液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量原理

靜力水準(zhǔn)測(cè)量目前有連通管式靜力水準(zhǔn)和壓力式靜力水準(zhǔn)兩種裝置，其原理圖如圖1所示。

目前在用的靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)多為連通管式靜力水準(zhǔn)，其利用相連容器中靜止液面在重力作用下保持同一水平這一特征來(lái)測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的高差。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的液體通過(guò)管路連通，俗稱連通管法，其特點(diǎn)是各個(gè)容器中的液體是連通的，存在液體流動(dòng)和交換。壓力式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)是近年才出現(xiàn)的，其容器間的液體被金屬膜片分?jǐn)啵淮嬖谝后w間的相互交換，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量金屬膜片壓力差的變化可計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的高差。

量程和精度是靜力水準(zhǔn)的兩個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于同一型號(hào)的傳感器，一般情況下，量程越大，精度就越低。目前常用的連通管式液體靜力水準(zhǔn)儀有20mm~200mm多種量程，安裝時(shí)要求同組的傳感器大致位于同一水準(zhǔn)面高度。壓力式傳感器的量程較大，一般大于500mm，現(xiàn)場(chǎng)安裝要求可適當(dāng)放寬。靜力水準(zhǔn)的標(biāo)稱精度一般與量程相關(guān)，不同型號(hào)的傳感器標(biāo)稱精度通常為滿量程的O.l%~O.7%。一等及以上精度的觀測(cè)宜采用連通管式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)。

靜力水準(zhǔn)測(cè)量具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、無(wú)須通視等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化沉降測(cè)量。自動(dòng)化測(cè)量應(yīng)有配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件系統(tǒng)。靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)一般采用在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上固定安裝的方式，在軌道交通、大壩、大型建筑底板等建筑結(jié)構(gòu)的差異沉降觀測(cè)中有較廣泛的應(yīng)用。在大型設(shè)備安裝的沉降觀測(cè)中，也可使用。

連通管式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)要求所有測(cè)點(diǎn)的液面都位于一個(gè)水準(zhǔn)面上，初始安裝時(shí)要求各傳感器安裝在同一高度，安裝高度的偏差直接影響沉降測(cè)量的量程。壓力式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的高差限制較寬，但也有相應(yīng)要求。對(duì)于有縱坡的線路結(jié)構(gòu)，常常需分段分組安裝測(cè)線，相鄰測(cè)線交接處應(yīng)在同一結(jié)構(gòu)的上、下設(shè)置兩個(gè)傳感器作為轉(zhuǎn)接點(diǎn)(圖2)。變形測(cè)量作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，靜力水準(zhǔn)的參考點(diǎn)很難布設(shè)到穩(wěn)定區(qū)域，點(diǎn)位穩(wěn)定性很難滿足基準(zhǔn)點(diǎn)的要求，應(yīng)定期進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

靜力水準(zhǔn)浮子上、下的活動(dòng)范圍有限，傳感器的安裝高度應(yīng)統(tǒng)一，較大的差異直接影響其量程。應(yīng)保證管路內(nèi)液體的流動(dòng)性，環(huán)境溫度可能達(dá)到冰點(diǎn)的安裝現(xiàn)場(chǎng)，填充液應(yīng)采用防靜力水準(zhǔn)測(cè)量誤差源主要有液面高度(受外界環(huán)境影響)、液壓讀取元件等兩方面。液面高度受外界環(huán)境影響又分為:

1)非均勻溫度場(chǎng)下管路內(nèi)液體不均勻膨脹，導(dǎo)致液面高度變化;

2)不同氣壓、風(fēng)力導(dǎo)致局部液面壓力異常，導(dǎo)致液面高度變化;

對(duì)連通管式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，同一測(cè)段內(nèi)靜力水準(zhǔn)測(cè)量的沉降觀測(cè)值按下式計(jì)算：

經(jīng)驗(yàn)表明，液面受外界強(qiáng)迫振動(dòng)影響顯著。經(jīng)對(duì)安裝在地鐵隧道內(nèi)的一臺(tái)電容式靜力水準(zhǔn)液面高度進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，列車(chē)開(kāi)過(guò)前后典型的液面振蕩曲線見(jiàn)圖3。該圖表明，此傳感器在列車(chē)通過(guò)前后的振蕩幅度達(dá)O.85mm。靜力水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)間應(yīng)選在氣溫最穩(wěn)定的時(shí)段，觀測(cè)讀數(shù)應(yīng)在液體完全呈靜態(tài)下進(jìn)行。

靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間，難免發(fā)生液體蒸發(fā)引起的液面下降、個(gè)別傳感器損壞、局部管路滲漏等情況，應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。發(fā)生意外情況時(shí)為保證數(shù)據(jù)能順延，靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)與水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行互校。