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温度对静力水准系统精度影响分析

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2023-02-21 14:47

  

 温度对静力水准系统精度影响分析
作者:无





      液体静力水准系统是一种精密的水准测量方法,精度达到微米级,可对建筑物的不均匀沉降进行实时测量。根据传感器原理不同,分为振弦式传感器、电容式传感器、光电式传感器、电感式传感器、磁致伸缩式传感器等。静力水准系统是利用相连的容器中液体总是寻求具有相同势能的水平原理,当测点垂直位移发生变化使管路内液体发生流动,从而使静力水准液面发生变化,传感器测量和监测参考点彼此之间的垂直高度的差异和变化量。静力水准系统的工作介质是液体,液体的特性是极易受到外界的影响而改变它的物理形态。在静力水准系统中,压力、温度等因素对系统的测量有着非常大的影响。在系统设计的时候采用饿了密封钵体和钵体之间用等压气管连接的办法,保证系统在作时每个钵体中的工作液体表面上的大气压是一致的,即可消除压力的影响。温度对静力水准测试精度影响,主要包括钵体之间温度差异的影响和连通管中温度梯度的影响,本文结合工程实例分析了温度对静力水准系统测量精度的影响,初步提出对液体静力水准系统进行温度修正的方法。
2、静力水准系统测量原理
        静力水准系统在管道连接的容器中注入一定的液体,所有的容器中的液体将在管道中自由流动,其结果是当平衡或者静止时各个容器中的液体表面将保持相同的高度,但是各个容器中的液体表面将保持相同的高度,但是各个容器中的液体深度并不相同,这也就反映了各个容器所在的各个参考点的高度不同。静力水准系统,用传感器测量每个测点容器内液面的相对变化,再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。
静力水准系统中测单相对于基准点的垂直位移量计算公式如下:
Hig=△Hi-△Hf=(hio-hig)-(hfo-hfg)
式中:Hig表示静力水准系统中第i只测点在测试时刻相对于基点的垂直位移值;
△Hi表示静力水准系统中第i只仪器钵体内液面相对于初始时刻液面的变化;
△Ho表示静力水准系统中参考测点仪器钵体内液面与初始时刻液面的变化;
hio表示静力水准系统中第i只测点在测试时刻水准仪器液面高度;
hfo表示静力水准系统中基准测点在初始时刻水准仪容器液面高度;
hfg表示静力水准系统中基准点在测试时刻水准仪容器液面高度。
液体静力水准系统
3、钵体之间温度差异对测试精度的影响
       液体的密度是随其温度变化而变化的,液体的体积随之变化,在静力水准系统中,如果整个系统的温度变幅是一致的,因系统各种各个部分的体积变化一样的,每个钵体中的液面变化的高度是相同的,不影响测量的结果。但是在系统中如果出现局部的或者不均匀的温度变化,致使不同的钵体中液面的高度产生不同量的升高或者降低,就会影响测量的精度。
       通常在静力水准系统中采用水作为工作介质。水在20℃时,线膨胀系数是208微米·(m·℃),假设一个钵体中有70mm深的水,在20℃附近有1℃的温度变化,将会产生±14μm的液面高度的变化。
       静力水准设置在外界环境不断变化的情况下,钵体所处位置不同,钵体之间的温度必然有所差异,在每个钵体传感器中安装温度传感器(如振弦式传感器可以通过测试传感器电阻,可以测读仪器钵体的温度值),可以实时地测量钵体的温度,通过理论计算得到温度修正公式,对每个钵体中的测值进行温度修正。
4、连通管中温度梯度对测试精度的影响
‘       对于水管中温度梯度的影响,只要在安装系统时保证水管的垂直高度差足够小,就可以忽略’,该结论基于连通管势能相等的原理,得到对仪器测试结果的影响在于仪器钵体至连通管底部的高差越小,影响则就越小的结论。而根据质量守恒定律,在连通管路中的液体在温度变化后,体积必然也随之变化,导致液体流进或流出钵体,使钵体内液体的体积发生变化。
       以某厂家生产的振弦式静力水准传感器为例,连通管内径为10mm,钵体内径为85mm,浮筒直径75mm,液体的线膨胀系数取208μm·(m·℃),假设系统中各仪器间距离20m,在20℃时,连通管管路液体温度均匀增加1℃,钵体液面高度增加0.26mm,其影响远大于钵体间温度差异对测试结果的影响。当静力水准系统安装在露天环境下,沿连通管的温度是变化的,测出沿连通管的温度较难实施,故温度梯度函数是很难给出的,液体的膨胀系数是和液体的温度-密度函数是很难给出的,液体的膨胀系数是和液体的温度-密度函数相对应的函数,所以理论上严格的修正函数应该是高于二次曲线的函数,如果考虑到钵体本身的热障冷缩和其它零部件的温度因素,很难在理论上计算出精确的修正函数。在各个钵体中安装温度传感器(建议振弦式传感器可以测读温度),以钵体温度代表钵体进出管路液体的温度,检定连接钵体的两段管路长度和一半内的液体对本钵体产生影响,据此对连通管中温度梯度对测试精度测试结果进行初步修正。
5、工程实例
       某重要建筑物,相关单位要求进行实时监测,设置静力水准观测系统进行自动化观测,主要测试该建筑物的不均匀沉降,在建筑物上布设8只静力水准仪,编号为J1-J8,其中J5为参考测点。
通过观察J4点一起钵体在某天温度与钵体内液体液面变化情况图尅看出,温度变化对钵体内液面高度有较大影响,同时有较强的相关性。对测试结果进行初步修正,J4点测试结果与经修正的结果对比曲线可以看出,经过温度修正,在一定程度上减小了温度变化对测试结果影响的幅度。
6、结论
(1)温度对静力水准测试精度影响较大,在室外运用时,必须充分考虑其对测试结果的影响。
(2)在室外安装时,一条管路尽量在建筑物同一侧,可以减小温度变化对测试结果的影响。
(3)管路温度梯度对静力水准系统测试结果的影响大于钵体温度差异对测试结果的影响,本文提出了初步修正的方法,取得了一定的效果。






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