静力水准系统方案

静力水准沉降监测系统

上海华测创时测控科技有限公司

技术部

1 静力水准系统 (2)

1.1系统的结构 (2)

1.2系统的工作原理 (2)

2 静力水准仪 (4)

2.1背景技术 (4)

2.2静力水准仪结构 (4)

2.3静力水准仪特点 (5)

2.4静力水准仪传感器 (5)

2.5传感器的结构和工作原理 (5)

2.6静力水准仪的读数与计算 (6)

2.6.1读数 (6)

2.6.2计算 (6)

2.6.3说明 (6)

2.7静力水准仪的数据传输 (7)

2.7.1数据传输注意事项 (7)

2.7.2数据传输电缆 (7)

2.7.3数据传输接线方法 (7)

2.8静力水准仪的安装 (7)

2.8.1测墩安装 (8)

2.8.2墙壁安装 (8)

2.8.3安装地板和安装架的固定 (9)

2.8.4贮液容器的安装 (9)

2.8.5连接通液管 (9)

2.8.6系统充液 (9)

2.8.7安装传感器 (10)

2.8.8安装通气管 (10)

3系统软件简介 (10)

1静力水准系统

静力水准系统是测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器。主要用于大坝、核电站、高层建筑、矿山、滑坡、桥梁等垂直位移和倾斜的监测。静力水准系统一般安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，通常采用HC-C800一体化模块化自动测量单元采集数据，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测。

1.1系统的结构

静力水准系统的结构由静力水准仪及安装架、液体连通管及固定配件、通气连通管及固定配件、干燥管、液体等组成。安装方式分为测墩式安装和墙壁式安装两种方式，视现场条件和设计要求选定，如图示1。

●静力水准系统结构示意图示1(模型)

1.2系统的工作原理

静力水准系统又称连通管水准仪，系统至少由两个观测点组成，每个观测点安装一套静力水准仪。静力水准仪的贮液容器相互用通液管完全连通，贮液容器内注入液体，当液体液面完全静止后系统中所有连通容器内的液面应同在一个大地水准面上▽O，此时每一容器的液位由传感器测出，即初始液位值分别为：H10、H20、H30、H40、·····H i0，如图示2。

假设被测物体测点1作为基准点，测点2的地基下沉，测点3的地基上升，测点4的地基不变等等，当系统内液面达到平衡静止后形成新的水准面▽i0，则各测点连通容器内的新液位值分别为：H1、H2、H3、H4······H i，如图示3。

系统各测点的液位由静力水准仪传感器测得，各测点液位变化量分别计算

为：△h1=H1-H10、△h2=H2-H20、△h3=H3-H30、△h4=H4-H40······△h i=H i-H i0。其中计算结果：△h i为正值表示该测点贮液容器内的液面升高，△h i为负值表示该测点贮液容器内的液面降低，如图示3。

在此，选定测点1为基准点，则其它各测点相对基准点的垂直位移(沉降量)为：△H2=△h1-△h2、△H3=△h1-△h3、△H4=△h1-△h4、······△H i=△h1-△h i。其中计算结果：△H i为正值表示该测点地基抬高，△H i为负值表示该测点地基沉降，如图示3。

如果知道两测点间的水平距离L，则两测点间相对倾斜的变化也可算得，如图示3。

●静力水准系统工作原理图示2

●静力水准系统工作原理图示3

依照上述原理，在静力水准仪的系统中，不但可以观测两测点间的相对垂直位移，也可在建筑物及其它地基内布置多个测点并连成系统，并选一稳定不动的测点做为基准点，来观测各测点相对基准点的垂直位移(沉降量)。

往往基准点是相对恒定的或者是可用其它方式准确测定的点，精确计算各点的绝对垂直位移，必须核定基准点地基的沉降变化量。

对于多测点的静力水准系统，每个测点的静力水准仪均需加接三通接头，使各测点贮液容器用水管连通，各点容器上部与大气连通，且各点安装高程应基本相同，基准点必须稳固。

2静力水准仪

2.1背景技术

目前在我国推广应用的静力水准仪技术中主要使用的传感器为：振弦式、电容式、光电式、差动变压器式等。以上形式的仪器共同的弱点是损坏率高，长期稳定性差，需要定期的重新标定，维护费用高，信号输出形式固定适应性差。其中有些传感器安装要求较高，必须专业技术人员安装；有些传感器测量精度较差，可靠性方面存在缺陷等等。

本系统所述的静力水准仪使用磁致伸缩液位计作为传感器，型号为JL-1。该传感器是利用磁致伸缩原理开发出的新一代高精度液位测量产品，是一种非接触式液位测量传感器。传感器浮子在测杆上的位置随贮液容器内液位的变化而同步变化，通过二次仪表可测得变化数据，从而计算出液位的变化量。本静力水准仪所用传感器能有效地克服其它类型传感器所存在的以上问题,具有高精度、高稳定性、高可靠性、安装简便等优点。

2.2静力水准仪结构

本文着重介绍HC-J100式静力水准仪，其结构主要由观测电缆、传感器、水平泡、气管接头、通气管、加液塞、上端盖、贮液筒、防冻液、下端盖、通液管接头、通液管、底板、调节螺栓、安装架等部件组成，如图示4。

●JL-1型磁致伸缩式静力水准仪结构图示4

2.3静力水准仪的特点

本HC-J100式静力水准仪的特点：

1.采用有机玻璃管作为贮液容器，透明度好，可以直观的反应容器内液面的高度便于目测。

2.上下端盖采用铝合金材料制成，表面氧化发黑处理，及轻便又防锈。

3.传感器采用全不锈钢制造永不生锈，外部全封闭式结构，防水性能好。

4.传感器安装采用螺纹连接固定，无需其它附件，及简单又牢靠。

5.上端盖或底板上装有水平泡，便于仪器的安装调平。

6.安装架装有3套调节螺栓对仪器底板形成3点支撑，便于仪器的安装调平

7.安装架适用在测墩和墙壁安装，无需增加附件，固定简单方便。

2.4静力水准仪传感器

HC-J100式静力水准仪采用的传感器，是利用磁致伸缩原理开发出的新一代高精度液位测量产品，是一种非接触式液位测量传感器。具有高分辨率、高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快，工作寿命长等优点。

主要特点：直线测量，绝对位置输出；非接触式连续测量，永不磨损；传感器不用重新标定，也不用定期维护；输入/输出多种选择，可选择电压、电流模拟信号输出，RS485数字信号输出；安装简单方便与其它液位计相比有明显的优势。

●传感器的主要技术指标

1.测量范围：0～50mm(超量程可达70mm以上)

2.供电电压：+12VDC±10%

3.输出电流：4～20mA

4.负载能力：电流信号输出最大负载200Ω

5.系统测量最小值：≤0.5mm

6.线性度：≤±0.5%FS

7.不重复性：≤0.5%FS

8.滞后：≤0.5%FS

9.工作温度：－25～＋80℃

10.温度影响：≤0.007%FS/℃

2.5传感器的结构和工作原理

JL-1型静力水准仪所使用的磁致伸缩液位传感器主要由测杆、电子仓、观测电缆以及套在测杆上的非接触磁浮球组成,如图示5。

●JL-1型磁致伸缩式量水堰计传感器的工作原理

磁致伸缩液位传感器的测杆内装有磁致伸缩线(波导丝)，测杆由不导磁的不锈钢管制成，可靠地保护了波导丝。

工作时，由电路产生一起始脉冲，起始脉冲在波导丝中传输时，产生沿波导丝方向的旋转磁场，当这个磁场与浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被电子拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，测量电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确地测出被测液位值。

2.6静力水准仪的读数与计算

2.6.1读数

1.手动采集数据可使用HC-1212型读数仪直接读取模数F。

2.自动采集数据可使用HC-C800分布式模块化自动测量单元测量(模数F=读数×100，小数点后4舍5入)。

3.计算机读取(使用专用软件，直接读取工程值）。

2.6.2计算

1.静力水准仪基准点液位变化量△h j(mm)可按下列公式计算：

△h j=K j(F j－Fo j)

在此：K j—静力水准仪基准点传感器系数(mm/F)

F j—静力水准仪基准点的当前读数(F)

Fo j—静力水准仪基准点的初始读数(F)

2.静力水准仪各观测点液位变化量△h i(mm)可按下列公式计算：

△h i=K i(F i－Fo i)

在此：K i—静力水准仪观测点传感器系数(mm/F)

Fo i—静力水准仪观测点的初始读数(F)

F i—静力水准仪观测点的当前读数(F)

3.各观测点沉降或抬高的变化量△H i(mm)可按下列公式计算：

△H i=△h j－△h i

=K j(F j－Fo j)－K i(F i－Fo i)

2.6.3说明

1.当静力水准仪观测计算值△H i为负值时表示观测点地基沉降。

2.当静力水准仪观测计算值△H i为正值时表示观测点地基抬高。

3.在正常工作范围内温度的变化对系统本身的影响很小，温度修正系数远远小于最小读数，可忽略温度对系统的影响。

2.7静力水准仪的数据传输

2.7.1数据传输注意事项

数据传输电缆线必须避开大功率电源、射频信号源和其它有噪声的传输线等。电缆的屏蔽线必须完好无断线，用二次仪表读取数据时传感器的屏蔽线必须连接仪表地端。二次仪表必须具备防雷措施。

2.7.2数据传输电缆

传感器的引线方式为屏蔽电缆直接出线(红、黑、绿、白四芯屏蔽线),电源的地线可以和信号地线共用短接。传输电缆选用相同型号的四芯屏蔽电缆。

2.7.3数据传输接线方法

1.电源＋12VDC±10%：红色线接电源正极，黑色线接电源地端。

2.模拟电流信号：绿色线接二次仪表的信号输入正极,白色线接二次仪表的信号输入负极。

3.数字信号(RS485)：绿色线接A,白色线接B。

2.8静力水准仪的安装

静力水准仪的安装根据现场的状况或设计要求分为两种方式：

一种方式为测墩安装，此方式是用安装地板将静力水准仪安装在标高相同的测墩上，如图示6。

另一种方式为墙壁安装，此方式是用安装架将静力水准仪安装在墙壁的等高线上；如图示7。

●说明：

系统如果是多点观测(3点以上)，应考虑设置主通液管，各测点静力水准仪的通液管应加装三通接头与主通液管连通，使用这种方法的好处是可缩短液面平衡静止的时间。

2.8.1测墩安装

首先根据设计要求在观测建筑物(如大坝的廊道地基、马道地基，各种隧道地基等）建造相同标高的测墩,测墩的尺寸≥400mm×400mm,高度根据各测点的设计标高而定。

建造测墩时可将静力水准仪安装地板预埋在测墩上面的中心位置，也可测墩建好后用膨胀螺栓将静力水准仪安装地板固定在测墩上面的中心位置。

所有安装地板预埋或用膨胀螺栓固定前应将三个调节螺栓装配在安装地板上。静力水准仪安装地板固定好后其标高应基本相同。

静力水准仪测墩安装时，要考虑观测电缆的走线方向和保护方法，如果测点与测点之间相距较远时(＞2米),要考虑通气管和通液管的固定和保护方法。

●静力水准仪测墩安装图示6

2.8.2墙壁安装

首先根据设计要求在观测建筑物(如大坝的廊道墙壁、各种隧道墙壁、桥梁箱梁和桥墩等）的测点处确定标高,各测点的静力水准仪安装标高应相同。

系统中各测点静力水准仪安装架用膨胀螺栓固定在墙壁上，安装架固定好后其标高应基本相同。

静力水准仪墙壁安装时，应考虑观测电缆的走线方向和保护方法，如果测点与测点之间相距较远时(＞2米),要考虑通气管和通液管的固定和保护方法。

●静力水准仪墙壁安装图示7

图示6和图示7中：1.HC-J100型磁致伸缩液位传感器、2.加液塞、3.贮液罐、4.底板、5.调节螺杆、6.安装地板(或安装架)、7.通气管弯头、8.通气管、9.防冻液、10溶液连通管、11.通气管三通接头、12.溶液三通接头、13.溶液连

通弯头、14.水平泡、15.干燥管

2.8.3安装地板或安装架的固定

安装底板和安装架为“L”形钢板是通用件，只是采用不同的安装方式时其叫法不同而已。在采用测墩安装时叫安装地板，在采用墙壁安装时叫安装架。

测墩方式安装时，安装地板采用预埋方式固定，其侧板朝下埋入混凝土中，安装底板采用膨胀螺栓方式固定，其翻转使用侧板朝上即可。安装地板主面的3个￠9的孔用于固定3个M8×80螺栓，中心1个￠11的孔用于测墩方式安装时使用M10的膨胀螺栓与测墩固定。

墙壁方式安装时，安装架使用2个M10的膨胀螺栓与墙壁固定。

安装架与墙壁固定时，可利用测面2个11mm宽的长孔上下稍微调整安装架的高低，使系统中各测点的高程保持一致。

2.8.4贮液容器的安装

当整个系统各测点的静力水准仪安装地板或安装架固定好后，将静力水准仪贮液筒底板安装在安装地板或安装架的3个调节螺栓上,利用仪器上的水平泡调节螺杆上的螺母使贮液筒底板水平。

贮液容器安装完成后应核定和调整各测点高程，使其底板标高基本相同。

2.8.5连接通液管

在3点以下的静力水准系统中，中间测点的静力水准仪与两端的静力水准仪直接用通液管连通即可工作。此时各测点静力水准仪连通所需通液管的长度为相邻两测点间的距离长度，见图示6和图示7。

在3点以上的多点静力水准系统中，建议设置主通液管和副通液管，各测点静力水准仪之间不直接连通，而各自通过副通液管与主通液管连通，使系统各测点的静力水准仪贮液容器相连通。这样做的优点是可加快液面平衡静止的速度。系统中主通液管是分段在各测点处加装三通接头后连接形成，其总长度等于第一测点和最末测点的距离长度。系统各测点静力水准仪是通过副管与主通液管连通的，副通液管一头与静力水准仪连接，另一头通过三通接头与主通液管连通。另外第一测点和最末测点的静力水准仪与其它测点不同，无需使用副通液管和三通接头，可直接与主通液管连通,见图示1。

静力水准系统各测点连通后，应将通液管管口与管接头相联处用卡箍锁紧，防止松动和漏液。主通液管必须用线槽分段保护，见图示1。

2.8.6系统充液

系统充液通常挑选中间测点作为充液点，这样可加快充液速度，缩短充液时间。旋下充液点贮液容器的上端盖，将购买的防冻液充入静力水准系统各测点的贮液容器中。充液完成后各测点贮液容器内加入少量甘油，防止液体挥发。

充液操作只能从选定的充液点加液，加液应均匀、缓慢、不间断的进行。应完全排除通液管内的空气并清除气泡。充液过程中应不断观察系统各测点贮液容器内的液位高度，当液位平衡静止后达到储液筒标线时停止充液。

充液完成后应及时检查系统的密封性能，观察各接头部位有无液体渗出，无渗漏方可进行下一步操作。

2.8.7安装传感器

先将静力水准仪上端盖旋下，再将磁致伸缩液位传感器测杆上的止位环和浮球取下。传感器测杆插入静力水准仪上端盖的M18×1.5螺纹孔中，用力旋紧使传感器与上端盖固定牢靠，再将取下的浮子按原方向穿在传感器测杆上(有CN 标记的半球在液面之上)，止位环复位固定在距测杆端约19mm处，最后将装好传感器的上端盖旋紧在贮液容器上即可工作。

2.8.8连接通气管

静力水准系统中通气管的作用是使各测点静力水准仪贮液容器内的液面压力保持一致，整个系统各测点通气管应相互连通并仅在一点(两端选其一)与大气相通。

静力水准系统中两端测点，任一测点的通气管与干燥管连接，干燥管通大气，另一端用直角弯通接头封堵气管即可使用。

根据各测点间的距离，截取通气管的长度，然后将通气管管口与管接头相接把各测点串联在一起，通过干燥管与大气连通，最后做好通气管的固定工作，如图示1。

3系统数据采集管理软件简介

系统数据采集软件根据所使用的二次仪表的不同有所不同，分别介绍如下：

1.使用HC-1212型读数仪手动采集数据时，只能采集电压信号(0-±2V)或电流信号(4-20mA)输出的传感器。

先将采集数据手动或自动存贮在读数仪中，计算机安装HUACEMAOS型读数仪通信软件后，读数仪与计算机连接传输数据。

打开通信软件可查看数据，可将数据导出为电子表格文档保存管理，然后进行数据整理、绘制过程线、进行观测分析。

具体操作方法见读数仪说明书。

2.使用HC-C800分布式模块化自动测量单元采集数据时，可采集电压信号(0-±2V)、电流信号(4-20mA)、RS485数字信号输出的传感器。

采集不同输出信号的传感器，HC-C800分布式模块化自动测量单元的测量模块需分别选用电压电流模块(GDA-1104)或水文模块(GDA-1701)。

HC-C800分布式模块化自动测量单元可自动存贮采集数据。

计算机安装HC-C800分布式模块化自动测量单元数据采集管理软件后，将HC-C800测量单元与计算机连接，并打开数据采集管理软件进行操作，可任意选择其中实时采集、定时采集、离线采集的任一方式采集和显示数据图。

实时采集和定时采集数据直接存入计算机，离线采集数据先保存在MCU中再传输给计算机。

数据传输可采用有线通讯方式和无线通讯方式。

数据管理软件可实现数据整理、绘制过程线、数据分析等功能。

数据采集管理软件具体操作方法见HC-C800分布式模块化自动测量单元系统方案。

3.使用计算机直接采集数据时，只能采集输出信号为RS-485的传感器。

计算机安装实时水位监测系统软件，直接连接传感器和计算机即可采集数据。采集数据可直接保存和显示，也可导出为电子表格文档保存管理。

具体使用方法见软件帮助菜单。