一种容差式沉降监测装置、系统及方法与流程

本发明涉及测量仪器技术领域，具体涉及一种容差式沉降监测装置、系统及方法。

背景技术：

如图1、图2所示，目前现有的联通管式沉降监测系统，是由压力式静力水准仪(如图1的h1-hn)或液位式静力水准仪(如图2的l1-ln)、基准位储液罐(如图1/图2的y4)、液体传导介质(如图1/图2的y1)联通管布设加计算机采集、监测平台(如图1/图2的y6)组成。

如图1所示，压力式静力水准仪的工作方式：当h1测试点的位置发生变化时(对垂直方向进行沉降监测，只能监测垂直方向的位置变化)，h1测试点与基准罐y4液位之间的高度差则会发生改变，h1测试点的压强随之发生变化。计算机采集、监测平台y6通过读取h1测试点的压强变化，则可以知道h1测试点位置的变化以及变化值。

如图2所示，液位式静力水准仪的工作方式：当l1测试点的位置变化时，其液位随之发生变化。计算机采集、监测平台y6通过读取其液位的变化数值，即可得知l1测试点的变化及变化值。

在现有的联通管式沉降监测系统的实际应用中，随着环境因素的影响，传导介质因温度变化会出现收缩、膨胀。液体管路受自身应力变化、温度变化也会出现收缩、膨胀现象。环境的震动、摇摆等因素都会对管路产生影响，加上管路介质中的气泡等影响因素，最终都会传导至测试点的传感器上，进而影响测试点传感器的数值准确性。由于压力式静力水准仪自身的密封性，导致压力式静力水准仪需要排气泡。而在监测现场进行排气泡会比较麻烦，特别是环境、场地受限的现场；液体传导介质中溶解或容留的微气泡，在温度或震动的影响下会逐步释放，进而增加排气的困难。在管路安装过程中，彻底排除气泡的工作难度同样是非常麻烦的。

在现有的联通管式沉降监测系统的实际应用中，管路越长，管径越大，则所受介质的膨胀的影响越大。管径越小，其介质的流通性导致传导时间越长，系统稳定时间越长，但管路自身的膨胀、应力变化的影响越大。这就产生了监测系统应用中的矛盾。为了加强监测的可靠性，基准点需要放置到离测试点较远的位置。为了尽快、准确反应测试点的变化(若获取变化量的时间长了，外界因素变化会出现变化)，需要加大液体联通管的口径，以增加介质的流动速度。而管路的长距离、大口径，会受外界因素影响增大。特别是长距离，管路布设受现场障碍限制因素增多，管路经常无法保持在一个平面或直线，必须出现时高、时低或弯曲的情况。管路的高差变化导致管路自身受介质压力影响加大，其自身应力变化、气泡、摇摆、震动等因素影响加大，进而影响监测数据的精度和可靠性。

在现有的联通管式沉降监测系统的实际应用中，面对较长的管路，介质选择会尽可能的选择粘度系数小，挥发性小的介质。水是介质中流动性较强的一种，而水的挥发性相对较高，对于长时间监测，经常需要补充。水长时间暴露空气中，很难免溶解或进入杂质、细菌导致水质变化，甚至微生物滋生，严重影响监测数据的准确性。选用其它油性介质，由于其粘度系数远远大于水，对于长距离的管路，其流通性会导致系统需要很长时间才能稳定。稳定时间内，外界环境因素的变化加大，同样影响检测数据的可靠性与精度。

采用压力式静力水准仪的联通管式沉降监测系统基本是采用串联方式，即导液管y3、导气管y2、电缆y6通过压力式静力水准仪h1然后联接到压力式静力水准仪h2，延及下一个压力式静力水准仪，至压力式静力水准仪hn。当一个压力式静力水准仪出现问题，需要检修、更换时，管路上所有仪器均处于停止状态，很可能会出现整个系统重新排气、补液的情况。

在采用液位式静力水准仪的联通管式沉降监测系统实际应用中，测试点之间有一定的间距。根据国家相关规范及相关监测要求，基准点与监测点之间必须具备相应的间距(通常是数十米至数百米不等，在部分环境中甚至更长)。而大气环境的气压在各个测试点局部通常会出现微小的差异(数pa或数十pa的差异)，对于很多将静力水准仪的通气孔直接与大气相联的方案如图2所示，当l2位置出现高气压p′2，ln位置出现低气压p′n时，l2位置的液面将低于基准位的液面，而ln位置的液面将高于基准位的液面。局部气压的差值对于沉降的测试精度影响非常大(沉降值往往需要精确到10pa级，也就是毫米级)，严重影响测试的精度。而且，直接与大气相联的方案，在局部空气流动较大时(风吹等)，在静力水准仪的空气联通口处会导致更大的气压差，更增大了静力水准仪的误差值。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提出一种容差式沉降监测装置、系统及方法，以解决上述背景技术中的缺点。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种容差式沉降监测装置，与外部的导气管和导液管进行连接，该容差式沉降监测装置包括罐体、分隔板、通气管和压力传感器；所述分隔板设有所述罐体内，并将所述罐体上下分隔为密封储液腔和空气腔；所述密封储液腔存储有液体介质；所述压力传感器安装于空气腔内，所述分隔板设有一液压检测通孔，所述压力传感器的检测探头安装于液压检测通孔内；所述通气管设于所述罐体内，所述通气管贯穿所述分隔板；所述通气管的一个端口设于密封储液腔内且高于所述液体介质的液面，所述通气管的另一个端口设于空气腔内；所述导气管与所述空气腔连通；所述导液管与所述密封储液腔连通，所述导液管与所述密封储液腔的连通口低于所述密封储液腔内的液体介质的液面；

所述通气管用于平衡密封储液腔与空气腔之间气压；

所述压力传感器用于检测密封储液腔内的液体介质的液压。

一种容差式沉降监测系统包括至少两个如上所述的容差式沉降监测装置、储液罐、导气管、导液管和上位机；所述储液罐存储有液体介质；

所述上位机与各个所述压力传感器进行通信；

所述导液管与所述储液罐连通，所述导液管与所述储液罐的连通口低于所述储液罐内的液体介质的水平液面；

所述导气管与所述储液罐连通，所述导气管与所述储液罐的连通口高于所述储液罐内的液体介质的水平液面；

所述导液管与各个所述密封储液腔连通，所述导液管与所述密封储液腔的连通口低于自身对应的密封储液腔内的液体介质的水平液面；

所述导气管与各个空气腔连通；

所述储液罐用于存储液体介质；

所述导气管用于平衡所述储液罐内部与各个空气腔之间的气压；

所述导液管用于平衡所述储液罐内部与各个密封储液腔之间的液压；

所述上位机用于读取及分析各个所述压力传感器的压力信号。

进一步地，该容差式沉降监测系统还包括与容差式沉降监测装置数量相等且一一对应的管道开关；所述导液管通过对应的管道开关与各个所述密封储液腔连通；

所述管道开关用于对所述导液管与所述密封储液腔的连通口进行开关控制。

一种容差式沉降监测方法包括：

监测各个容差式沉降监测装置的压力传感器的压力信号，并选取一个容差式沉降监测装置作为基准点容差式沉降监测装置；

获取所述基准点容差式沉降监测装置的压力传感器的第一压力信号变化值，获取除所述基准点容差式沉降监测装置之外的容差式沉降监测装置的压力传感器的第二压力信号变化值；

根据第一压力信号变化值与第二压力信号变化值，获取除所述基准点容差式沉降监测装置之外的发生压力信号变化的容差式沉降监测装置的沉降值。

进一步地，除所述基准点容差式沉降监测装置之外的发生压力信号变化的容差式沉降监测装置的沉降值δp＝δp1-δp0；δp1为第二压力信号变化值；δp0为第一压力信号变化值。

本发明的有益效果为：

本发明在布设管路时高低变化，不影响系统监测数据，在对抗高温差、长距离、大量程的环境中能够获得高精度的沉降数据，能适应绝大多数的户外环境的沉降监测要求。

本发明的罐体将密封储液腔、空气腔与外部大气隔绝，密封储液腔通过通气管不仅与空气腔连通，也使压力传感器的背部的气压与密封储液腔的液面承受的气压相等；各个非基准点的密封储液腔通过导气管与基准点容差式沉降监测装置的密封储液腔连通，整个系统只有一个通气孔与大气相通(通常在基准位)使整个系统的气压相同，又排出了外界局部气压变化以及局部气流变化对系统的影响。本发明使容差式沉降监测装置、导液管中的残留气泡更容易自行排出、消散，而且导液管中液体介质流动更加流畅、迅速。

本发明能使用大功率液体泵进行液体灌注与排气(传统方式中，由于传感器的抗冲击压力值有限，不能使用)，增加了施工效率，降低了施工难度；而且本发明在某个仪器需要检修、更换时，关闭所述管道开关即可进行，对系统运行不产生影响。

本发明能在现场施工条件允许内，尽可能的采用大口径的管路，以增加液体的流通性，减少系统稳定时间。

本发明选用水作为液体介质(水是目前传导性、流通性最好的一种介质)，在每一个容差式沉降监测装置和储液罐内加注少量密度弱小于水，挥发性很低的介质，使其在水面上形成一层薄膜，隔绝外部空气。本发明封闭式结构保障了液体介质的流通性与传导性，又有效地防止了水的挥发。在实际应用中，据观测：六个月的挥发量不到1‰，因此本发明保障了长期监测的可行性以及操作的简单化。

本发明通过储液罐对发生沉降的容差式沉降检测仪进行液体补充，并在管路中增设储液罐(根据管路的长短和实际环境，增设相应的个数)，能极大地压抑环境因素导致测试数值波动。

附图说明

图1为现有技术的采用压力式静力水准仪的监控系统的结构示意图；

图2为现有技术的采用液位式静力水准仪的监控系统的结构示意图；

图3为本发明的一种容差式沉降监测装置的结构示意图；

图4为本发明的一种容差式沉降监测系统的结构示意图；

图5为本发明的一种容差式沉降监测方法的工作流程图；

附图标记说明：

导气管——100；导液管——200；罐体——1；分隔板——2；通气管——3；压力传感器——4；储液罐——300；上位机——400；密封储液腔——11；空气腔——12；管道开关——500。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例

如图3所示，一种容差式沉降监测装置，连接有导气管100和导液管200，该容差式沉降监测装置包括罐体1、分隔板2、通气管3和压力传感器4；所述分隔板2设有所述罐体1内，并将所述罐体1上下分隔为密封储液腔11和空气腔12；所述密封储液腔11存储有液体介质；所述压力传感器4安装于空气腔12内，所述分隔板2设有一液压检测通孔，所述压力传感器4的检测探头安装于液压检测通孔内；所述通气管3设于所述罐体1内，所述通气管3贯穿所述分隔板2；所述通气管3的一个端口设于密封储液腔11内且高于所述液体介质的水平液面，所述通气管3的另一个端口设于空气腔12内；所述导气管100与所述空气腔12连通；所述导液管200与所述密封储液腔11连通，所述导液管200与所述密封储液腔11的连通口低于所述密封储液腔11内的液体介质的水平液面；

所述通气管3用于平衡密封储液腔11与空气腔12之间气压；

所述压力传感器4用于检测密封储液腔11内的液体介质的液压。

如图4所示，一种容差式沉降监测系统包括至少两个如上所述的容差式沉降监测装置、储液罐300、导气管100、导液管200和上位机400；所述储液罐300存储有液体介质；

所述上位机400与各个所述压力传感器4进行通信；

所述导液管200与所述储液罐300连通，所述导液管200与所述储液罐300的连通口低于所述储液罐300内的液体介质的水平液面；

所述导气管100与所述储液罐300连通，所述导气管100与所述储液罐300的连通口高于所述储液罐300内的液体介质的水平液面；

所述导液管200与各个所述密封储液腔11连通，所述导液管200与所述密封储液腔11的连通口低于自身对应的密封储液腔11内的液体介质的水平液面；

所述导气管100与各个空气腔12连通；

所述储液罐300用于存储液体介质；

所述导气管100用于平衡所述储液罐300内部与各个空气腔12之间的气压；

所述导液管200用于平衡所述储液罐300内部与各个密封储液腔11之间的液压；

所述上位机400用于读取及分析各个所述压力传感器4的压力信号。

进一步地，该容差式沉降监测系统还包括与容差式沉降监测装置数量相等且一一对应的管道开关500；所述导液管200通过对应的管道开关500与各个所述密封储液腔11连通；

所述管道开关500用于对所述导液管200与所述密封储液腔11的连通口进行开关控制。

具体地，各容差式沉降监测装置(测试点)与导液管200靠三通联接，三通上装有管道开关500。

如图4-5所示，一种容差式沉降监测方法包括：

监测各个容差式沉降监测装置的压力传感器4的压力信号，并选取一个容差式沉降监测装置作为基准点容差式沉降监测装置；

获取所述基准点容差式沉降监测装置的压力传感器4的第一压力信号变化值，获取除所述基准点容差式沉降监测装置之外的容差式沉降监测装置的压力传感器4的第二压力信号变化值；

根据第一压力信号变化值与第二压力信号变化值，获取除所述基准点容差式沉降监测装置之外的发生压力信号变化的容差式沉降监测装置的沉降值。

优选地，在基准位，基准点容差式沉降监测装置安装于储液罐300旁侧(理论上储液罐300能安装在基准位或导液管路中的任意位置)。

进一步地，除所述基准点容差式沉降监测装置之外的发生压力信号变化的容差式沉降监测装置的沉降值δp＝δp1-δp0；δp1为第二压力信号变化值；δp0为第一压力信号变化值。

举例说明，在实际使用中，如图4所示，所述储液罐300以及导液管200中灌入液体介质(低粘度油、防冻液、纯净水等)。由于液体介质的导通性，储液罐300、如图4的t0位的所述基准点容差式沉降监测装置(以下简称t0)、如图4的t1位的所述基准点容差式沉降监测装置(以下简称t1)…如图4的tn位的所述基准点容差式沉降监测装置(以下简称tn)的介质液体的液面高度是一致的。当受到外界各种因素的影响，最终会导致液体介质体积变化，导致液位的变化。t0、t1…tn的压力值随之发生变化。但其变化值是相同的。上位机400(具体为计算机采集、监测平台)收集各点数据，进行处理。以t1为例：当外界影响导致t1的压力值p1发生变化，其变化值为δp1；基准点t0的压力值p0也会发生相同的变化，其变化值为δp0；由于两个变化相同，其差值为零。反映到t1的位置变化时即为零。当t1的位置发生变化时，由于液体的导通性，t1的水平液面与储液罐300的水平液面保持一致，但t1中的液体高度会发生变化。导致t1的传感器压力值发生变化，即δp1。t1点的沉降值δp＝δp1-δp0，由此，t2…tn的数值都如此。由此，极大地消除了各种外界因素影响所导致的数值误差。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。