刍议大坝安全监测仪器检验

2018-03-21谭恺炎胡迪忠

大坝与安全 2018年1期

谭恺炎，胡迪忠

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌，443002）

0 前言

水库水电站大坝这些利国利民的基础设施都是“百年大计”、“千年大计”工程，作为大坝安全运行“耳目”的大坝安全监测尤其重要。大坝安全监测工程中，“设计是龙头、施工是保证、仪器是关键”、“设计应优化、施工保质量、仪器要可靠”[1]已成共识，由此可见，监测仪器质量好坏关乎大坝安全监测的成败。我国水利水电行业要求监测仪器安装埋设前应进行检验，最早的行业标准SDJ 336《混凝土坝安全监测技术规范》规定了差动电阻式仪器的检验要求，修订的DL/T 5178《混凝土坝安全监测技术规范》增补了振弦式仪器的检验要求，SL 530《大坝安全监测仪器检验测试规程》更加详细地规定了各类监测仪器的检验项目、检验方法和技术指标，还有GB/T 21029-2007《岩土工程仪器系列型谱》、GB/T 15406-2007《岩土工程仪器基本参数及通用技术条件》以及相应的仪器产品标准也规定了主要的型号规格、性能指标与检验方法。整体上来讲，检验项目、技术指标与检验方法具有一定的继承性，但也存在一些不同和不妥的地方。如：GB/T3413-2008《铜电阻温度计》中规定温度计的温度检验允许偏差为：±（0.5+0.3×10-2t）℃，而DL/T 5178《混凝土坝安全监测技术规范》中规定温度计的温度检验允许偏差为：±0.3℃，两者存在较大差异；又如文献[1]指出：现有规范规定对仪器设备长期稳定性和可靠性方面的要求偏弱甚至缺失，有待加强研究与应用；文献[2]、文献[3]指出了差动电阻式仪器的温度计算与限差标准问题；文献[4]提出采用最小二乘法检验监测仪器。故此，2016年在编写工程建设国家标准《混凝土坝安全监测技术规范》时，对监测仪器与设备检验现状进行了调研，调研发现在实际工程中还存在：以出厂检验代替工地检验，或者检验后经长途运输至工地再安装埋设；一次检验后经历数年才安装埋设；受进度要求赶工生产仪器，未充分消除残余加工应力就出厂；出厂检验与工地检验方法不同，导致仪器质量判定争议问题；钢弦式仪器工地检验不做绝缘性和温度检验等问题。这些问题直接影响监测仪器的检验质量，降低了监测成果的准确性和可靠性，有必要对监测仪器的检验项目和检验方法等进行研究和规范。

1 检验项目

大坝安全监测仪器是用来监测坝体结构性态各种物理参数的，如变形、应力、应变、温度等，具有计量特征。许多仪器（传感器）长期埋设在建筑物地基或结构实体中，通过电缆将信号引出，无法检修和更换，具有隐蔽工程的特征，其监测数据用于工程安全评价，数据准确性关乎工程安全评价的准确性。所以，大坝安全监测仪器在安装埋设前应逐一进行检验，对于信号电缆，其质量取决于原材料质量、制造工艺、制造环境等，同批次的原材料、制造工艺、制造环境基本不变，可按批次进行抽样检验。

监测仪器检验的目的就是要获得长期准确可靠的监测数据，所以首先要考虑的检验项目就是可靠性检验，主要包括准确性和长期稳定性，其次要考虑的是影响长期可靠性的其他可能因素，如绝缘性能、机械性能、外观等。

准确性指标主要用误差来表示，除温度直接采用绝对误差（℃）表示，其余多用引用误差。引用误差一般采用绝对误差除以量程（满量程）的百分数表示，单位为“%F.S”，比较常用的有综合误差指标；考虑到仪器输入量与输出量的关系模型和实际工作状态，又派生出非线性度（不符合度）、不重复度、滞后（回差），许多监测量需要较高的灵敏度，所以还要检验仪器的分辨力（%F.S）。准确性检验可以得出一条仪器工作直线（曲线），这条工作线就是今后监测量计算的依据。问题是采用直线还是二次甚至多次曲线（多项式）？文献[4]提出采用最小二乘法检验监测仪器，建议使用线性回归直线，对于线性度较差的仪器采用多项式回归曲线。现行规范传承过去传统的直线，且采用线性回归直线代替端基直线，其中，端基直线是采用实测上下限值所代表的两点连线作为工作直线，优点是计算直观简单，这在以前计算工具落后的年代具有很大的应用优势，其缺点也显而易见[4]。当前，计算条件大为改善，采用线性回归直线既实用也科学。然而，不论是差动电阻式仪器，还是钢弦式仪器，抑或电阻温度计，其输入量与输出量（输出量模数）之间都不是严格的直线关系，采用二次拟合或者多项式拟合可以提高计算精度。但是作为检验衡量仪器是否合格的限值指标来源于实践，也就是说现行的指标对应于现行的计算方法，如果指标不变而改变计算方法，显然是降低了仪器质量标准。对此，笔者提出以下两种解决方案，一是使用原指标，采用原计算方法进行仪器检验并评判仪器是否合格，然后进行多项式回归计算，以回归曲线作为工作曲线计算监测量，这样既保证了仪器质量不降低，也提高了监测量计算精度；二是对以往的检验数据按照多项式回归计算进行分析总结，重新拟定对应于多项式回归的指标参数，以不降低仪器质量为前提，直接采用多项式回归曲线作为工作曲线进行检验判定和监测量计算。不重复度、滞后（回差）属于机械制造误差引起，随着制造技术的进步，这方面的误差较小，非线性度（不符合度）是计算模型误差，从现有数据看，这方面的误差较大，综合误差基本由它决定，所以优化计算模型对于提高监测量精度具有重要意义。

差动电阻式仪器以前用直线作为工作线，仪器系数就是直线的斜率，仪器出厂检验得出一个仪器系数，现场检验又有一个仪器系数，这两个系数差的绝对值除以出厂仪器系数的百分数即为仪器系数相对误差（%），也简称相对误差（%），文献[5]指出“仪器生产厂家的检验设备和检验环境要好于现场，当相对误差大于3%时采用出厂率定（检验）的仪器系数”。也有工程单位认为仪器经过厂家到工地的长途运输，仪器系数会发生改变，在确认检验条件满足规范要求的前提下规定“当相对误差大于3%时采用现场率定（检验）的仪器系数”。后来的规范更是规定这个相对误差不应大于3%（钢弦式仪器为1%），否则为不合格。现在的规范统一了检验设备与检验条件，这个指标不应再作为参数选用的标准，但可以作为稳定性检验的参考指标。这是因为仪器系数的变化意味着仪器结构和电气性能的改变，如果不是因为运输过程外力引起，则可能是仪器制造过程材料或工艺不过关引起的质量问题，应加以甄别。

除了这些指标直接反映了仪器的准确性，还有一类指标可以反映仪器的长期工作性能，如：绝缘性能、外观等。根据仪器的结构与测试原理不同，有些仪器如差动电阻式仪器对绝缘度很敏感，绝缘度的高低直接影响监测数据，而有些仪器如钢弦式仪器的读数与绝缘度高低关系不大，但文献[1]与文献[2]均指出绝缘度不仅影响监测数据，更重要的是会影响仪器的长期稳定性，故应予以重视。外观检查出现严重锈蚀、严重变形以及破损等都可能影响其长期工作性能，所以也应加以重视。值得指出的是，现行仪器标准对长期稳定性的检验通常采取“加速老化”试验方法进行，如长时间在高低温环境和量程极限状态下考核仪器系数相对误差和其他电气性能指标变化，但由于试验的时间有限，远不足以反映监测仪器今后数十年的工作状态，需要研究新的方法来检验仪器的长期稳定性。笔者研究认为：监测仪器的长期稳定性主要与制造材料与制造工艺有关，需要在仪器标准中增加对原材料与工艺的控制、测试项目，比如差动电阻式仪器的0℃电阻差这个指标就直接反映了仪器钢丝材质的好坏，是长期稳定性的关键衡量指标，而且经历的时间越长越能说明问题。

还有一些参数如温度修正系数主要受材料与制造工艺影响，一般定型后不会有多少变化，可以采用厂家型式检验的结果，特大型工程也可以适当开展一些试验进行验证。

综上所述，监测仪器现场检验项目应包括绝缘性、温度测量误差、分辨力、非线性度（不符合度）、不重复度、滞后（回差）、综合误差、相对误差，对于差动电阻式仪器还应检验0℃电阻差，电阻温度计仅检验绝缘性、温度测量误差和0℃电阻差。监测信号电缆检验项目包括防水密封性、导体电阻、漏气检查。其中绝缘性包括在高温、低温环境和压力水中的绝缘性。

2 检验方法

2.1 检验设备、环境条件与操作

首先，监测仪器具有计量特征，仪器检验也是一个量值传递的过程，检验所用的计量仪器设备与器具首先应是准确的，应经检定或校准合格并在有效期内。除了计量仪器设备与器具，还需要一些装置，如恒温水浴（恒温箱）、校正架等，这些装置的精度和稳固也直接关系到检验结果，应尽量采用标准装置。从量值传递的角度考虑，标准器具的精度等级应比仪器的高一个等级，部分仪器的精度较高，标准器具的精度至少不应低于仪器的精度。

其次是检验的环境条件，一般根据监测仪器标准可分为正常试验条件、正常工作条件和参比试验条件三种。工地检验可在正常试验条件下进行，需要在现场检验的可在正常工作条件下进行，遇到争议或有特别要求的应在参比试验条件下进行，但无论是在什么试验条件下检验，都应保持环境稳定，这是因为监测仪器输出量大多随温度变化而变化，所以仪器检验应特别关注环境的变化，一般而言环境温度变化的幅度不应超过2℃，基于这个原因，检验前应将仪器放入检验环境条件下静置24 h以上，以使仪器与环境保持相同的温度。

（1）正常工作条件如下：

①水压力传感器应符合下列规定：温度：0～40℃。在满量程水压力下。

②非水压力传感器应符合下列规定：温度：-20～+60℃。非水下工作的传感器相对湿度不大于95%，野外工作或水下工作的传感器在0.5 MPa或规定的水压力下。

③有特定要求的传感器应符合规定的条件。

（2）正常试验条件如下：

①温度：10～30℃（在每项试验期间，温度变幅不大于1℃/h）。

②相对湿度：≤85%。

③大气压力：86～106 kPa。

④有特定要求的传感器应符合规定的条件。

（3）参比试验条件如下：

①环境温度：20±2℃。

②相对湿度：≤80%。

③大气压力：86～106 kPa。

第三，检验时需要将仪器先安装到检验装置上，连接读数仪和标准计量器具，此时应关注安装操作过程，使仪器在安装过程以及检验前后保持较小的变化，一般对于应力应变类仪器，应控制其读数的变化最大不超过20个示值。仪器安装后应分级加载，考虑到回归计算的需要，加载级数宜大于5，并包含量程上下限，温度试验费时较多，级数可适当减少，但不宜小于4级。

2.2 计算方法

仪器的绝缘性直接评判无需计算，温度测量误差按线性回归计算并进行评判，分辨力、非线性度（不符合度）、不重复度、滞后（回差）、综合误差、相对误差统称静态特性参数，按线性回归计算并进行评判。具体计算方法如下。

（1）仪器的温度测量误差按线性回归方法计算获得，计算公式如下。

①温度计算回归方程按式（1）计算：

式中：Ti——第i档计算温度，℃；

α——温度系数（回归直线的斜率）；

Di——仪器检验时第i档温度读数。当直接从测量仪表读取温度时，默认α=1，C=0，不需要计算回归方程，直接计算标准温度与直读温度之差作为温度测量误差；

C——计算常数（回归直线截距）。

②温度测量误差ΔT按式（2）计算：

式中：Tiʹ——第i档标准温度，℃。

③0℃电阻差ΔR按式（2）计算：

式中：R0——0℃时实测电阻值；

R0厂——出厂检验实测0℃电阻值。

（2）仪器的静态特性指标按线性回归方法计算获得，以检验时输入的一组标准物理量为因变量，以进、回程线性输出量的平均值为自变量进行一元线性回归，计算方法如下。

①工作直线回归方程按式（4）计算：

式中：Yi——第i档计算物理量；

K——仪器系数（回归直线的斜率）；

Xˉi——仪器检验时第i档6个线性输出量的平均值。当仪器的直接输出量与输入量不是线性关系时，应将输出量转换成线性输出量，如钢弦式仪器的输出为频率时应先转换成频率模数；

C——计算常数（回归直线截距）。

②分辨力r按式（5）计算：

式中：r——分辨力；

Xfs——满量程输出值；

Xˉn——量程上限6个线性输出量的平均值；

③非线性度L按式（7）计算：

式中：ΔXL——平均校准曲线与回归直线偏差的最大值，即各档位6个线性输出量平均值与回归直线相应档位的输出量值的最大偏差。

④不重复度R按式（8）计算：

式中：ΔXR——进程校准曲线与进程平均校准曲线各档位输出量值偏差以及回程校准曲线与回程平均校准曲线各档位输出量值偏差的最大值，即各档位进程3个线性输出量与其平均值以及各档位回程3个线性输出量与其平均值偏差的最大值。

⑤滞后H按式（9）计算：

式中：ΔXH——进程平均校准曲线和回程平均校准曲线在同一测试点线性输出量偏差的最大值，即各档位进程3个线性输出量的平均值与回程3个线性输出量平均值偏差的最大值。

⑥综合误差EC按式（10）计算：

式中：ΔXC——进程平均校准曲线与回归直线偏差以及回程平均校准曲线与回归直线偏差的最大值，即进程各档位3个线性输出量的平均值以及回程各档位3个线性输出量的平均值与回归直线相应档位的输出量值的最大偏差。

⑦仪器系数误差Ef按式（11）计算：

式中：KT——出厂检验的仪器系数。

2.3 检验场所与检验时机

监测仪器属于精密电子仪器，长途运输可能影响其性能，应在工地进行检验，如交通条件较好、运输保护措施得当，也可在距离工地不远的地方进行检验。

监测仪器制造时，许多钢材经过加工，尤其是进行焊接后，需要经过一段时间消除加工应力。由于生产厂家的“零库存”或“少库存”的管理要求，抑或是生产能力不够，都可能导致仪器静置消应时间不够，此时出厂检验的计算参数就会发生变化。所以，在工程中应选择生产能力匹配和生产质量有保证的厂家，不宜使用新加工的、没有经过充分消应的传感器。对于存放时间较长的传感器，可重新检验，只要检验合格，应优先使用。

最后还要强调的是，仪器检验是一项非常细致而又专业的工作，应对从业人员提出要求，加强上岗培训与考核，至少应了解计量检验测试的基本知识、了解监测仪器、熟悉常规计量器具的使用并能熟练操作。