灌漿工程中一種性能優(yōu)良的壓力變送器應用

摘要: 根據灌漿工程的特性，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計要點(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)也介紹了現場(chǎng)應用效果。.
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，盡管灌漿施工技術(shù)要求中已為灌漿設定了一個(gè)最適宜的灌漿壓力，但是此灌漿壓力還要借助現場(chǎng)壓力變送器的指示來(lái)施加，因此，用壓力變送器客觀(guān)真實(shí)地檢測灌漿壓力已成為灌漿工程中一項十分關(guān)鍵的技術(shù)。
　　灌漿壓力通常是由灌漿泵活塞往復運動(dòng)的驅使而產(chǎn)生的，經(jīng)連續流動(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運動(dòng)特性及調壓閥的調節，使得灌漿壓力在灌漿通道內呈脈動(dòng)傳遞，這對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壓阻效應和壓阻式壓力傳感器工作原理
2.1壓阻效應
　　固體材料在應力作用下發(fā)生形變時(shí)，其電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱(chēng)為壓阻效應，根據歐姆定律與壓阻效應，長(cháng)?、截面積A、電阻率ρ的條形材料受軸向應力后的電阻變化率為:
 
　　式中，σ為應力，E為材料的彈性模量，μ為材料的泊松比，ε為應變，J為壓阻系數, K為應變ε引起的電阻變化靈敏度系數，也稱(chēng)為G因子，它表征電阻率隨應力σ的變化率，即壓阻效應的強弱。
　　在K的表達式中，πE為電阻率的變化，1+2 μ為電阻縱橫向尺寸的變化。對于各種常用固體材料來(lái)說(shuō)，μ =0.25~0.5,對于一般金屬材料由于其πE幾乎為零，因而金屬絲、箔應變計的K值約為1.5~2,靈敏度低。對于許多半導體材料來(lái)說(shuō)壓阻效應非常顯著(zhù)，壓阻系數π引起電阻率的變化可以起主導作用，例如常用電阻率范圍內的P型硅，在適當的電阻取向和應力作用下，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。這就是壓阻式傳感器通常比金屬應變計式傳感器靈敏度要高1~2個(gè)數量級的原因。
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，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(guò)動(dòng)態(tài)壓力頻率響應和溫度特性的補償試驗，具備優(yōu)良的電氣特性和成倍的過(guò)載能力。
　　壓力敏感芯片利用單晶硅壓阻效應在單晶硅的基片上用擴散工藝制成一定形狀的應變元件，當它受到壓力作用時(shí)應變元件的電阻發(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，當不受壓力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，無(wú)電壓輸出;當受到壓力時(shí)，一對橋臂電阻變大，另一對橋臂電阻變小，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為微弱的電壓信號，為了將電壓信號變成4~20mA的標準電流信號，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輸入轉變成標準的電流信號(4~20mA)輸出。
3油水隔離器
　　在灌漿作業(yè)檢測過(guò)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，或是引起檢測數據誤差太大，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，于是設計了油水隔離器。
 
　　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計了耐高壓膠套和鋼支撐骨架(儲油軸管),見(jiàn)圖2。特制耐高壓膠套是特殊配方生產(chǎn)的橡膠制品，內外直徑分別為21mm, 27mm, 長(cháng)為102mm,現場(chǎng)的應用實(shí)踐表明:特制耐高壓膠套的使用效果很好，它有足夠的面積使漿液將壓力充分的作用在膠套上，適應壓力的頻率響應和耐疲勞極限，靈敏度高，滿(mǎn)足現場(chǎng)對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膠套的作用，使膠套不至于壓縮變形過(guò)度而被損壞。工作原理是:在灌漿過(guò)程中，高壓漿液進(jìn)入1腔區，將高壓作用在特制耐高壓的膠套.上，2腔區里在裝配前已經(jīng)注滿(mǎn)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腔區內安裝的是壓力變送器,將信號電流放大, .轉換，輸出4~20mA的信號電流。
4儀器標定
　　從傳感器輸出的信號經(jīng)過(guò)-系列的信號處理之后，進(jìn)入主機的信號較為穩定，但仍需儀器標定來(lái)判別儀器是否能準確檢測和正常工作。儀器標定分為室內標定和現場(chǎng)標定。標定方程的推導過(guò)程如下。壓力計的電流范圍: 4~ 20mA;
　　壓力測量范圍: 0~10kPa;
　　壓力(P) 與流量(I)之間呈線(xiàn)性關(guān)系:
P= K1X ( I-4)    (1)
　　式中: P一測量壓力(Mpa); I一電流信號(mA);K1一壓力系數(MPa/ mA),取Pmax二10MPa, I= 20mA;由式(1)得系數K1 = P/ (I-4) = 10/ (20- -4) =0.625MPa/ mA;所以這里式(1)就變?yōu)閴毫档臉硕ǚ匠?
P= 0. 625X ( I-4)  (2)
4.1室內標定試驗
　　儀器在出廠(chǎng)之前以及到現場(chǎng)投入施工以前都要進(jìn)行一系列標定試驗，以檢驗儀器的質(zhì)量和確保測量的精度。壓力標定試驗分為兩步:①用信號模擬器來(lái)模擬壓力傳感器輸出的電流信號。壓力值在施工現場(chǎng)的測量范圍一般為0~5 MPa,所以要重點(diǎn)對這-段進(jìn)行標定，即要使信號電流值與壓力值之間的關(guān)系與式(2)相吻合。②用壓力傳感器和標準壓力計同時(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?xún)?如果相差太大,說(shuō)明壓力傳感器方面出.了問(wèn)題，典型的標定試驗數據如表1所示。
 
4.2現場(chǎng)標定試驗
　　出廠(chǎng)的儀器已經(jīng)進(jìn)行了標定，在現場(chǎng)使用之前也要進(jìn)行標定，現場(chǎng)也有標準壓力計，以便對壓力傳感器進(jìn)行標定，其標定方法與出廠(chǎng)前標定相同，另外可以把儀器和與現場(chǎng)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是否吻合，如果一樣，就說(shuō)明儀器滿(mǎn)足要求，標定完畢。.
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用，如洪家渡、引子渡、琊砑山抽水蓄能電站，以及遵義灌區、百色水利樞紐等水利工程。表2是抽水蓄能電站一個(gè)帷幕灌漿孔原始報表的一部分，灌漿過(guò)程使用LJ灌漿壓力檢測系統的LJ一II 型灌漿,壓水測控系統作過(guò)程檢測。從表中可知, 隨著(zhù)灌漿過(guò)程的繼續，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了其自身的優(yōu)點(diǎn)，工作穩定，抗干擾能力強，其最顯著(zhù)的特點(diǎn)是良好的耐動(dòng)態(tài)沖擊性能，高的響應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。

½