精度高温度计在大型水利工程中的应用

摘要:为了监测金沙江白鹤滩水电站工程运行对水温的影响,建立了包括库区沿程水温、取水口垂向水温、机组流道水温和坝下水温的全覆盖水温监测系统。对于水位主要变动区域,系统前端设备选用±0.1℃精度的水温计,与传统温度计相比,精度高温度计在工程中应用较少。在广泛调研对比典型温度计指标后,拟选用铂电阻温度计作为精度高温度计在工程中进行应用。针对施工期接入自动化前铂电阻温度计无专门人工测读设备的情况,提出了现有水工电桥应用于铂电阻温度计的四线制温度测读方式,并通过室内试验对比验证了测读方式的合理性。最后通过分析对比工程应用数据,证明了文中所述的精度高温度计设备选型合理,提出的人工测读方式正确。
　　水电站是金沙江下游四级开发方案的第二级,是世界在建规模最大的水利工程。根据《金沙江白鹤滩水电站环境影响报告书》,白鹤滩水电站运行时下泄水温平水年4月月均最大降幅为3.9℃,特殊边界条件下月均最大温降约为5.6℃,电站运行使向家坝坝下水温延迟幅度增加约1旬,这将对金沙江河段以及长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区的水生生态系统带来不利影响。
　　在当前长江流域大保护的背景下叫,为减缓本工程建设所产生的不利水温影响,白鹤滩水电站设置库区、坝前及坝下游水温监测系统,运行期对攀枝花至宜昌河段水温进行全面系统监测。该水温在线监测系统包括库区沿程水温在线监测系统、取水口垂向水温在线监测系统、机组流道水温在线监测系统和坝下水温在线监测系统。根据该电站库区水温预测模型预测成果及水温垂向分层特征凹,对温度计的耐水压和精度进行合理选型,高程700m以下水流水温相对稳定区域拟选用±0.3℃精度的水温计,在高程700m以上库水位主要变动区域拟选用+0.1℃精度的水温计。
　　目前,水利工程安全监测中常用的温度传感器多为电阻式温度计和振弦式温度计,均满足±0.3℃精度。与传统温度计相比,±0.1℃精度的水温计在水利工程安全监测中应用较少,将其定义为精度高温度计,针对白鹤滩水电站水温监测系统中精度高温度计的选型、施工期测读方式及应用效果进行探究。
1温度计选型
1.1常用温度计简介
　　温度传感器是长期埋设在水工结构物或其它岩土工程结构物内或表面,测量水工建筑物的坝体、隧洞、厂房等混凝土内部的温度,也可监测大坝施工中混凝土拌和及传输时的温度及水温、气温等。如上节所述,水利工程中常用的温度传感器多为电阻式温度计,《大坝安全监测仪器检验测试规程》(SL530-2012)中也规定了铜电阻式温度计、热敏电阻式(RT型)温度计和振弦式温度计等3种类型温度计的检验测试方法和程序。其中,铜电阻式温度计利用铜电阻在一定的温度范围内与温度成线性的关系工作。当温度计所处的环境温度变化时,铜电阻的电阻值也相应变化。热敏电阻式(RT型)温度计是以半导体热敏电阻为传感器,利用半导体中的载流子数目随着温度升高而按数激烈地增加,载流子的数目越多、导电能力越强、电阻率越小的特性,通过测量其电阻值来测得温度。它与铜电阻温度计的温度变化特性正好相反。振弦式温度计是当环境温度变化时,通过传感器传导至内部感应体,由于温度与感应体的变化有线性关系,感应体产生膨胀或收缩,引起振弦的自振频率发生变化,由二次仪.器通过线圈对振弦激振并接受数字信号,便可计算得出当前环境温度的变化。
　　这3类温度计均已在水利工程中长期应用,使用效果良好，且在施工期均有便携的成熟二次仪表配合使用,其中铜电阻式温度计精度均可达±0.3℃。
　　典型温度计的有关指标对比见表1。
 
1.2精度高温度计选型
　　通过厂家调研和不同类型温度计比选,金属铂是理想的温度计材料,具有易提纯、易加工、很好的物理和化学稳定性等特点,以铂电阻作为传感器的温度计具有测温范围大、性能稳定、重复性好等优良测温性能,可满足工程要求的±0.1℃精度需求。从应用来看,标准铂电阻温度计常作为各种标准温度计、精密温度计量仪器的检定仪器使用,在高科技、工业生产及科研领域的精度高温度控制系统中应用广泛。
　　采用的铂电阻温度计,如图1所示。
 
　　具有长期稳定性好、具有适应各种恶劣环境的不锈钢结构、防水性能佳、使用寿命长、高灵敏度等特点,主要技术参数详见表2。
 
2施工期测读方式研究
2.1测读方法
　　水利工程中监测仪器接续电缆通常较长,可达上千米，铂电阻温度计的阻值小、灵敏度高,如在100℃时铂电阻的热电阻率为0.379Ω/℃,若接续电缆电阻为2Ω,则误差将达到5.3℃。因此在正常测读传感器电阻时,必须考虑将仪器所引电缆电阻带来的测量误差予以消除刊。
　　如上节所述,铂电阻温度计常用在精密工业系统中，所选温度计的使用手册中给出了自动化采集系统的接人方式和测读方式,对施工期未接人自动化的情况下如何准确测读并没有给出方法,也无相配套的便携式测读仪表。从仪器原理角度来说,精度高温度计显然不能使用振弦式读数仪或振弦读数仪的伴测温度模块来进行测读,因此,考虑从工业领域铂电阻测量原理人手,分析借鉴已应用成熟的同为测量电阻的铜电阻温度计的测读方式的可行性。
　　国际上针对热电阻引线测度方式有3种,分别是二线制、三线制、四线制。二线制是在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式,这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r(Ω),引线电阻大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。三线制是在热电阻根部的一-端连接1根引线,另一端连接2根引线的方式,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好地消除引线电阻的影响,在工业过程控制中最常用。四线制是在热电阻的根部两端各连接2根导线的方式,其中2根引线为热电阻提供恒定电流I(A),把R(Ω)转换成电压信号U(V),再通过另2根引线把U(V)引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,主要用于精度高的温度检测。
　　所选温度计采用的是四芯电缆,所以拟采用双.臂电桥四线制方法进行测读。水利工程安全监测领域已有成熟的电桥产品,主要用于差阻式仪器的电阻比、电阻值、反测电阻比及芯线电阻的测量,可消除长电缆电阻及芯线电阻变差对测值的影响。差阻式仪器采用的是五芯水工电缆,已有的电桥产品也是据此设计的,电桥5个接线柱的颜色与五芯水工电缆芯线配对一致即可得出测量电阻值。从测量原理和仪器设备原理人手,研究利用现有的电桥产品采用四线制法对铂电阻温度计测读方式。
　　四线制测温的接线等效图如图2所示。
 
　　图2中,Rt为热电阻(Ω);RLi为导线Li的等效电阻(Ω)。
　　通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I(A),测得电势V3(V)、V4(V),导线L3、L4接人高输人阻抗电路使Il3=0、Il4=0,因此V4-V3等于热电阻两端电压,除以激励电流I即可得出热电阻值Rt。
　　通过分析现有电桥产品内部构造,采用四线制方法精度高温度计四芯测读电缆连接方式如图3所示。
 
　　利用铂电阻的温度-电阻特性即可解算出所测温度,计算公式为:
Rt=R0[1+αT-bT²-cT³(T-100)](1)
　　式中:Rt为温度为T时的电阻值(Ω);R。为温度为0℃.时的电阻值热电阻(Ω);a、b、c为系数(无量纲),仪器采用铂电阻符合IEC751标准的温度系数标称值α为0.003851的元件,系数取值见表3。
 
　　目前文献和工作中鲜有水工电桥测读精度高(铂电阻)温度计的实践，下面将对上述水工电桥测.读精度高(铂电阻)温度计的接线方式有效性进行试验验证
2.2试验验证
2.2.1仪器设备
　　试验，所用的设备有恒温水槽(工作区最大温差不超过±0.1℃)、二等标准水银温度计及电桥、万用表等二次仪表,如图4所示。
 
　　恒温水槽用来为仪器提供标准的温度环境,铂电阻温度计与水银温度计全部浸没于恒温水槽中,水银温度计用来对温度环境进行指正,采用电桥和万用表分别对仪器进行测读,2种二次仪器分别代表了四线制方式和二线制方式,所测的结果用来对比。
2.2.2试验结果
　　试验在标准试验室内进行,测试方法严格按照《大坝安全监测仪器检验测试规程》(SL530-2012)进行。在恒温水槽中0、30、60℃共3个温度点,温度计接续3、50、100m电缆共3种情况分别用电桥和万用表测电阻,进而求出温度值,试验结果见表4一6。
 
将表6测读温度误差绘制在同一个分布对比图中,如图5所示。
 
　　结果表明:①直接采用万用电表用二线制接线方式测量,随着仪器接线长度增加,测量结果误差也相应增加,这由于二线制方式无法消除电缆误差所致。②采用电桥测量用四线制接线方式测量,在各测试温度点误差均较小,在试验室条件下,最大误差为±0.04℃,不受仪器接线长度影响。这表明所选铂电阻温度计精度满足工程需要,所选测量仪表合适,研究的四线制接线方式正确。
3工程应用
3.1精度高温度计布置
　　白鹤滩水电站左岸进水塔采用叠梁门取水方案,单个进水塔宽度33.2m,顺水流方向长34.5m,依次布置拦污栅段、通仓段、喇叭口段及闸门室段。进水口底板高程736m,塔基高程731m,塔顶高程834m,塔体高度103m。
　　在白鹤滩水电站左岸1*和2*进水塔进口流道及机组各设-条流道水温监测测线,各测点分布在左岸1*和2*进水塔检修闸门槽后的水位观测管内、1#和2*尾水连接管(尾水管检修闸门室和尾水调压室之间)内、1*尾水出口附近,共计6个。
　　温度计典型布设,如图6所示。
 
3.2温度监测结果
　　温度计埋设后,数据采集大致经历3个阶段:①刚埋人完成后,在仪器旁观测;②随着工程建设,仪器电缆逐步接长至观测箱(由图6可知,最长约1000m);③电缆接入自动采集模块,实现自动化测量。由于进水塔和尾水隧洞两部位的温度计均因为.施工交叉的原因,数据采集密度小，故选用尾水连接管的2支温度计进行分析,如图7所示。
 
　　由图7可知,施工期温度计埋设完成后大致经历3个阶段,除自动化阶段外,均采用电桥四线制接线方式测读。在电缆逐步接长和自动化集成阶段,所测温度值均比较稳定,未发生剧烈跳增和波动现象。自动化接人后,同时将该方式人工测读和自动化测量进行对比,所测结果几乎一致。
4结论
　　采用广泛调研、室内试验.工程应用等研究方法,对白鹤滩水电站水温监测系统中精度高温度计的选型、施工期测读方式及应用效果进行探究,主要结论如下。
(1)铂电阻温度计性能好,精度优于常用的水工.监测温度计,精度满足工程设计要求,仪器选型准确。
(2)通过室内对比试验,铂电阻温度计人工测量可采用现用水工电桥按文中所述的四线制方式进行测读,测读结果远远由于二线制测读方式,可消除接.
续电缆所带来的误差。
(3)铂电阻温度计应用于白鹤滩水电站流道水温监测中,在近两年的人工测读中,采用所述方法,测量结果稳定。温度计接人自动后,与人工测读进行比测,所测结果一致。
(4)现有的水工电桥并不是针对铂电阻设计的，后续可针对铂电阻温度计的特性按电桥的原理设计便携式测读装置,并内置数据处理模块,读取电阻的同时可即得温度,便于工程使用。