灌浆工程中一种性能优良的压力变送器应用

摘要: 根据灌浆工程的特性，研制了一套动态检测灌浆压力的压力变送器。介绍了压阻式压力变送器的设计要点,重点分析了压阻式传感器的工作原理及配套的油水隔离器的技术特点,同时也介绍了现场应用效果。.
1前言
　　灌浆工程中，灌浆效果取决于诸多因素，其中灌浆压力是最重要的一项，尽管灌浆施工技术要求中已为灌浆设定了一个最适宜的灌浆压力，但是此灌浆压力还要借助现场压力变送器的指示来施加，因此，用压力变送器客观真实地检测灌浆压力已成为灌浆工程中一项十分关键的技术。
　　灌浆压力通常是由灌浆泵活塞往复运动的驱使而产生的，经连续流动的浆体的传递而进入受灌地层，由于活塞泵的这一往复运动特性及调压阀的调节，使得灌浆压力在灌浆通道内呈脉动传递，这对压力变送器提出了较高要求，其必须具备耐动态冲击、响应频率快和压力超限等条件,经综合分析,采用压阻式压力传感器最为合适。
2压阻效应和压阻式压力传感器工作原理
2.1压阻效应
　　固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应，根据欧姆定律与压阻效应，长Ɩ、截面积A、电阻率ρ的条形材料受轴向应力后的电阻变化率为:
 
　　式中，σ为应力，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比，ε为应变，J为压阻系数, K为应变ε引起的电阻变化灵敏度系数，也称为G因子，它表征电阻率随应力σ的变化率，即压阻效应的强弱。
　　在K的表达式中，πE为电阻率的变化，1+2 μ为电阻纵横向尺寸的变化。对于各种常用固体材料来说，μ =0.25~0.5,对于一般金属材料由于其πE几乎为零，因而金属丝、箔应变计的K值约为1.5~2,灵敏度低。对于许多半导体材料来说压阻效应非常显著，压阻系数π引起电阻率的变化可以起主导作用，例如常用电阻率范围内的P型硅，在适当的电阻取向和应力作用下，π≈(40至80) ×10^-11m²/N,其常用的弹性模量E=1. 7×10¹¹Pa,所以有K≈πTE≈65~130,而1+2 μ的作用可忽略不计。这就是压阻式传感器通常比金属应变计式传感器灵敏度要高1~2个数量级的原因。
2.2压阻式压力传感器的工作原理,
　　其次浸在硅油中的芯片是焊接在密封的不锈钢外壳内，确保芯片免受外界环境影响，因此经久耐用。同时每只压力传感器都经过动态压力频率响应和温度特性的补偿试验，具备优良的电气特性和成倍的过载能力。
　　压力敏感芯片利用单晶硅压阻效应在单晶硅的基片上用扩散工艺制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压发生变化。图1为压力传感器的原理图。在硅片上利用集成电路工艺制成四个等值薄膜电阻组成惠登斯电桥，当不受压力时，电桥处于平衡状态，无电压输出;当受到压力时，一对桥臂电阻变大，另一对桥臂电阻变小，电桥失去平衡，有电压输出，且输出电压与压力成正比。
　　由于10系列压力传感器输出的信号为微弱的电压信号，为了将电压信号变成4~20mA的标准电流信号，需外接一个精度高、低漂移的压力变送器，其采用XTR101型电压/电流变换器为核心，该芯片将微弱电压信号输入转变成标准的电流信号(4~20mA)输出。
3油水隔离器
　　在灌浆作业检测过程中，浆液直接接触压力传感器膜片会造成压力传感器腐蚀破坏，或是引起检测数据误差太大，因此要把浆液和传感器探头隔离，不能让浆液直接作用在探头上，于是设计了油水隔离器。
 
　　高压胶套式油水隔离器的技术特点是在压力传感器探头前设计了耐高压胶套和钢支撑骨架(储油轴管),见图2。特制耐高压胶套是特殊配方生产的橡胶制品，内外直径分别为21mm, 27mm, 长为102mm,现场的应用实践表明:特制耐高压胶套的使用效果很好，它有足够的面积使浆液将压力充分的作用在胶套上，适应压力的频率响应和耐疲劳极限，灵敏度高，满足现场对浆液压力检测的需要，压力损失也极小，胶套里面的钢支撑骨架起保护胶套的作用，使胶套不至于压缩变形过度而被损坏。工作原理是:在灌浆过程中，高压浆液进入1腔区，将高压作用在特制耐高压的胶套.上，2腔区里在装配前已经注满优质硅油，它直接接触压力传感器探头膜片，硅油承受并传递压力到探头膜片上，膜片就间接地检测到浆液的实际压力, 3腔区内安装的是压力变送器,将信号电流放大, .转换，输出4~20mA的信号电流。
4仪器标定
　　从传感器输出的信号经过-系列的信号处理之后，进入主机的信号较为稳定，但仍需仪器标定来判别仪器是否能准确检测和正常工作。仪器标定分为室内标定和现场标定。标定方程的推导过程如下。压力计的电流范围: 4~ 20mA;
　　压力测量范围: 0~10kPa;
　　压力(P) 与流量(I)之间呈线性关系:
P= K1X ( I-4)    (1)
　　式中: P一测量压力(Mpa); I一电流信号(mA);K1一压力系数(MPa/ mA),取Pmax二10MPa, I= 20mA;由式(1)得系数K1 = P/ (I-4) = 10/ (20- -4) =0.625MPa/ mA;所以这里式(1)就变为压力参数的标定方程:
P= 0. 625X ( I-4)  (2)
4.1室内标定试验
　　仪器在出厂之前以及到现场投入施工以前都要进行一系列标定试验，以检验仪器的质量和确保测量的精度。压力标定试验分为两步:①用信号模拟器来模拟压力传感器输出的电流信号。压力值在施工现场的测量范围一般为0~5 MPa,所以要重点对这-段进行标定，即要使信号电流值与压力值之间的关系与式(2)相吻合。②用压力传感器和标准压力计同时检测同一系列压力值，使二者的显示值相等或相差在0. 03MPa以内,如果相差太大,说明压力传感器方面出.了问题，典型的标定试验数据如表1所示。
 
4.2现场标定试验
　　出厂的仪器已经进行了标定，在现场使用之前也要进行标定，现场也有标准压力计，以便对压力传感器进行标定，其标定方法与出厂前标定相同，另外可以把仪器和与现场用的指针式的压力表串联在一起.进行灌浆，在一定压力下比较两者的读数是否吻合，如果一样，就说明仪器满足要求，标定完毕。.
5工程实例
　　压阻式压力变送器配套LJ系列灌浆压水测控系统使用，目前在新建大中型水电站的灌浆工程中得到了推广应用，如洪家渡、引子渡、琊砑山抽水蓄能电站，以及遵义灌区、百色水利枢纽等水利工程。表2是抽水蓄能电站一个帷幕灌浆孔原始报表的一部分，灌浆过程使用LJ灌浆压力检测系统的LJ一II 型灌浆,压水测控系统作过程检测。从表中可知, 随着灌浆过程的继续，压力逐渐增大。
 
　　在施工条件恶劣的情况下，压阻式压力变送器体现了其自身的优点，工作稳定，抗干扰能力强，其最显著的特点是良好的耐动态冲击性能，高的响应频率和极高的灵敏度，从而使得在测量中大大减小了测量误差，提高了测量精度。

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