灌漿工程中一種性能優(yōu)良的壓力變送器應(yīng)用

摘要: 根據(jù)灌漿工程的特性，研制了一套動(dòng)態(tài)檢測灌漿壓力的壓力變送器。介紹了壓阻式壓力變送器的設(shè)計(jì)要點(diǎn),重點(diǎn)分析了壓阻式傳感器的工作原理及配套的油水隔離器的技術(shù)特點(diǎn),同時(shí)也介紹了現(xiàn)場應(yīng)用效果。.
1前言
　　灌漿工程中，灌漿效果取決于諸多因素，其中灌漿壓力是最重要的一項(xiàng)，盡管灌漿施工技術(shù)要求中已為灌漿設(shè)定了一個(gè)最適宜的灌漿壓力，但是此灌漿壓力還要借助現(xiàn)場壓力變送器的指示來施加，因此，用壓力變送器客觀真實(shí)地檢測灌漿壓力已成為灌漿工程中一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。
　　灌漿壓力通常是由灌漿泵活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)使而產(chǎn)生的，經(jīng)連續(xù)流動(dòng)的漿體的傳遞而進(jìn)入受灌地層，由于活塞泵的這一往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性及調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)，使得灌漿壓力在灌漿通道內(nèi)呈脈動(dòng)傳遞，這對(duì)壓力變送器提出了較高要求，其必須具備耐動(dòng)態(tài)沖擊、響應(yīng)頻率快和壓力超限等條件,經(jīng)綜合分析,采用壓阻式壓力傳感器最為合適。
2壓阻效應(yīng)和壓阻式壓力傳感器工作原理
2.1壓阻效應(yīng)
　　固體材料在應(yīng)力作用下發(fā)生形變時(shí)，其電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)，根據(jù)歐姆定律與壓阻效應(yīng)，長?、截面積A、電阻率ρ的條形材料受軸向應(yīng)力后的電阻變化率為:
 
　　式中，σ為應(yīng)力，E為材料的彈性模量，μ為材料的泊松比，ε為應(yīng)變，J為壓阻系數(shù), K為應(yīng)變ε引起的電阻變化靈敏度系數(shù)，也稱為G因子，它表征電阻率隨應(yīng)力σ的變化率，即壓阻效應(yīng)的強(qiáng)弱。
　　在K的表達(dá)式中，πE為電阻率的變化，1+2 μ為電阻縱橫向尺寸的變化。對(duì)于各種常用固體材料來說，μ =0.25~0.5,對(duì)于一般金屬材料由于其πE幾乎為零，因而金屬絲、箔應(yīng)變計(jì)的K值約為1.5~2,靈敏度低。對(duì)于許多半導(dǎo)體材料來說壓阻效應(yīng)非常顯著，壓阻系數(shù)π引起電阻率的變化可以起主導(dǎo)作用，例如常用電阻率范圍內(nèi)的P型硅，在適當(dāng)?shù)碾娮枞∠蚝蛻?yīng)力作用下，π≈(40至80) ×10^-11m²/N,其常用的彈性模量E=1. 7×10¹¹Pa,所以有K≈πTE≈65~130,而1+2 μ的作用可忽略不計(jì)。這就是壓阻式傳感器通常比金屬應(yīng)變計(jì)式傳感器靈敏度要高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)的原因。
2.2壓阻式壓力傳感器的工作原理,
　　其次浸在硅油中的芯片是焊接在密封的不銹鋼外殼內(nèi)，確保芯片免受外界環(huán)境影響，因此經(jīng)久耐用。同時(shí)每只壓力傳感器都經(jīng)過動(dòng)態(tài)壓力頻率響應(yīng)和溫度特性的補(bǔ)償試驗(yàn)，具備優(yōu)良的電氣特性和成倍的過載能力。
　　壓力敏感芯片利用單晶硅壓阻效應(yīng)在單晶硅的基片上用擴(kuò)散工藝制成一定形狀的應(yīng)變?cè)?dāng)它受到壓力作用時(shí)應(yīng)變?cè)碾娮璋l(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化。圖1為壓力傳感器的原理圖。在硅片上利用集成電路工藝制成四個(gè)等值薄膜電阻組成惠登斯電橋，當(dāng)不受壓力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出;當(dāng)受到壓力時(shí)，一對(duì)橋臂電阻變大，另一對(duì)橋臂電阻變小，電橋失去平衡，有電壓輸出，且輸出電壓與壓力成正比。
　　由于10系列壓力傳感器輸出的信號(hào)為微弱的電壓信號(hào)，為了將電壓信號(hào)變成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，需外接一個(gè)精度高、低漂移的壓力變送器，其采用XTR101型電壓/電流變換器為核心，該芯片將微弱電壓信號(hào)輸入轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)(4~20mA)輸出。
3油水隔離器
　　在灌漿作業(yè)檢測過程中，漿液直接接觸壓力傳感器膜片會(huì)造成壓力傳感器腐蝕破壞，或是引起檢測數(shù)據(jù)誤差太大，因此要把漿液和傳感器探頭隔離，不能讓漿液直接作用在探頭上，于是設(shè)計(jì)了油水隔離器。
 
　　高壓膠套式油水隔離器的技術(shù)特點(diǎn)是在壓力傳感器探頭前設(shè)計(jì)了耐高壓膠套和鋼支撐骨架(儲(chǔ)油軸管),見圖2。特制耐高壓膠套是特殊配方生產(chǎn)的橡膠制品，內(nèi)外直徑分別為21mm, 27mm, 長為102mm,現(xiàn)場的應(yīng)用實(shí)踐表明:特制耐高壓膠套的使用效果很好，它有足夠的面積使?jié){液將壓力充分的作用在膠套上，適應(yīng)壓力的頻率響應(yīng)和耐疲勞極限，靈敏度高，滿足現(xiàn)場對(duì)漿液壓力檢測的需要，壓力損失也極小，膠套里面的鋼支撐骨架起保護(hù)膠套的作用，使膠套不至于壓縮變形過度而被損壞。工作原理是:在灌漿過程中，高壓漿液進(jìn)入1腔區(qū)，將高壓作用在特制耐高壓的膠套.上，2腔區(qū)里在裝配前已經(jīng)注滿優(yōu)質(zhì)硅油，它直接接觸壓力傳感器探頭膜片，硅油承受并傳遞壓力到探頭膜片上，膜片就間接地檢測到漿液的實(shí)際壓力, 3腔區(qū)內(nèi)安裝的是壓力變送器,將信號(hào)電流放大, .轉(zhuǎn)換，輸出4~20mA的信號(hào)電流。
4儀器標(biāo)定
　　從傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過-系列的信號(hào)處理之后，進(jìn)入主機(jī)的信號(hào)較為穩(wěn)定，但仍需儀器標(biāo)定來判別儀器是否能準(zhǔn)確檢測和正常工作。儀器標(biāo)定分為室內(nèi)標(biāo)定和現(xiàn)場標(biāo)定。標(biāo)定方程的推導(dǎo)過程如下。壓力計(jì)的電流范圍: 4~ 20mA;
　　壓力測量范圍: 0~10kPa;
　　壓力(P) 與流量(I)之間呈線性關(guān)系:
P= K1X ( I-4)    (1)
　　式中: P一測量壓力(Mpa); I一電流信號(hào)(mA);K1一壓力系數(shù)(MPa/ mA),取Pmax二10MPa, I= 20mA;由式(1)得系數(shù)K1 = P/ (I-4) = 10/ (20- -4) =0.625MPa/ mA;所以這里式(1)就變?yōu)閴毫?shù)的標(biāo)定方程:
P= 0. 625X ( I-4)  (2)
4.1室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)
　　儀器在出廠之前以及到現(xiàn)場投入施工以前都要進(jìn)行一系列標(biāo)定試驗(yàn)，以檢驗(yàn)儀器的質(zhì)量和確保測量的精度。壓力標(biāo)定試驗(yàn)分為兩步:①用信號(hào)模擬器來模擬壓力傳感器輸出的電流信號(hào)。壓力值在施工現(xiàn)場的測量范圍一般為0~5 MPa,所以要重點(diǎn)對(duì)這-段進(jìn)行標(biāo)定，即要使信號(hào)電流值與壓力值之間的關(guān)系與式(2)相吻合。②用壓力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)同時(shí)檢測同一系列壓力值，使二者的顯示值相等或相差在0. 03MPa以內(nèi),如果相差太大,說明壓力傳感器方面出.了問題，典型的標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
 
4.2現(xiàn)場標(biāo)定試驗(yàn)
　　出廠的儀器已經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)定，在現(xiàn)場使用之前也要進(jìn)行標(biāo)定，現(xiàn)場也有標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)，以便對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定方法與出廠前標(biāo)定相同，另外可以把儀器和與現(xiàn)場用的指針式的壓力表串聯(lián)在一起.進(jìn)行灌漿，在一定壓力下比較兩者的讀數(shù)是否吻合，如果一樣，就說明儀器滿足要求，標(biāo)定完畢。.
5工程實(shí)例
　　壓阻式壓力變送器配套LJ系列灌漿壓水測控系統(tǒng)使用，目前在新建大中型水電站的灌漿工程中得到了推廣應(yīng)用，如洪家渡、引子渡、琊砑山抽水蓄能電站，以及遵義灌區(qū)、百色水利樞紐等水利工程。表2是抽水蓄能電站一個(gè)帷幕灌漿孔原始報(bào)表的一部分，灌漿過程使用LJ灌漿壓力檢測系統(tǒng)的LJ一II 型灌漿,壓水測控系統(tǒng)作過程檢測。從表中可知, 隨著灌漿過程的繼續(xù)，壓力逐漸增大。
 
　　在施工條件惡劣的情況下，壓阻式壓力變送器體現(xiàn)了其自身的優(yōu)點(diǎn)，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，其最顯著的特點(diǎn)是良好的耐動(dòng)態(tài)沖擊性能，高的響應(yīng)頻率和極高的靈敏度，從而使得在測量中大大減小了測量誤差，提高了測量精度。

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