(1.College of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601,China;2.Anhui Provincial Key Laboratory of Disaster Environment and Personnel Safety,Hefei Institute for Public Safety Research,Tsinghua University,Hefei 230601,China)
城市生命线是指城市运行所必需的基础设施和关键服务系统,它们对于城市居民的日常生活和城市运行
*基金项目:安徽省高校协同创新项目(GXXT-2022-018)
校准。
刘小勇(通讯作者),正高级工程师,主要研究方向:公共
安全、应急资源装备环境适应性评价。
的顺畅性至关重要。城市生命线通常包括燃气系统、交通运输系统及供水系统等,其中燃气系统:燃气系统提供城市的燃气供应,用于烹饪、供暖和工业用途,它包括燃气管道、储气罐、燃气调压站等设施,在高风险情境中可燃气体报警器的分析研究已经得到广泛关注。交通运输系统:交通运输系统包括道路、桥梁、交通信号、城市公共交通系统(如公交车、地铁等)可为居民
提供便捷的出行方式,也是支持城市货运和物流的重要基础设施。城市供水系统则可保障居民获得充足的饮用水和生活用水,它包括水源、水处理设施、输水管网和供水设施。这些城市生命线系统相互依赖,构成了城市的基础设施网络,支撑着城市的正常运行。当其中一个生命线系统遭遇故障、灾害或其他问题时,可能会对城市运行造成严重影响。因此,保护和强化城市生命线系统的韧性和可持续性对于城市的可靠运行至关 重要。
然而城市生命线安全工程前端监测设备常常处于恶劣的环境当中,会造成电子设备的提前失效和老化,因此定期开展监测设备现场校准必不可少,可以保障城市生命线工程稳定运行,降低故障率和误报率,维护城市公共安全。
本文对城市生命线前端监测设备校准实践过程作出总结归纳,系统性地凝练和提出了生命线校准技术及误差修正方法,最后应用该技术方法对城市生命线现场校准结果进行了总结与分析,同时针对现场实践遇到的问题进行探讨和提出建议。为城市生命线安全工程稳定、准确运行提供了重要保障。
1 城市生命线安全工程前端监测设备校准项目简介
生命线监测系统的前端硬件设备除了户外环境中的极端温度条件和各种有害物质的影响之外,工作环境还包括诸如环境振动、设备腐蚀和人为干扰等因素,这些都可能导致某些设备部件的过早退化或故障。为确保监测系统的性能长期稳定可靠,不仅需要建立监测系统,还需要定期进行传感器的校准工作。此举能够评估每个传感器和前端监测设备的性能稳定性,并确保城市生命线年度运维服务中各传感器的性能达标。因此,定期对前端监测设备进行校准服务至关 重要。
传感器标定涉及对传感器参数的调整,以确保其准确性和可靠性。与此不同,传感器校准是对存储或使
用一段时间后的传感器性能进行再次测试和调整的过程,以保持其精确度和稳定性。校准的方法和要求通常与标定相似,旨在保证传感器的性能始终符合预定的 标准。
本次前端监测设备校准服务主要是从某城市生命线项目范围内选取桥梁、燃气与供水监测设备进行定期校准,并出具校准报告。传感器校准范围选取原则:各专项风险等级较高区域、事故频发区域、重要防护区域、业主指定区域等监测重点范围内的传感器,作为本次前端设备开展校准服务的选取原则。依据该原则,本次选取项目范围内38台(套)桥梁监测设备、40台(套)燃气监测设备、12台(套)供水监测设备进行校准。设备计量分为原地计量(分为需要拆卸设备与无须拆卸设备、取回计量等方式进行计量校对。
2 现场校准技术
2.1 校准原理
2.1.1 燃气专项
本次燃气专项设备为可燃气体智能监测仪,均为 ZNRQ200L型号设备。
(1)传感器基本信息如表1所示。
(2)校准技术方法
可燃气体监测仪按JJG693-2011规范进行现场校准。分别用到玻璃转子流量计(量程范围:(0.1~1.0) L/min;准确度等级:4.0级)和浓度为2.0%VOL、8.0%VOL、12.0%VOL的甲烷气体标准物质(相对扩展不确定度:Urel=2%,k=2)。玻璃转子流量计和甲烷气体标准物质连接好后再将甲烷气体标准物质通入城市生命线可燃气体监测仪,记录可燃气体监测仪示数,与通入标准气体浓度进行对比分析,使用公式(1)计算浓度示值误差,并用公式(2)评估重复性。
式中,C——仪器示值的算术平均值;C0——通入仪器气体标准物质的浓度值;R——仪器满量程。
表1 燃气设备基本信息
式中,S r——单次测量的相对标准偏差;C——6次测量的算术平均值;C i——第i次的示值。
2.1.2 桥梁专项
桥梁前端监测设备本次校准设备包含:静力水准仪、应变计、加速度计、动态称重系统等设备,其校准技术方法如表2所示。
桥梁专项中选取应变传感器作为典型案例。应变计校准通过改变左右夹具距离,使应变计发生形变,并记录电感测微仪示值变化,完成校准。具体操作方法如下:将表面式应变计安装在应变传感器校准系统上,记录应变计此时示值,并清零应变传感器校准系统数据。电感测微仪每隔20μm记录应变计发生的形变量,此为正行程。反向旋转轮轴,每隔20μm记录示值,直至电感测微仪回到零位,此为反行程。在研究中,进行了对电感微仪的形变计算,考察其在每20μm移动时引起的形变量。这一分析旨在与应变计形变进行对比,以评估电感测微仪的测量准确性。通过比较两者的形变量,能够计算出示值误差,从而深入了解电感测微仪在测量过程中可能存在的偏差。
2.1.3 供水专项
供水前端校准设备包含:插入式流量计(超声波/电磁)、插入式电磁流量计和高频压力计,其校准技术方法如表3所示。
流量计校准需要人员进入井下进行操作,首先保证作业人员安全,使用抽水泵抽干井下积水,暴露管道,便于校准设备中传感器的安装。在管道流动时,在电磁流量计上游或下游安装标准表,以实时记录数据。校准前要清理标准表附近管壁,确保管壁清洁干净,打磨光滑。在标准表表面涂抹耦合剂,使其与管壁紧密接触。根据实际情况选择1-3个流量点,每个点进行三次校准;或选择不同时段进行校准。通过人员井下操作校准流量计,可以确保校准过程安全可控,获得精确的校准数据。同时选择典型流量点校准,可以有效反映流量计的工作情况,校准结果更加准确可靠。
2.2 数据修正与补偿技术
传感器补偿与修正技术旨在应对传感器工作环境的挑战,主要针对外部条件进行调整。其目标在于分析并确认环境因素(例如温度、压力)对测量结果的影响规律。并采取相应的补偿措施来消除这些影响。这种措施可以是数学拟合计算,也可以是利用电子线路(电桥
表2 桥梁专项前端传感器校准技术方法
表3 供水专项前端传感器校准技术方法
补偿法)或计算机软件技术来实现。