已埋差动电阻式监测仪器工作状态评价

赵花城，王为胜（.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，3004；.国电南京自动化股份有限公司，江苏南京，003）

已埋差动电阻式监测仪器工作状态评价

赵花城1，王为胜2
（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.国电南京自动化股份有限公司，江苏南京，210032）

DL/T1254-2013《差动电阻式监测仪器鉴定技术规程》对已埋差动电阻式监测仪器工作状态的鉴定方法和评价标准作出了规定，为差动电阻式监测仪器的现场鉴定起指导性的作用。笔者对规程中的相关内容做了简要介绍和必要的说明，供业内人员开展相关工作时准确理解和掌握。

差动电阻式监测仪器；工作状态；评价

0　引言

差动电阻式监测仪器又称为卡尔逊式仪器，是美国加利福尼亚大学的卡尔逊教授于1932年研制成功并用于安全监测中。20世纪50年代中期，我国引进该类型监测仪器，应用在佛子岭、梅山、上犹江、流溪河等混凝土大坝，同时着手差动电阻式监测仪器的研制，自60年代开始，国产的差动电阻式监测仪器广泛应用在各类水利水电工程的安全监测中。监测仪器与其他物件一样，受结构材料、元器件老化及变形等因素的影响，使仪器自身的性能发生变化，影响监测数据的准确性和可靠性。对已埋入差动电阻式仪器，如何鉴定并评价其工作状态，虽在有关的监测技术培训教材或丛书中已有所介绍，但一直没有形成统一的评价标准。为此，电力行业大坝安全监测标准化技术委员会组织相关单位，编制完成了《差动电阻式监测仪器鉴定技术规程》。该标准适用于已安装埋设的差动电阻式监测仪器（含铜电阻温度计）的现场鉴定，规定了差动电阻式监测仪器的鉴定方法和评价标准，对差动电阻式监测仪器工作状态的现场鉴定具有明确的指导性作用。为了准确理解和合理应用本规程，对规程中的相关内容作简要介绍和必要的说明，供业内同行讨论和借鉴。

1　鉴定工作准备

根据建筑物的特点以及监测仪器自身的工作特性，对已埋差动电阻式监测仪器鉴定工作主要包括历年监测数据分析评价、现场测试评价和综合评价。因此，在监测仪器鉴定工作开始前，应收集需鉴定监测仪器的基本信息、历年监测数据和监测所处建筑物的相关运行资料等，同时准备用于差动电阻式监测仪器测量仪表及现场测试所需的相关记录表格。

2　测量仪表的检验

现场测试的测量仪表（水工比例电桥或数字电桥，统称电桥）必须为经检定合格且在有效期内使用的产品。测读时应严格按照说明书的要求进行操作。

目前，工程中应用的电桥，由于生产厂家不同，其内部接线方式也不同，对仪器电阻值的读取有所不同，故应注意区别。如：有的电桥是直接测量仪器的温度电阻值Rt=R1+R2+r黑-r白（当电缆芯线电阻差很小，r黑r白，即Rt=R1+R2）；而有的电桥是测量仪器的总电阻值Rs=R1+R2+r黑+r白和芯线电阻2r（即r黑+r白），经计算后才能得到温度电阻值Rt=Rs-2r；有些电桥也可直接测量温度电阻值Rt=Rs-2r。

在现场测试之前，还需要采用标准试件（电桥率定器）对电桥的准确性进行校验。其基本操作步骤如下：先用专用连结片将电桥和率定器相应的接线柱正确连接；再将电桥率定器的电阻比分别调节至9 500×10-4、10 000×10-4、10 500×10-4等档位，同时用电桥测得对应各档的电阻比，每档连续读取5个测值；然后将电桥率定器的电阻分别调节至10 Ω档、50 Ω档、100 Ω档，用电桥分别读取对应各档的电阻值，每档连续读取5个测值。以电桥每档的各次电阻比测值与相应档位的标准值之差均不大于1×10-4（即1个电阻比），且每档的各次电阻测值与相应的标准值之均差不大于0.02 Ω为控制标准，满足要求的电桥则可以认为合格，能够用于现场测试。

3　历年监测数据分析评价

分析评价历年监测数据是鉴定监测仪器工作状态的重要依据之一，评价时主要采用测值过程线图分析法，以便发现一些现场测试鉴定时难以出现的问题和现象。

为使现场测试有针对性，在测试前应先根据被鉴定监测仪器的历年监测数据（即电阻比和电阻值）和相应的环境量（如库水位、气温）等资料，绘制测值过程线。分析评价时，应结合建筑物实际运行情况，可同时与被鉴定监测仪器埋设位置相近的同类其他仪器测值进行比对，检查测值变化规律的一致性或相关性，以做出准确合理的分析和判断。由于对测值过程线分析评价还难以提出定量的评判标准，目前主要以定性评价为主，评价标准一般按以下三个等级进行分类：

可靠：变化合理，测值过程线规律明显，无系统误差；或虽存在系统误差，但能够排除仪器自身的问题。

基本可靠：测值过程线能呈现较明显的规律，即使存在不能排除仪器原因的系统误差，也可经过处理修正。

不可靠：测值变化紊乱无规律；或误差频现难以处理修正，测值无法分析和引用。

4　现场测试及成果评价

4.1现场测试

在实际工程中，差动电阻式监测仪器可能由人工直接测量或接入集线箱后再进行人工测量，也可能采用数据采集系统实现自动化读取。对于采用人工测量的仪器，可将仪器电缆与读数仪连接后直接测试；对于已接入数据自动采集系统的仪器，可将其从数据采集模块上拆下后再进行测试，或中断自动采集系统工作后采用人工比测接口进行测试。

据调查，在早期建设的工程中使用的应力应变计、测缝计、钢筋计、渗压计等监测仪器均采用四芯电缆连接，而近20年内建设的工程中使用的这些监测仪器主要采用五芯电缆接长，因此，差动电阻式仪器的现场测试分为四芯连接、五芯连接两类，铜电阻温度计的结构较简单，现场测试时可单列为一类。

4.1.1测量间隔要求

按照电桥的功能测读仪器的电阻比和电阻值，对监测仪器进行稳定性测试时，需连续测量3次测值并记录，每次测量时间间隔不少于10 s。当遇到仪器测值不稳、集线箱旋钮或采集模块接口接触不良、电缆芯线颜色与常规不一致、仪器测值异常等现象时，应将相关情况的文字说明一并记录在现场测试表中。

4.1.2绝缘电阻测试

监测仪器电缆芯线对地绝缘电阻采用500 V电压等级的兆欧表测量。测试时，将兆欧表的一根导线夹紧所测试仪器的电缆芯线，另一根导线接地，在现场可夹在测站旁的钢筋或电缆保护箱的固定螺栓上。

4.1.3四芯连接监测仪器测试

四芯电缆连接的监测仪器，其电缆四根芯线的颜色分别为白、绿、红、黑，测量时分别连接至电桥的相应线色接线柱，接线电路简图如图1所示。

图1　四芯电缆连接仪器接线电路简图Fig.1　The circuit diagram of the quadded cable

对四芯电缆连接的监测仪器，除按四芯接线方式，采用电桥测量电阻比和电阻值外，还应将接入电桥的监测仪器黑白芯线对调后再进行测量，测得反测电阻比Z′。

4.1.4五芯电缆连接监测仪器测试

五芯电缆连接的监测仪器五根芯线的颜色分别为白、绿、红、黑、蓝，测量时分别连接至电桥的相应线色接线柱，接线电路简图如图2所示。

图2　五芯电缆连接仪器接线电路简图Fig.2　The circuit diagram of the 5-core cable

4.1.5铜电阻温度计测试

早期的铜电阻温度计接线电缆没有绿线，测试时将红色线连接至电桥的绿色接线柱，其余按线色分别连接至电桥的相应线色接线柱，接线电路简图如图3所示。

五芯电缆测量技术应用以来，铜电阻温度计接线电缆没有红线，按线色分别连接至电桥的相应线色接线柱，接线电路简图如图4所示。

图3　铜电阻温度计接线电路简图一Fig.3　The circuit diagram of copper resistance thermometer

图4　铜电阻温度计接线电路简图二Fig.4　The circuit diagram of copper resistance thermometer

根据铜电阻温度计接线方式，现场应按三芯连接或四芯连接温度计与电桥对应连接，测量温度计的电阻值。

4.2测试成果评价

4.2.1影响评价标准确定的因素

在确定差动电阻式监测仪器现场测试评价标准时，需考虑以下几方面的因素。

第一，在仪器出厂检验或埋设前现场检验的基础上，适当放宽仪器的相关技术指标。在不影响对建筑物运行性态作出合理判断的前提下，对已埋监测仪器，应遵循能利用则尽量继续利用的原则。

第二，电桥的基本误差：电阻比为±0.01%，电阻值为±0.02Ω（参比工作条件为：温度20℃±2℃，相对湿度＜80%）。

第三，集线箱允许误差：各接点内阻不大于0.03Ω（包括内部导线电阻、开关电阻、接触电阻）。

第四，监测仪器本身的结构和输出，其总电阻比输出一般在300×10-4以上（低灵敏度的渗压计除外），以总电阻比输出的1%作为电阻比测值稳定性评价标准之一，即3×10-4。

第五，仪器绝缘电阻对测值的影响，以及数据采集系统对监测仪器绝缘度的要求。

4

.2.2评价标准

经综合考虑上述各项影响因素后，可确定差动电阻式监测仪器的现场测试评价标准一般为：

（1）四芯电缆连接的监测仪器：

电阻比测值极差≤3×10-4为合格；电阻比测值极差＞3×10-4为不合格。

电阻值测值极差≤0.05 Ω为合格；电阻值测值极差＞0.05 Ω为不合格。

记正测电阻比Z与反测电阻比Z′之和为Zt，则：||Zt-N≤5为合格；||Zt-N＞5为不合格，其中：N=20 000+M2，M=（10 000-Z）/100。

绝缘电阻≥0.1MΩ为合格；绝缘电阻＜0.1MΩ为不合格。

（2）五芯电缆连接监测仪器：

电阻比测值极差≤3×10-4为合格；电阻比测值极差＞3×10-4为不合格。

电阻值测值极差≤0.05 Ω为合格；电阻值测值极差＞0.05Ω为不合格。

绝缘电阻≥0.1MΩ为合格；绝缘电阻＜0.1MΩ为不合格。

（3）铜电阻温度计：

电阻值测值极差≤0.05 Ω为合格；电阻值测值极差＞0.05 Ω为不合格。

绝缘电阻值≥0.1 MΩ为合格；绝缘电阻＜0.1 MΩ为不合格。

4.2.3四芯电缆连接监测仪器的芯线电阻变差

对四芯电缆连接监测仪器测量时，可测得：

电阻比：

电阻值：

R=R1+R2+r黑-r白

实际测量工作中常以r白的结果近似代替r黑值，计算仪器的电阻比、电阻值。

如监测仪器的接长电缆芯线电阻值发生了变化，其中黑、白线的变化量分别为Δr黑、Δr白，则其测值：

电阻比：

电阻值：

上式中的（Δr黑-Δr白）即为芯线电阻变差。

根据差动电阻式监测仪器自身的制造原理，仪器的（R2+r黑）一般在25～40 Ω之间，现以CF-12测缝计为例：，若芯线电阻变差发生0.01 Ω的变化，其将会引起大约4×10-4电阻比误差和0.01 Ω的电阻值误差。由此可见，芯线电阻变差对电阻比测量影响较大，对电阻值测量影响相对较小。因此，测量中希望芯线电阻变差尽可能小，以减小电阻比测量误差。但在实际测量中，四芯电缆连接的监测仪器接线方式已决定了R2与r黑总在同一测量支路中，r黑无法独立测量出来，相应的芯线电阻变差也就无法通过测量取得，故在这次编制的规程中未对芯线电阻变差作明确的要求，因为采用五芯电缆连接的监测仪器可避免这个问题的产生。

4.2.4测试成果评价

根据差动电阻式监测仪器电阻比极差、电阻值极差、绝缘电阻值的现场测试成果，从仪器的电阻比测值和温度测值两方面对仪器的工作状态进行评价，评价结论按可靠、基本可靠、不可靠三个等级分类；铜电阻温度计仅评价温度测值，评价结论也分为可靠、基本可靠、不可靠三个等级。相关仪器的评价情况见表1～3。

5　综合评价

在对已埋差动电阻式监测仪器历年监测数据进行分析评价、现场测试评价的基础上，最终对仪器的工作状态作出综合评价，仪器的评价结论分正常、基本正常、异常三类，相关情况评价详见表4和表5。

对工作状态正常的仪器需进行观测；对工作状态基本正常的仪器可继续观测，但在监测资料分析时，应分析评价其测值的可靠性；工作状态异常的仪器作停测封存处理，但应根据按相关程序，报有关部门审批后方可实施，同时需妥善保存拟停测封存仪器的所有历史资料，包括图纸、埋设基本资料、

表1　四芯电缆连接差动电阻式监测仪器现场测试成果评价表Table1　The appraisal of differential resistance monitoring instrument connected by quadded cable based on on-site tests

表2　五芯电缆连接差动电阻式监测仪器现场测试成果评价表Table2　The appraisal of differential resistance monitoring instrument connected by 5-core cable based on on-site tests

表3　铜电阻温度计现场测试成果评价表Table3　The appraisal of copper resistance thermometer based on on-site tests

表4　差动电阻式监测仪器综合评价成果表Table4　The comprehensive appraisal of differential resistance monitoring instrument

表5　铜电阻温度计综合评价表Table5　The comprehensive appraisal of copper resistance thermometer

仪器相关参数、历年监测资料等。

［1］DL/T1254-2013，差动电阻式监测仪器鉴定技术规程［S］.北京：中国电力出版社，2014.

［2］储海宁.混凝土坝内部观测技术［M］.北京：水利电力出版社，1989.

作者邮箱：zhao_hc@ecidi.com

Title:Appraisal on performance of embedded differential resistance instrument//by ZHAO Huacheng and WANG Wei-sheng//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

Specification for appraisal of elastic wire resistance type sensor mainly aims at the regulation of the appraisal of working state of the embedded differential resistance sensors which is a guide for on site practice.This paper introduces the main contents as well as some key points in the specification，for reference.

differential resistance monitoring instrument；working state；assessment

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0077-06

2015-01-20

赵花城（1964-），男，浙江金华人，教授级高级工程师，长期从事大坝安全监测工作。