電阻式混凝土磨蝕傳感器及其測(cè)量方法

戴曉兵

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

電阻式混凝土磨蝕傳感器及其測(cè)量方法

戴曉兵

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410014)

結(jié)合一項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利介紹電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理,以及基于2芯線、3芯線和5芯線的電阻式混凝土磨蝕傳感器的設(shè)計(jì)方案和測(cè)試方法。以E-24系列精度為5％的碳膜電阻為例,規(guī)定了傳感器各個(gè)固定電阻的阻值,分析了電阻阻值誤差和電阻變化量對(duì)磨蝕深度分級(jí)判斷的影響,并用基于2芯線設(shè)計(jì)方案的傳感器進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn),結(jié)果表明電阻式混凝土磨蝕傳感器適用于泄水建筑物混凝土表面的磨損和空蝕測(cè)量,可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)控建筑物的運(yùn)行狀態(tài)。

電阻式傳感器;混凝土磨蝕傳感器;并聯(lián)電阻;測(cè)量方法;磨蝕深度

在水利水電工程中,泄水建筑物是必不可少的結(jié)構(gòu)物之一。在高含沙水流或高速水流作用下,泄水建筑物的混凝土表面會(huì)產(chǎn)生磨損破壞或空蝕破壞。淺層的磨損或空蝕破壞可能不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)致命的危害,但隨著磨損或空蝕的進(jìn)一步加劇,可能造成水流的邊界分離,形成惡劣的水流流態(tài);或者產(chǎn)生結(jié)構(gòu)縫的止水破壞、鋼筋外露等各種不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的現(xiàn)象,危及泄水建筑物安全。為了及時(shí)掌握泄水建筑物混凝土表面的性狀,尤其是洞式泄水建筑物、消力池等不易直接觀測(cè)的混凝土部位,迫切需要能夠測(cè)量和監(jiān)控混凝土表面磨損或空蝕破壞程度的儀器,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

目前,我國(guó)僅有一種用于測(cè)量混凝土磨蝕深度的傳感器[1-3],這種傳感器利用芯線的斷通信號(hào),分級(jí)測(cè)量混凝土磨蝕深度,對(duì)泄水建筑物的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,在三板溪、向家壩、溪洛渡等多個(gè)工程中成功應(yīng)用。但是,由于傳感器使用的是芯線斷通信號(hào),因而受到電纜芯線數(shù)量的限制。在工程實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)使用1根5芯電纜時(shí),只能監(jiān)測(cè)到傳感器5種不同工作狀態(tài),存在測(cè)量精度不夠或測(cè)量范圍不足的缺陷。為此,筆者[4]研制了一種電阻式混凝土磨蝕傳感器,該傳感器利用其內(nèi)部并聯(lián)電阻值的變化特性,通過測(cè)量芯線間電阻值的變化分級(jí)判斷混凝土的磨蝕深度,不受電纜芯線數(shù)量的限制,傳感器的測(cè)量精度和測(cè)量范圍均得到大幅度提高。

1 電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理

電阻式混凝土磨蝕傳感器由用絕緣材料制成的傳感器本體A、本體內(nèi)2根導(dǎo)線(導(dǎo)線E和導(dǎo)線F)以及1組連接導(dǎo)線E和導(dǎo)線F的引線組成,見圖1(a)。為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度和測(cè)量范圍,可以增加傳感器本體內(nèi)的導(dǎo)線數(shù)量和引線數(shù)量,如在本體內(nèi)設(shè)3根導(dǎo)線(導(dǎo)線D、導(dǎo)線E和導(dǎo)線F)和2組引線,引線分別連接導(dǎo)線E和導(dǎo)線F以及導(dǎo)線E和導(dǎo)線D,見圖1(b)。引線距傳感器本體端面的距離各不相同,每根引線上均串聯(lián)1個(gè)固定電阻,所有固定電阻并聯(lián)連接。依照引線順序,固定電阻依次為R0、R1、R2、…、Ri-1、Ri、…、Rn-1、Rn。

圖1 電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理

初始狀態(tài)時(shí),傳感器本體內(nèi)導(dǎo)線之間的并聯(lián)電阻Rb0按式(1)計(jì)算:

當(dāng)混凝土表面受到磨蝕破壞時(shí),相應(yīng)地傳感器本體也從端面開始受到磨蝕破壞,隨著破壞的深入發(fā)展,引線依次與導(dǎo)線斷開,導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的并聯(lián)電阻值將依次發(fā)生改變。當(dāng)引線0至引線i-1均斷開時(shí),傳感器本體內(nèi)導(dǎo)線之間的并聯(lián)電阻Rbi可按式(2)計(jì)算:

實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí),首先測(cè)量初始狀態(tài)下2根芯線之間的線間電阻Rc,再計(jì)算電纜的芯線電阻Rx,Rx按式(3)計(jì)算:

傳感器本體受到磨蝕破壞后,測(cè)量2根芯線之間的線間電阻Rc,然后用式(4)計(jì)算并聯(lián)電阻Rb:

用并聯(lián)電阻Rb與傳感器本體內(nèi)導(dǎo)線之間的并聯(lián)電阻Rbi進(jìn)行比較,就可以分級(jí)判斷混凝土的磨蝕深度。

2 電阻式混凝土磨蝕傳感器的設(shè)計(jì)方案

2.1 2芯線設(shè)計(jì)方案

采用2芯線設(shè)計(jì)方案的磨蝕傳感器,可以在1根4芯電纜上連接2個(gè)磨蝕傳感器,實(shí)現(xiàn)電纜資源利用的最大化,從而大幅度降低監(jiān)測(cè)成本。2芯線設(shè)計(jì)方案如圖2所示,電阻參數(shù)如表1所示。導(dǎo)線E與導(dǎo)線F在傳感器的端面位置直接連通,電阻R0值為零,因此初始狀態(tài)下2根芯線之間的線間電阻Rc即為芯線電阻Rx。為了方便磨蝕深度的分級(jí)判斷,在引線依次被磨蝕斷開時(shí),傳感器本體內(nèi)并聯(lián)電阻值需要有一定量的變化量,因此在各根引線(含傳感器端面)上串聯(lián)的固定電阻值依次為0Ω、100Ω、300 Ω、510 Ω、510 Ω、1 kΩ、1 kΩ、1 kΩ、1.5 kΩ、1.5 kΩ、1.5 kΩ。傳感器的引線數(shù)量、引線間距及測(cè)量深度范圍可以按照監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要確定。根據(jù)文獻(xiàn)[4-6],引線數(shù)量定為11根,各引線之間的間距均為10 mm。

圖2 2芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設(shè)計(jì)方案

表1 2芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 3芯線設(shè)計(jì)方案

圖3 3芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設(shè)計(jì)方案

采用3芯線設(shè)計(jì)方案的磨蝕傳感器是在2芯線設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上增加1根導(dǎo)線,從而增加1組引線,以提高測(cè)量精度,并使導(dǎo)線間的電阻值互為校驗(yàn)。3芯線設(shè)計(jì)方案如圖3所示,電阻參數(shù)如表2所示。傳感器本體內(nèi)有3根導(dǎo)線:導(dǎo)線D、導(dǎo)線E和導(dǎo)線F;有2組引線,每組均為11根,分別連接導(dǎo)線E和導(dǎo)線F以及導(dǎo)線E和導(dǎo)線D。導(dǎo)線E與導(dǎo)線F的第1根引線在傳感器本體端面位置,導(dǎo)線E與導(dǎo)線D的第1根引線距離傳感器本體端面5 mm。在同一個(gè)引線組中,引線之間的距離為10 mm。

2.3 5芯線設(shè)計(jì)方案

采用5芯線設(shè)計(jì)方案的磨蝕傳感器包括導(dǎo)線E、導(dǎo)線F和3根校驗(yàn)線,傳感器的5根芯線分別與5芯電纜的芯線對(duì)應(yīng)連接。5芯線設(shè)計(jì)方案如圖4所示,其主要特征如下:5芯電纜中的2根芯線分別與導(dǎo)線E及導(dǎo)線F連接,作為測(cè)量芯線使用,其工作原理及設(shè)計(jì)參數(shù)與2芯線設(shè)計(jì)方案完全相同。3根校驗(yàn)線距傳感器端面的距離分別為20 mm、50mm、100mm,與混凝土表面磨蝕破壞程度(輕度、中度和重度)相對(duì)應(yīng),利用校驗(yàn)線的斷通狀態(tài)對(duì)磨蝕深度進(jìn)行復(fù)核測(cè)量,同時(shí)還起到備用作用。

表2 3芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 5芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器設(shè)計(jì)方案

3 電阻式混凝土磨蝕傳感器的測(cè)量方法

a.2芯線傳感器。首先根據(jù)傳感器本體內(nèi)的固定電阻值,用式(2)計(jì)算并聯(lián)電阻Rbi,并計(jì)算出電阻變化量。然后將傳感器安裝完成并將電纜引至觀測(cè)站后,測(cè)量2根芯線之間的線間電阻Rc。由于混凝土表面未發(fā)生磨蝕,傳感器處于初始狀態(tài),即第1根引線(傳感器本體端面)處于連通狀態(tài),線間電阻Rc即為芯線電阻Rx。當(dāng)?shù)?根引線斷開同時(shí)第2根引線處于連通狀態(tài)時(shí),測(cè)出2根芯線之間的線間電阻Rc為45 Ω+Rx,則并聯(lián)電阻Rb為45 Ω,芯線之間的電阻變化量為45 Ω。結(jié)合表1可以判斷出混凝土表面開始發(fā)生磨蝕,混凝土磨蝕深度在0～10 mm之間。當(dāng)?shù)?根引線斷開同時(shí)第3根引線處于連通狀態(tài)時(shí),實(shí)測(cè)2根芯線之間的線間電阻Rc增大至82 Ω+Rx,則并聯(lián)電阻Rb為82 Ω,芯線之間的電阻變化量為37 Ω。結(jié)合表1可以判斷出混凝土磨蝕深度在10～20 mm之間。依此類推,通過測(cè)量2根芯線之間的線間電阻Rc,計(jì)算并聯(lián)電阻Rb,并與傳感器內(nèi)部的并聯(lián)電阻Rbi進(jìn)行比較,同時(shí)結(jié)合線間電阻變化量可以分級(jí)判斷出傳感器本體被磨蝕的總長(zhǎng)度,即混凝土磨蝕深度。

b.3芯線傳感器。首先根據(jù)傳感器本體內(nèi)部的固定電阻值,用式(2)計(jì)算并聯(lián)電阻Rbi。初始狀態(tài)下,分別測(cè)量導(dǎo)線E與導(dǎo)線F、導(dǎo)線E與導(dǎo)線D及導(dǎo)線D與導(dǎo)線F的芯線電阻Rxef、Rxed、Rxdf。如實(shí)測(cè)導(dǎo)線E與導(dǎo)線F的線間電阻Rc為82 Ω+Rxef,且導(dǎo)線E與導(dǎo)線D的線間電阻Rc為45 Ω+Rxed,則導(dǎo)線E與導(dǎo)線F及導(dǎo)線E與導(dǎo)線D的并聯(lián)電阻分別為82 Ω、45 Ω。結(jié)合表2可以判斷出混凝土磨蝕深度在10～15 mm之間。用導(dǎo)線D與導(dǎo)線F間的線間電阻Rc進(jìn)行校驗(yàn),其值應(yīng)為127 Ω+Rxdf。

c.5芯線傳感器。5芯線傳感器的測(cè)量方法與2芯線傳感器的測(cè)量方法相同,分別測(cè)量2根芯線之間的線間電阻Rc,并與計(jì)算得出的線間電阻Rci進(jìn)行比較。與此同時(shí),通過測(cè)量校驗(yàn)線的斷通信號(hào),判斷芯線的連通或斷開狀態(tài),以此復(fù)核傳感器的磨蝕深度。

4 標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值誤差的影響分析

電阻阻值按其精度分為兩大系列,分別為E-24系列和E-96系列,E-24系列精度為5％,如碳膜電阻;E-96系列為1％,如金屬膜電阻?，F(xiàn)以E-24系列精度為5％的碳膜電阻為例,分析電阻阻值誤差對(duì)磨蝕深度分級(jí)判斷的影響,見表3。由表3可見,標(biāo)稱電阻值下,傳感器本體內(nèi)并聯(lián)電阻大于45 Ω,分級(jí)電阻變化量在30Ω以上;負(fù)誤差(-5％)電阻值下,傳感器本體內(nèi)并聯(lián)電阻大于43 Ω,分級(jí)電阻變化量在29 Ω以上。由此可知,當(dāng)引線與導(dǎo)線斷開時(shí),完全能夠通過并聯(lián)電阻和電阻變化量2個(gè)參數(shù)對(duì)混凝土磨蝕深度進(jìn)行分級(jí)判斷,不會(huì)因?yàn)殡娮枳柚档木日`差而產(chǎn)生誤判。

表3 標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值誤差對(duì)磨蝕深度分級(jí)判斷的影響Ω

5 電阻式混凝土磨蝕傳感器的試驗(yàn)測(cè)試

用于室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試的傳感器采用2芯線設(shè)計(jì)方案,各引線之間的間距均為10 mm,設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。傳感器的外殼采用內(nèi)徑26 mm、壁厚3 mm、長(zhǎng)150 mm 的PPR管材,傳感器本體采用C9040砂漿材料,內(nèi)部電路用印刷電路板和E-24系列碳膜電阻制成,見圖5。分別用5只傳感器進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)時(shí),將1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)傳感器分別截去0mm、18mm、41mm、63mm和95mm,以模擬傳感器磨蝕后導(dǎo)線的斷開狀態(tài),同時(shí)在水中測(cè)量傳感器的并聯(lián)電阻,實(shí)測(cè)電阻值分別為0 Ω、80 Ω、200 Ω、320 Ω和1500 Ω(表4)。根據(jù)2芯線設(shè)計(jì)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值誤差范圍,可以判斷傳感器的磨蝕深度分別為0 mm、10～20mm、40～50mm、50～60mm和90～ 100 mm,與實(shí)際截取的長(zhǎng)度吻合,誤差小于10 mm。

圖5 電阻式混凝土磨蝕傳感器

表4 2芯線電阻式磨蝕傳感器磨蝕測(cè)試數(shù)據(jù)

傳感器引線被磨蝕斷開后,砂漿材料中斷開的導(dǎo)線兩端以點(diǎn)狀置于水中,成為一組電極。根據(jù)歐姆定律,在水溫及水質(zhì)一定的情況下,水的電阻值大小與電極的垂直截面面積成反比,與電極之間的距離成正比。為了測(cè)試水體對(duì)檢測(cè)回路的影響,采用2芯線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn),選用自來(lái)水和較混濁的雨水作為測(cè)試水體,用普通數(shù)字萬(wàn)用表分別測(cè)量10 個(gè)E-24系列碳膜電阻阻值及并聯(lián)電阻(表5)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,由于傳感器導(dǎo)線的垂直截面極小,點(diǎn)狀電極距離較大,電極間水的電阻至少比傳感器電阻大2個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)傳感器回路的并聯(lián)電阻影響甚微,不同水質(zhì)對(duì)并聯(lián)電阻的大小幾乎無(wú)影響。實(shí)測(cè)傳感器回路的并聯(lián)電阻均處在標(biāo)稱并聯(lián)電阻誤差范圍內(nèi),不會(huì)產(chǎn)生誤判。

表5 2芯線電阻式磨蝕傳感器水體影響測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié) 語(yǔ)

水利水電工程泄水建筑物在高速含沙水流的環(huán)境下可能造成混凝土表面的磨損或空蝕破壞,危及水工結(jié)構(gòu)物的安全,不可掉以輕心。本文介紹了電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理和2芯線、3芯線和5芯線電阻設(shè)計(jì)方案及測(cè)試方法。以E-24系列精度為5％的碳膜電阻為例,規(guī)定了傳感器各個(gè)固定電阻的阻值,分析了電阻阻值誤差和電阻變化量對(duì)磨蝕深度分級(jí)判斷的影響,并用2芯線電阻式混凝土磨蝕傳感器進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果表明,電阻式混凝土磨蝕傳感器的工作原理簡(jiǎn)單,測(cè)量方法簡(jiǎn)便,克服了對(duì)電纜芯線數(shù)量的依賴,可以極大地提高測(cè)量精度和測(cè)量范圍,是一種新型可用于測(cè)量泄水建筑物混凝土表面磨蝕深度的傳感器,可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控建筑物的運(yùn)行狀態(tài),值得推廣,可以納入大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

[1]戴曉兵,李延農(nóng),劉路平,等.一種用于測(cè)量磨蝕或空蝕深度的傳感器及其測(cè)量方法:中國(guó),ZL200710036138.7 [P].2012-09-05.

[2]戴曉兵,李延農(nóng),劉路平,等.混凝土磨蝕計(jì)及其測(cè)量方法[C]//水利量測(cè)技術(shù).鄭州:黃河水利出版社,2010: 121-124.

[3]謝帆,戴曉兵.混凝土磨蝕傳感器在水電工程中的應(yīng)用[C]//水力學(xué)與水利信息學(xué)進(jìn)展.天津:天津大學(xué)出版社,2011:120-124.

[4]戴曉兵.電阻式混凝土磨蝕傳感器:中國(guó), ZL201020695809.8[P].2011-09-14.

[5]戴曉兵,李延農(nóng).混凝土表面磨蝕破壞劃分標(biāo)準(zhǔn)初議[C]//水力學(xué)與水利信息學(xué)進(jìn)展.西安:西安交通大學(xué)出版社,2009:485-487.

[6]吳瑾,耿犟,李俊,等.鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,39(6):698-701.(WU Jin,GENG Jiang,LI Jun,et al.A sensor for monitoringcorrosionofsteelreinforcementandits application[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2011,39(6):698-701.(in Chinese))

Resistance sensor for concrete abrasion and its measuring method

//DAI Xiaobing(Hydrochina Zhongnan Engineering Corporation,Changsha 410014,China)

The working principle,design scheme and test method of the resistance sensor for concrete abrasion based on two-core wires,three-core wires and five-core wires were introduced,according to a national utility-model patent.Take the E-24 series of deposited-carbon resistor with accuracy of 5％for instance,its resistance value was set for every fixed resistor,effects of the resistance error and the varying quantity on the grade judgment of the abrasion depth were analyzed, and the indoor test of the sensor with two-core wires was performed.Test results show that the sensor is suitable for measuring the abrasion and the cavitation erosion on the concrete surface,and monitoring the real-time running state of the release works,hence it can be brought into the safety monitoring system for the dam.

resistance type sensor;sensor for concrete abrasion;parallel resistance;measuring method;abrasion depth

10.3880/j.issn.10067647.2013.02.017

TP212.1;TV698.1

A

10067647(2013)02007805

2012-05-24 編輯:駱超)

戴曉兵(1963-),男,湖南長(zhǎng)沙人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事水力學(xué)試驗(yàn)研究與原型觀測(cè)工作。E-mail:msjldai@163.com