個(gè)設(shè)備。同時(shí)進(jìn)行溫度校驗(yàn)。 采用連通管原理，設(shè)置 5 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，1 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)放置高精度二氯甲烷液位計(jì)，6 個(gè)底座放置在同一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)上，平臺(tái)采用大理石面板，寬 度為 0.6m，長度為 6m，高度為 1m，基礎(chǔ)采用磚石砌成，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)均有 一個(gè)完全相同的透明式玻璃鋼浮筒，每個(gè)浮筒帶有一個(gè)三通接口，每個(gè) 容器之間采用 PVC 管進(jìn)行連通，布局示意圖如圖 7 所示。
在本率定系統(tǒng)中，采用磁致伸縮式高精度二氯甲烷液位計(jì)，精度為±0.01mm。采用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度傳感器率定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國坎貝爾 CR1000 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過控制電腦，將設(shè)定好的頻率裝載入采集系統(tǒng)，自動(dòng)加水和放水以及數(shù)據(jù)采集，同時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存和計(jì)算。
5 率定系數(shù)計(jì)算方法
計(jì)算方法如表 2 所示。
其中：
均值=average（測值 1+測值 2+測值 3）
理論直線=Trend（所有均值，所有負(fù)載值）
6 實(shí)際應(yīng)用
經(jīng)過一年左右的運(yùn)行和試驗(yàn)，從春天到冬天，對(duì)本套裝置進(jìn)行了大量和反復(fù)的測試，率定裝置運(yùn)行穩(wěn)定，高效，同時(shí)采用簡易裝置和人工讀 數(shù)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，率定結(jié)果都正確無誤，采用高精度二氯甲烷液位計(jì)，也提升了率定精度，對(duì)于批量設(shè)備率定，是一種經(jīng)濟(jì)和有效的率定方法。
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