壓力變送器

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壓力變送器在軌道交通結構監測中的運用

作時間:2018-07-13  來源:  作者:
   

         摘要:軌道交通控製保護區內建設活動日益頻繁,對軌道交通結構安全保護監測提出了較高要求。結合某自動化監測項目,利用工業領域使用的壓力變送器進行軌道交通結構沉降自動化監測,對係統設計進行了詳細介紹,對誤差源及測量精度進行了分析。基於壓力變送器的沉降監測係統監測精度與傳統靜力水準儀相當,可以有效克服傳統靜力水準儀量程小,體積大,安裝困難的缺點,在線路縱坡較大的區段進行監測時,優勢明顯。

 
引言
        伴隨著經濟的高速發展,城市化進程在顯著加快,城市建設、城市改造的規模和速度均在擴大。在城市軌道交通控製保護區範圍內的施工和作業大量湧現,不可避免地對已運營的軌道交通結構產生擾動,容易導致結構的受力失衡,使結構產生局部的水平位移、沉降、拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉等形變,造成隧道滲漏水、限界的改變、道床的沉降、軌道的幾何變化。如果結構變形超出控製值,會嚴重威脅軌道交通的運營安全,給人民生命財產造成巨大損失。因此對受到外部作業施工影響的城市軌道交通結構進行監測,確保其運營安全,反饋和指導外部作業的施工顯得尤為重要。
 
        由於許多軌道交通控製保護區內的外部作業項目與軌道交通結構的空間關係多為上跨或下穿,結構的變形主要體現在結構高程變化上,采用靜力水準儀監測軌道交通結構多個監測點沉降的變化,已在北京、上海、廣州等城市中運用,取得了較好的效果[1~3]。目前直接利用浮子測量液麵高度的靜力水準儀在國內軌道交通結構沉降自動化監測中運用最為廣泛。由於采用直接測量液麵變化的原理,因此該類靜力水準儀的量程一般較小,取決於其容器的高度,一般不大於100mm。對設備安裝精度要求較高,安裝時要求初始高程基本相同。采用該類型的靜力水準儀,對於線路縱斷麵設計坡度變化較大的地段,需要分區段布設,並在各區段水準儀之間設置縱向級聯靜力水準儀[4],係統設計、安裝困難,增加了監測係統的成本。
 
2基於壓力變送器的沉降監測係統
2.1壓力變送器原理
        在工業領域已廣泛運用的壓力變送器可以用來測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力,其工作原理[5]是來自雙側導壓管的壓力差值直接作用於變送器傳感器雙側隔離膜片上,通過膜片內的密封液傳導至測量元件上,測量元件將測得的壓力信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉換器,經過放大等處理變為標準電信號輸出,如圖1所示。
壓力變送器內部原理圖
        壓力變送器測量值是水頭的壓力,傳感器自身無須儲液罐,以橫河EJA110型差壓變送器為例,其規格為長125mm×寬110mm×高197mm,其規格與傳統靜力水準儀相比大大減小。壓力變送器測量的量程大,橫河EJA110型差壓變送器量程為50mm~10000mm(H2O),測量精度為±0.075%,分辨率為±0.01%。當各壓力變送器之間最大高差在10cm以內時,其測量精度可達±0.1mm,與傳統靜力水準儀精度相當。當高差為1m時,其測量的精度為±0.75mm,分辨率為±0.1mm,可以彌補傳統靜力水準儀器量程小的缺點,使得沉降監測係統設計和安裝更為方便,在線路縱斷麵設計坡度變化較大的區段更具有優勢。壓力變送器都是工業級應用產品,其長期穩定性5年可達±0.1%,可連續工作5年不用調校零點,溫度、靜壓對其影響很小,在高溫、高壓環境下均能保持較高的穩定性。
 
2.2係統設計
        基於壓力變送器的沉降監測係統主要由現場監測設備及傳感器子係統、數據采集與傳輸子係統、監控中心、用戶子係統四大部分組成,如圖2所示。監測設備與傳感器子係統主要是布置在監測現場的壓力變送器和采集器等硬件設備;數據采集與傳輸子係統的主要功能是對采集器進行控製,定期采集相應的數據並向監控中心傳入數據,並執行相關命令;監控中心是整個監測係統的控製中心、數據存儲中心、數據處理、分析和評價中心、監測預警發布中心;用戶子係統實現將各種數據實時按需求向用戶展示,並且接受用戶對係統的控製與輸入。
監測係統總體結構圖
        在現場采集端,壓力變送器測量的是流體的過程壓力,因此需要單獨設置儲液罐來保證整個係統的壓力。在係統的一端設置儲液罐,並與各個壓力變送器的高壓端用連通管連通,保障儲液罐中液麵的高度高於所有壓力變送器中心位置的高度,如圖3所示。當監測區段較長時,為保障整個係統的壓力,可以在係統兩端頭分別設置儲液罐。各監測點之間安裝高差可根據測量精度選擇,為保障監測精度優於±1.0mm,監測點之間最大高差不宜大於1m。
壓力變送器現場安裝示意圖
係統充入的液體一般采用防凍液,若用純淨水作為介質,應在水中加入防腐劑,防止液體變質。將防凍液倒入儲液罐中,然後依次從最遠端打開壓力變送器排氣閥門排氣,直到傳感器監測數據穩定為止。用密度計在儲液罐處測量填充液體的密度,作為參數輸入,換算得到各監測點相對儲液罐液麵的高度差。
 
3工程案例
        在某違章建築拆除對軌道交通隧道結構影響自動化監測項目中,為及時掌握其拆除過程中對隧道結構的影響,利用基於壓力變送器的沉降監測係統對該段隧道進行了實時沉降監測,同時還布設了應力監測傳感器。受影響範圍內軌道交通隧道分為單洞雙向和兩個單洞單線兩種斷麵,受影響範圍長度約為160m,線路縱斷麵坡度設計最大為42.5‰,區間隧道拱頂最大高差為7.5m,若采用傳統靜力水準儀設計和安裝均十分困難。
擬拆除建築與隧道關係圖監測斷麵傳感器布置圖
        該項目一共布置5個監測斷麵,斷麵間距約50m,壓力變送器均安裝在隧道左側拱肩部位,在線路北側穩定區域設置基準點壓力變送器與儲液罐,壓力變送器之間最大高差約為220mm,壓力變送器采用橫河EJA110A型,采集器采用基康BGK-Micro-40測量單元,數據采樣間隔為10min。
 
4監測數據分析
4.1誤差源分析
        采用壓力變送器進行軌道交通結構沉降監測與傳統靜力水準測量類似,也受到多種誤差源的影響,其主要有溫度的變化、環境壓力、列車震動、填充液的質量等因素影響。
 
(1)溫度影響
        係統中填充液體的密度是隨溫度變化而變化的,液體密度的變化也改變了液體的體積,隨著溫度的增加,水柱高度變化也加速[6]。統計3個多月各斷麵的溫度實時監測數據,從圖6可以看出,除了1號斷麵與另外4個斷麵的溫差在±0.5℃以內,其餘斷麵的溫差均在±0.25℃以內。1號斷麵靠近輕軌站台防火門,受到站台和列車啟停的影響,該斷麵的溫度較其他斷麵有微小的波動。由於隧道內各斷麵溫差較小,所以溫度對高差影響可以忽略不計。如果監測係統安裝在戶外,由於受到遮擋和日照的不同容易引起溫差較大的情況,應根據各個傳感器所測量的溫度對監測結果進行模型改正。
各監測斷麵與 3 號斷麵的溫度差
(2)氣壓和重力的影響
        氣壓、重力的不同會影響液麵的高度,由於壓力變送器基本都安裝在同一高程麵上,而且在隧道相對密閉的環境中,在一個比較小的範圍內使用,可以認為各監測點的重力加速度g和氣壓保持不變[7,8]。
 
但由於軌道交通列車運行時會引起隧道中空氣的流動,造成隧道內氣壓的變化,會對測量結果帶來一定波動,但若列車間隔時間較長或者是停運期間,氣壓的變化會逐漸穩定,對監測結果影響較小。當對監測精度要求較高時,可將所有監測點變送器的低壓端用空管進行連通,形成密閉係統,可以明顯減小外部環境幹擾。
 
(3)列車影響
        軌道交通列車以一定的速度通過監測區域時產生的振動影響、動力電纜的電流對壓力變送器的電磁幹擾、空氣流動造成氣壓變化等因素都會對監測結果帶來影響。以本項目為例,在某日監測過程中,監測人員對列車經過傳感器的大致時間進行記錄,然後跟傳感器監測數據的時間序列進行比對,比對成果如圖7所示。列車通過監測點時,增加該部位隧道的荷載,會引起監測點的下沉,由於該項目列車先經過的部位為基準點,基準點下沉相對會使監測點上升。從圖中可以看出,列車運營通過傳感器的時間與傳感器采集數據發生跳變的時間大部分吻合,跳變的大小為0mm~2mm不等,沉降量均增大。
壓力變送器監測數據與列車經過的時間比對
(4)填充液中氣泡影響
        監測過程中發現4號監測斷麵的沉降量與基準點液麵的減少量基本一致,整個過程曲線如圖8所示。由於壓力變送器的膜盒內存有未排出的空氣,使變送器的正壓始終受到積存的氣體壓力的影響,且此壓力是不斷變化的,造成監測值的偏移,且與整個係統的壓力有一定的相關性。係統中的液體在外界環境的影響下,溶解在其中的氣體會不斷析出,聚集在傳感器內引起測量的誤差。為消除係統中氣泡的影響,一是可以選擇矽油等性質穩定的液體作為介質;二是定期給壓力變送器排氣,使該傳感器監測數據穩定為止。
4 號壓力變送器監測值變化量與儲液罐液麵變化量
4.2監測精度分析
        以某天監測的過程曲線(圖9)可以明顯看出,在夜間停運期間淩晨0:00~5:00,壓力變送器的監測曲線十分平穩。白天由於受列車運營、電磁幹擾,噪聲和異常較多,對於運營期間的監測數據需要進行粗差識別、過濾。
某天係統監測過程曲線
        對列車停運期間的監測結果進行統計分析,可以真實反映壓力變送器監測精度。從表1中可以看出,夜間列車停運期間,壓力變送器監測精度優於0.1mm。每天的監測成果最好取夜間一段時間的平均值作為當天的監測成果值。從表2中可以看出,對隧道運營期監測數據粗差過濾後進行精度統計,隧道運營期壓力變送器監測精度達到亞毫米,通過對監測數據粗差過濾和平滑,也能達到實時沉降監測的精度。
列車停運期間各壓力變送器監測標準差
4. 3 監測成果比對
        為驗證壓力變送器進行沉降監測的可靠性,在該項目的 2 號、3 號、5 號斷麵壓力變送器的附近隧道襯砌上安裝棱鏡,采用測量機器人進行監測,將監測結果與壓力變送器監測成果進行比對,比較結果如表 3 所示。可以看出用測量機器人與壓力變送器監測的結果平均差值為 -0.5 mm,可以說兩種方法監測結果基本吻合,監測精度在亞毫米級以內。
測量機器人與壓力變送器監測成果差值
5 結 論
        (1)采用壓力變送器進行軌道交通結構沉降監測,其監測精度與傳統靜力水準儀相當,可以有效克服傳統靜力水準儀量程小,安裝困難的缺點,在線路縱坡
較大的區段以及需要對隧道拱肩以上部位進行監測時,相比傳統靜力水準儀有較大優勢。
        (2)利用壓力變送器進行結構沉降自動化監測,其主要誤差來源是係統內未排出氣泡、電磁幹擾和列車振動的影響,後期可嚐試采用光纖光柵進行信號的傳輸減小電磁幹擾。
        (3)係統采集器是逐通道掃描,因此每個傳感器的采集時間不是嚴格同步。對於沉降監測係統需要同一時刻液麵相對基準點的高差值,這也對高差測量精度有一定影響。為使數據盡量同步,可以將所有壓力變送器接入相鄰的通道內,但數據的嚴格同步還需進行進一步研究。
        (4)整個沉降監測係統的數據質量與安裝質量密切相關,其數據是否穩定需連續觀測一段時間才能判斷,為保證數據的可靠性和連續性,建議同時采用其他人工監測手段進行相互驗證和補充。
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