基于空氣、冰和水電阻特性差異進行河冰冰厚檢測方法的研究

崔麗琴，秦建敏，張瑞鋒

（1.太原理工大學 物理與光電工程學院新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，太原 030024；2.黃河水利委員會 寧蒙水文水資源局，內蒙古 包頭 014030)

冬季河道結冰現象是高緯度地區冬季普遍存在的一種自然現象，它給許多水利工程設施的安全運行帶來影響。近年來，由于全球氣溫升高，極地冰川消融已成為影響人類生存環境的重要因素之一，冰凌災害更是威脅黃河流域沿岸人民的生命財產和各種水電大壩的安全。從保護環境、冬季水文水資源管理和水工結構物抗冰能力設計都需要了解河道冰生消變化過程的基本規律。實時檢測并獲取河道冰層厚度變化的數值是全面掌握河道冰生消變化過程基本規律的一項直觀而重要的水文參數指標。從檢測方法上區分，對河道冰層厚度的檢測方法大致可分為兩類：物理檢測方法和冰數學模型檢測方法；依據檢測方式的不同，又可將物理檢測方法分為接觸式和非接觸式。常見的接觸式測量如人工鉆孔和熱電阻絲檢測法最為可靠，但其自動化程度低、勞動強度大［1-2］；由大連理工大學研制的磁致位移冰層厚度檢測裝置已應用于南極科考中，精度可達0.2 cm［3］；電磁感應、衛星遙測、雷達檢測等非接觸式測量方法可實現對大面積范圍冰厚進行檢測，缺點是精度低，造價高［4-5］［6］。而利用冰模型進行冰厚預測的方法需依據歷史水文資料建立模型計算得出，并受到實時的水文、氣象等諸多條件的影響，其準確性和精度往往在事后才能得到證實［7］。分析上述冰情檢測方法，都存在一個共同的缺點：無法對冰層內部的生消變化過程實現連續自動化監測。

太原理工大學冰情檢測課題組秦建敏教授等于2005年提出了一種基于空氣、冰和水的物理特性差異進行冰厚檢測的方法，利用該法研制的R-T冰層厚度傳感器及其冰情檢測系統實現了冰層內部物理狀態的連續自動化檢測，并在國內水利水電工程及南極科考的冰情檢測中獲得應用。本文介紹了該傳感器的檢測原理及檢測系統組成，并針對實際工程應用中遇到的低于-30℃的極低溫環境中空氣和冰的電阻特性差異進行了實驗室理論分析與研究。

1 基于空氣、冰和水的電阻特性進行冰厚檢測的原理

從物體導電特性出發，我們認為自然水（包含有導電雜質的河、湖、海、自來水等)是良導電物體，空氣是絕緣體，而在0～-26℃范圍內，則把冰看作具有弱導電特性的半導體（而不是傳統冰檢測理論中把冰作為絕緣體處理)［8］。依據這一特性，將兩個具有一定間距的金屬觸點插入水（或冰)中，可以通過如圖1所示的電阻分壓原理檢測并獲取冰和水的等效電阻值。

圖1 冰與水等效電阻分壓檢測原理圖

其中，VCC為固定直流電源（在試驗中取其值為3.3V)，R0為已知的固定分壓電阻，Ri為兩觸點間被測介質空氣、冰或水的等效電阻值，其數值可通過下面的串聯電阻分壓公式計算得出。

大量的實驗數據表明，空氣、冰和水的等效電阻具有明顯的差異［9］，表現在圖1中V0值不同。因此，在檢測過程中，可通過檢測獲取的V0數值與實驗室不同介質等效電阻值對比，判斷出兩觸點間為何種介質。依據這一原理，在對河道冰生、消變化檢測過程中，將檢測范圍內的垂直立體空間劃分為空氣、冰和冰下水三個具有不同電阻特性的區域層。

圖2 基于空氣、冰與水電阻特性差異的冰厚檢測原理圖

如圖2所示，將被測空間垂直切割成N個水平的物理參數檢測層回路，依次對被測層介質的相關物理參數進行自動測量，由獲得的檢測數據確定被測層的物理屬性，進而判斷出冰層的上下分界面，計算出冰層厚度的數值，這就是基于空氣、冰與水的電阻特性差異實現冰層厚度檢測的基本原理。由于在檢測過程中，可以同時獲取各垂直分層檢測點的等效電阻數值，實際上可以由他們的數值判斷出冰層內部各點的介質分類，進而掌握冰層內部各點的物理狀態。

2 室溫～-55℃溫度范圍內冰情檢測機理的實驗與分析

受試驗條件所限，前期研究中，缺乏對低于-30℃溫度環境下冰的電阻取值變化規律系統的理論研究與實驗，導致在溫度低于-26℃的環境下應用該理論進行冰情檢測時，出現無法依據預知的冰物理狀態理論閾值去指導冰檢測設備硬件的設計和編寫被測介質物理狀態判斷算法的現象，筆者試驗采用基于空氣、冰與水的電阻特性差異檢測原理的RT冰層厚度傳感器對室溫～-55℃范圍內空氣、冰和水的電阻特性在實驗室進行了理論研究與分析，填補了新冰情檢測技術轉化應用的理論空白。

2.1 基于空氣、冰與水的電阻特性差異檢測原理的R-T冰層厚度傳感器

基于空氣、冰與水的電阻特性差異檢測原理研制的實驗室專用R-T冰層厚度傳感器長1.2m，量程為1m，傳感器上分布著100組等效電阻觸點，觸點間間距為1cm。另外，傳感器上還分布著20個溫度檢測點，每兩個溫度檢測點間間距為5cm。可編程邏輯器件CPLD固定于傳感器內部，100組觸點間的等效電阻值通過CPLD程序控制分時選通接入圖1所示電路中。將傳感器采集到的100組采樣電壓值送入單片機進行分析處理，依據空氣、冰和水的電阻差異，可計算出冰層厚度［10］。

用傳感器對室溫～-55℃溫度范圍內空氣、冰和水的電阻特性差異進行試驗。將該傳感器斜置于盛水試驗容器內，并將其放在GDJS-系列高低溫交變濕熱試驗箱內。實驗歷時2個月，受試驗容器空間所限，選擇傳感器低端20個觸點進行試驗，其中，露出水面的觸點為9個，水面下觸點為11個。試驗箱內最低環境溫度設置為-55℃。在試驗箱從室溫到-55℃的降溫過程中，采用分壓電阻值分別為10MΩ、20MΩ、40MΩ時的傳感器進行數據采集，設定采集周期為5min。

2.2 實驗數據分析

經過多次重復試驗，結果表明，當分壓電阻取值為40MΩ時，空氣、冰和水的電阻差異最明顯。表1為結冰過程中，選取某一溫度點（試驗箱內環境溫度為-44℃，冰水層內部溫度為-0.5℃)，自下而上20組檢測觸點處于不同的介質層中，R-T冰厚傳感器采集到的分壓電阻兩端的采樣電壓值（V0)，相應關系曲線如圖3所示，其中橫坐標為傳感器的電壓檢測觸點，縱坐標為各檢測介質層分壓電阻兩端得到的采樣電壓值。表2為完全結冰后（試驗箱內環境溫度為-55℃，冰層內部溫度為-30℃)的采樣電壓值，相應關系曲線如圖4所示。

表1 試驗箱內環境溫度為-44℃，冰水層內部溫度為-0.5℃時各介質層分壓電阻兩端電壓值

表2 試驗箱內環境溫度為-55℃，冰層內部溫度為-30℃時各介質層分壓電阻兩端電壓值

圖3 試驗箱內環境溫度為-44℃，冰層內部溫度為-0.5℃各介質層檢測電壓值變化曲線

圖4 試驗箱內環境溫度為-55℃，冰層內部溫度為-30℃各介質層檢測電壓值變化曲線

對圖3和圖4曲線分析可知，水結冰過程中，隨著溫度不斷降低，V0不斷減小，而空氣中V0值隨溫度變化趨勢穩定。從圖中可以看出，水層采樣電壓值最高，為2.5～3.3V之間，冰層次之，為0.40～2.5V之間，空氣層最小，穩定在0.36～0.38V之間。依據V0不同，可判斷出空氣層和冰層、冰層和水層的分界面，進而計算出冰層厚度。本次試驗證明，當R-T冰厚傳感器處于-30℃～-55℃的溫度范圍內，只要改變分壓電阻值，基于空氣、冰和水電阻差異的冰厚檢測方法仍然可行，這為R-T冰層厚度傳感器的改進提供了理論依據。

3 R-T冰層厚度傳感器在額爾古納河河道冰情檢測中的應用

采用前述冰層厚度傳感器及其檢測系統，于2010.9-2011.5在內蒙中俄界河額爾古納河奇乾水文站進行了河道定點冰情數據的采集、存儲和遠傳試驗。試驗系統中，智能冰情檢測儀主要用于對R-T冰層厚度傳感器采集到的電壓檢測信號及溫度檢測信號進行分析處理，完成電壓值、溫度值及冰層厚度的分析計算、存儲和顯示等功能；檢測儀通過標準RS232接口外接GPRS Modem，并通過GPRS移動通信網絡及Internet網絡將現場采集到的數據傳回監控管理中心PC機上。同時，也可以通過監控中心隨時調取現場即時數據和歷史數據，并可通過發送命令修改上傳數據時間，GPRS Modem上電時間等。

試驗電路中：分壓電阻值選定為20MΩ，采集間隔時間為20min。當環境溫度高于-30℃時，所測冰厚值與現場人工觀測冰厚值基本一致。現以2010年10月27日早上8點，環境溫度為-15℃，冰層內部溫度為-5℃時系統采集電壓數據為例，進行分析，其數據曲線如圖5所示。從圖5電壓曲線可以看出，2.5～3.3V變化區段對應水流層，0.35～2.5V變化區間對應冰層，0.35V以下對應空氣層。圖中黑色虛線表示冰下水層和冰層、冰層和空氣層的分界面，從中可以準確判斷出冰層厚度值。

圖5 2010年10月27日8點R-T冰層厚度傳感器實測奇乾水文站各介質層電壓曲線圖

圖6 2010-10-01—2010-10-28齊乾水文站監測點冰下水位值和冰層厚度變化曲線

圖6為匯總整理后R-T冰層厚度傳感器獲取的2010-10-01—2010-10-28每天0：00、8：00、20：00齊乾水文站監測點冰下水位值和冰層厚度變化曲線。橫坐標為數據采集日期時間，歷時28天，縱坐標為冰下水位或冰層厚度值。該月最低氣溫為-26℃，驗證了室溫～-26℃范圍內該檢測方法在實際工程中的可行性。

2011年1月中旬，奇乾水文站最低氣溫達到-47.6℃，冰層內部溫度也接近-30℃。從現場采集回的數據分析知道，當溫度降低到-30℃或者更低后，由于隨溫度降低，冰的等效電阻值不斷增大，越來越接近空氣的值，很難區分出空氣和冰的分界面，無法準確判斷冰層厚度。針對這種現象，作者提出通過改變電路中固定分壓電阻值解決這一問題的思路。并在實驗室進行了試驗驗證，實驗證明，取固定分壓電阻值為40MΩ時，可準確區分出空氣和冰的分界面。改進后的R-T冰層厚度傳感器將在現場極低溫環境下得到進一步驗證。

4 結論

基于空氣、冰和水的電阻特性差異研制的冰厚檢測儀在國內水利水電工程的多次成功應用證實了其在工程應用中的可靠性。工程應用中，當環境溫度低于-26℃時，空氣和冰的電阻特性差異不太明顯，針對這一問題，筆者通過改變系統中的電路參數，在實驗室機理試驗中進一步驗證了該檢測方法的可行性，填補了-26～-55℃極低溫環境下冰和空氣的電阻特性差異研究的空白，為冰層厚度傳感器的進一步改進提供了理論基礎。冰層厚度傳感器在極低溫現場應用環境中的可行性將得到進一步驗證。

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