基于地?zé)峋顚?shí)時液位—溫度測量系統(tǒng)的研究

張紅杰++郭知明

摘 要：基于地?zé)峋顚?shí)時液位-溫度系統(tǒng)的研究主要是對地下壓力和地下水溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，其監(jiān)測指標(biāo)是監(jiān)測地面沉降和地質(zhì)板結(jié)的重要指標(biāo)，且采取的手段多種多樣，最普遍的為壓力法和射頻導(dǎo)納監(jiān)測法，測量范圍為0～1 000 m。評估方法采用《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059[1].1—2012）和國家計(jì)量檢定規(guī)程《液位計(jì)檢定規(guī)程》（JJG 971—2002），嚴(yán)格按照國家規(guī)程測量。

關(guān)鍵詞：液位-溫度系統(tǒng)；射頻導(dǎo)納法；地面沉降；土質(zhì)板結(jié)

中圖分類號：TF391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.017

地面沉降和土質(zhì)板結(jié)一直是困擾城市建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要問題，其地下水位壓力和地下水溫度是監(jiān)測地面沉降和土質(zhì)板結(jié)的重要指標(biāo)。現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用壓力式水位計(jì)于冷水井中監(jiān)測水位和溫度。采用這種方式測得的溫度、水位范圍較小，不能從根本上體現(xiàn)地面沉降所監(jiān)測的數(shù)值和造成土質(zhì)板結(jié)所監(jiān)測的溫度。本文所研究的在線地?zé)峋顚?shí)時液位-溫度測量系統(tǒng)采用壓力法和射頻導(dǎo)納法，能夠很好地解決現(xiàn)有監(jiān)測手段在監(jiān)測過程中所遇到的普遍問題，是對現(xiàn)有地面沉降和土質(zhì)板結(jié)監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新性的改良與拓展，是對共性關(guān)鍵技術(shù)的突破。其在線地?zé)峋顒討B(tài)液位-溫度測量系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用將滿足多監(jiān)測地點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)和需求，也是對其他監(jiān)測手段的帶動與促進(jìn)。系統(tǒng)液位測量范圍為0～1 000 m，溫度測量范圍為-20～125 ℃。同時，該系統(tǒng)具有動態(tài)、抗干擾、深動態(tài)水位射頻導(dǎo)納在線測量等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用微型模塊化設(shè)計(jì)，傳感器芯片采用快速測深和混合芯片設(shè)計(jì)網(wǎng)表，設(shè)計(jì)了測量數(shù)據(jù)數(shù)字長線耐高溫傳輸功能模塊。

1 基本思路

從“放置”“以靜測動”的研究理念出發(fā)，克服了壓差傳感原理的長線測量線纜中心導(dǎo)氣管折堵問題和電導(dǎo)原理的不可能深動態(tài)測量問題，消除了深動態(tài)水位直接電容在線測量監(jiān)測系統(tǒng)因潛水電泵變頻帶來的水位數(shù)據(jù)可靠性低的弊端。

2 集成傳感器的設(shè)計(jì)

集成傳感器的設(shè)計(jì)流程：分立元器件試制成功—嵌入集成模塊化設(shè)計(jì)—形成微型片上系統(tǒng)—嵌入地?zé)峋悄軝z測系統(tǒng)。

3 測量原理

可供選擇的方法有電熱法、電阻法和射頻導(dǎo)納法。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)論證，確定采用電熱法和射頻導(dǎo)納法。但是，由于采用傳統(tǒng)的壓力測量能更好地降低蒸汽影響，因此最終確定采用壓力法和射頻導(dǎo)納法。壓力法的測量原理為測量水面以下某一點(diǎn)的壓力，減去大氣壓，計(jì)算測點(diǎn)以上水柱的高度，下入總長減去水柱高度即可得到水位埋深值；射頻導(dǎo)納法液位測量原理為利用地?zé)峋好娴淖兓饘?dǎo)納量（電阻與電容的和）的變化，進(jìn)而獲得水位埋深值（根據(jù)空氣與水電介質(zhì)常數(shù)的不同）。

上述兩組數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)定、最小二乘回歸，可列出二元超定方程組，通過求解這個超定方程組，可以精確可以計(jì)算出實(shí)際水位。

4 原材料性能

原材料性能要求為：①信號纜。護(hù)套采用輻照交聯(lián)聚乙烯，耐溫最高達(dá)125 ℃，經(jīng)受橫向水壓2 MPa，抗腐蝕、抗拉，防水、屏蔽網(wǎng)為射頻波接收等級。②傳感芯片。借用了潛艇和深潛器快速測深與測溫混合芯片設(shè)計(jì)網(wǎng)表，采用了耐高溫SiC材料在××廠流片制造，芯片內(nèi)嵌入數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、壓力和溫度校正參數(shù)單元，使用溫度可達(dá)125 ℃。

上下兩層采集器設(shè)計(jì)：在傳感器端（下端采集器）設(shè)計(jì)了測量數(shù)據(jù)數(shù)字長線耐高溫傳輸功能模塊，在采集器上端設(shè)計(jì)了信號和接收單元、壓力和溫度校正參數(shù)的快速計(jì)算模塊，降低了成本，縮小了傳感器的體積。現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫和無線遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)可方便不同用戶自選。

共進(jìn)行了如下四次試驗(yàn)：

第一次：三種原理樣機(jī)在HX-36井（Jxw熱儲層、水溫87 ℃、總礦化度1 785 mg/L）。

線性度：電熱法=電阻法>射頻導(dǎo)納法；

靈敏度：電熱法=電阻法<射頻導(dǎo)納法；

抗干擾能力（包括電磁干擾和溫度場干擾）：電熱法>電阻法>射頻導(dǎo)納法；

傳感制作工藝的復(fù)雜程度：電熱法>電阻法>射頻導(dǎo)納法；

數(shù)據(jù)采集器電路的復(fù)雜程度：射頻導(dǎo)納法>電阻法>電熱法。

最終確定將電熱法和射頻導(dǎo)納法作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理。

第二次：將三臺不同發(fā)射頻率（100 K、50 K、10 K）動態(tài)RCL精密電橋測量儀+DSP（數(shù)字信號處理器）研制成的液位-溫度監(jiān)測系統(tǒng)在HD-02井進(jìn)行了測試試驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)抗干擾能力差，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

第三次：將分立元器件構(gòu)成的在線地?zé)峋顒討B(tài)液位-溫度測量系統(tǒng)在HX-36井內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

發(fā)現(xiàn)的問題：系統(tǒng)在單獨(dú)測量水位和溫度時正常工作，但測量時溫度讀數(shù)誤差大，因此，需要對該系統(tǒng)作進(jìn)一步改進(jìn)，即采用分時和測量隔離模塊，保證系統(tǒng)能夠正常工作。

第四次：對產(chǎn)品原理進(jìn)行了調(diào)整，采用壓力測量原理和射頻導(dǎo)納原理，并分別在HD-09和NK-18兩眼地?zé)峋羞M(jìn)行了試驗(yàn)（兩眼井均停采）。

試驗(yàn)結(jié)果：自動監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有很好的一致性，且穩(wěn)定性較好，現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫也在試運(yùn)行中。水位數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 水位數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)

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作者簡介：張紅杰，女，工程師，主要研究方向?yàn)閮x表計(jì)量。郭知明，男，工程師，主要研究方向?yàn)閮x表計(jì)量。

〔編輯：劉曉芳〕