精度高溫度計在大型水利工程中的應用

摘要:為了監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測系統。對于水位主要變動區域,系統前端設備選用±0.1℃精度的水溫計,與傳統溫度計相比,精度高溫度計在工程中應用較少。在廣泛調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備的情況,提出了現有水工電橋應用于鉑電阻溫度計的四線制溫度測讀方式,并通過室內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用數據,證明了文中所述的精度高溫度計設備選型合理,提出的人工測讀方式正確。
　　水電站是金沙江下游四級開發方案的第二級,是世界在建規模最大的水利工程。根據《金沙江白鶴灘水電站環境影響報告書》,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的水生生態系統帶來不利影響。
　　在當前長江流域大保護的背景下叫,為減緩本工程建設所產生的不利水溫影響,白鶴灘水電站設置庫區、壩前及壩下游水溫監測系統,運行期對攀枝花至宜昌河段水溫進行全面系統監測。該水溫在線監測系統包括庫區沿程水溫在線監測系統、取水口垂向水溫在線監測系統、機組流道水溫在線監測系統和壩下水溫在線監測系統。根據該電站庫區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定區域擬選用±0.3℃精度的水溫計,在高程700m以上庫水位主要變動區域擬選用+0.1℃精度的水溫計。
　　目前,水利工程安全監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。與傳統溫度計相比,±0.1℃精度的水溫計在水利工程安全監測中應用較少,將其定義為精度高溫度計,針對白鶴灘水電站水溫監測系統中精度高溫度計的選型、施工期測讀方式及應用效果進行探究。
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在水工結構物或其它巖土工程結構物內或表面,測量水工建筑物的壩體、隧洞、廠房等混凝土內部的溫度,也可監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,《大壩安全監測儀器檢驗測試規程》(SL530-2012)中也規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與溫度成線性的關系工作。當溫度計所處的環境溫度變化時,銅電阻的電阻值也相應變化。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目隨著溫度升高而按數激烈地增加,載流子的數目越多、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境溫度變化時,通過傳感器傳導至內部感應體,由于溫度與感應體的變化有線性關系,感應體產生膨脹或收縮,引起振弦的自振頻率發生變化,由二次儀.器通過線圈對振弦激振并接受數字信號,便可計算得出當前環境溫度的變化。
　　這3類溫度計均已在水利工程中長期應用,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℃。
　　典型溫度計的有關指標對比見表1。
 
1.2精度高溫度計選型
　　通過廠家調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、性能穩定、重復性好等優良測溫性能,可滿足工程要求的±0.1℃精度需求。從應用來看,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、工業生產及科研領域的精度高溫度控制系統中應用廣泛。
　　采用的鉑電阻溫度計,如圖1所示。
 
　　具有長期穩定性好、具有適應各種惡劣環境的不銹鋼結構、防水性能佳、使用壽命長、高靈敏度等特點,主要技術參數詳見表2。
 
2施工期測讀方式研究
2.1測讀方法
　　水利工程中監測儀器接續電纜通常較長,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。
　　如上節所述,鉑電阻溫度計常用在精密工業系統中，所選溫度計的使用手冊中給出了自動化采集系統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儀或振弦讀數儀的伴測溫度模塊來進行測讀,因此,考慮從工業領域鉑電阻測量原理人手,分析借鑒已應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和長度的因素有關,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。可見這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。水利工程安全監測領域已有成熟的電橋產品,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,已有的電橋產品也是據此設計的,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備原理人手,研究利用現有的電橋產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。
　　通過分析現有電橋產品內部構造,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(無量綱),儀器采用鉑電阻符合IEC751標準的溫度系數標稱值α為0.003851的元件,系數取值見表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儀器設備
　　試驗，所用的設備有恒溫水槽(工作區最大溫差不超過±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,所測的結果用來對比。
2.2.2試驗結果
　　試驗在標準試驗室內進行,測試方法嚴格按照《大壩安全監測儀器檢驗測試規程》(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,測量結果誤差也相應增加,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-條流道水溫監測測線,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、1#和2*尾水連接管(尾水管檢修閘門室和尾水調壓室之間)內、1*尾水出口附近,共計6個。
　　溫度計典型布設,如圖6所示。
 
3.2溫度監測結果
　　溫度計埋設后,數據采集大致經歷3個階段:①剛埋人完成后,在儀器旁觀測;②隨著工程建設,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,數據采集密度小，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,施工期溫度計埋設完成后大致經歷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定,未發生劇烈跳增和波動現象。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,所測結果幾乎一致。
4結論
　　采用廣泛調研、室內試驗.工程應用等研究方法,對白鶴灘水電站水溫監測系統中精度高溫度計的選型、施工期測讀方式及應用效果進行探究,主要結論如下。
(1)鉑電阻溫度計性能好,精度優于常用的水工.監測溫度計,精度滿足工程設計要求,儀器選型準確。
(2)通過室內對比試驗,鉑電阻溫度計人工測量可采用現用水工電橋按文中所述的四線制方式進行測讀,測讀結果遠遠由于二線制測讀方式,可消除接.
續電纜所帶來的誤差。
(3)鉑電阻溫度計應用于白鶴灘水電站流道水溫監測中,在近兩年的人工測讀中,采用所述方法,測量結果穩定。溫度計接人自動后,與人工測讀進行比測,所測結果一致。
(4)現有的水工電橋并不是針對鉑電阻設計的，后續可針對鉑電阻溫度計的特性按電橋的原理設計便攜式測讀裝置,并內置數據處理模塊,讀取電阻的同時可即得溫度,便于工程使用。