差動電阻式監(jiān)測儀器鑒定技術(shù)規(guī)程技術(shù)解讀

王為勝，李 維，余 瀅，劉 闖

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京，210032）

1 編制背景

差動電阻式儀器在20世紀(jì)初由美國加利福尼亞大學(xué)卡爾遜博士發(fā)明，距今已有80多年的歷史。我國從20世紀(jì)50年代開始跟蹤研究這項技術(shù)，到70年代基本成熟，并在水工建筑物的安全監(jiān)測中推廣應(yīng)用。隨著恒流源激勵五芯測量技術(shù)的應(yīng)用，對儀器接長電纜的技術(shù)要求降低，儀器的應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展，目前仍然是巖土工程安全監(jiān)測儀器選型中的主要類型之一。

差動電阻式儀器具有許多特點，特別是優(yōu)越的長期穩(wěn)定性在工程實踐中已得到證實，因此國內(nèi)水電站水工建筑物的內(nèi)部觀測大量采用差動電阻式儀器。但這些儀器的工作環(huán)境惡劣，加上不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、安裝施工不嚴(yán)謹(jǐn)、運(yùn)行管理不到位，隨著時間推移，部分儀器性能下降甚至輸出誤導(dǎo)信息，給資料分析、安全評價增加困難。

工程應(yīng)用的差動電阻式儀器絕大部分采用埋入式安裝，不能取出、無法更換，因此儀器生產(chǎn)時的檢測鑒定方法已不便引用。盡管過去應(yīng)用各方也對已埋入儀器的鑒定方法進(jìn)行過研究和討論，但沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，一般依據(jù)鑒定者的經(jīng)驗及生產(chǎn)廠家提供的說明進(jìn)行，造成鑒定評價的方法、標(biāo)準(zhǔn)及流程不一樣，有時鑒定結(jié)論也不一致。因此，需要采用標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)范已埋入儀器的鑒定內(nèi)容和方法，統(tǒng)一儀器的評價標(biāo)準(zhǔn)。

2 主要內(nèi)容

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差動電阻式監(jiān)測儀器及銅電阻溫度計的鑒定項目、評價標(biāo)準(zhǔn)、鑒定方法及鑒定工作的主要流程。

鑒定工作節(jié)點一般選擇在驗收移交前、階段性或?qū)ｎ}性觀測資料分析前、大壩安全定期檢查時、建立大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)前以及監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造升級前。

根據(jù)差動電阻式儀器接長電纜的方式不同，標(biāo)準(zhǔn)將儀器的鑒定分為四芯連接、五芯連接儀器和銅電阻溫度計的鑒定，銅電阻溫度計的鑒定分三芯連接、四芯連接儀器兩類。

鑒定工作分為歷史數(shù)據(jù)分析評價、現(xiàn)場檢測評價及綜合評價三個步驟。

2.1 歷史數(shù)據(jù)分析評價

歷史數(shù)據(jù)分析評價是根據(jù)儀器的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合基本資料和維護(hù)資料，檢查監(jiān)測儀器的歷史工作狀態(tài)，結(jié)論分為可靠、基本可靠、不可靠。歷史數(shù)據(jù)分析評價主要采用測值過程線圖分析法：繪制被鑒定儀器的歷史測值過程線，結(jié)合建筑物實際運(yùn)行情況進(jìn)行分析評價，可同時與被鑒定儀器埋設(shè)位置相近的其他儀器測值進(jìn)行比對，檢查測值變化規(guī)律的一致性或相關(guān)性，以助分析判斷。

歷史數(shù)據(jù)分析評價等級標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）可靠：變化合理，過程線規(guī)律明顯，無系統(tǒng)誤差，或雖有系統(tǒng)誤差，但能夠排除儀器本身的問題；

（2）基本可靠：過程線能呈現(xiàn)出明確的規(guī)律，即使有不能排除儀器原因的系統(tǒng)誤差，也可處理修正；

（3）不可靠：變化無規(guī)律，或系統(tǒng)誤差頻現(xiàn)，難以處理修正，對測值無法分析和引用。

2.2 現(xiàn)場檢測評價

現(xiàn)場檢測評價是對儀器的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行評價。儀器當(dāng)前工作狀態(tài)的評價首先檢測其電阻比和電阻值測值穩(wěn)定性、絕緣電阻值等單項指標(biāo)（溫度計不測量電阻比，四芯連接的儀器增加測量反測電阻比），然后對儀器的單項指標(biāo)分別用合格與不合格進(jìn)行評價，再綜合單項指標(biāo)評價結(jié)果，差動電阻式儀器從電阻比測值和溫度測值兩方面、銅電阻溫度計從溫度測值方面給出儀器現(xiàn)場檢測評價結(jié)論，分為可靠、基本可靠、不可靠。

現(xiàn)場檢測主要工作有：準(zhǔn)備差動電阻式儀器測量儀表、500 V兆歐表等必要工具；應(yīng)用差動電阻式儀器測量儀表連續(xù)3次測量并記錄待檢儀器的電阻比、電阻值，對于四芯連接儀器，同時測量儀器反測電阻比；用兆歐表測量并記錄儀器芯線對大地的絕緣電阻值。為防止檢測設(shè)備引起的誤差影響鑒定結(jié)論，現(xiàn)場檢測用的儀器儀表必須在檢定合格有效期內(nèi)，使用時必須嚴(yán)格遵照說明書的要求進(jìn)行操作。

五芯連接儀器、四芯連接儀器及銅電阻溫度計現(xiàn)場評價標(biāo)準(zhǔn)見表1～表3。

2.3 綜合評價

綜合評價是結(jié)合儀器歷史數(shù)據(jù)分析評價結(jié)論與現(xiàn)場檢測評價結(jié)論給出儀器最終鑒定結(jié)果，綜合評價結(jié)論分為正常、基本正常、異常三個等級。差動電阻式儀器綜合評價標(biāo)準(zhǔn)見表4，銅電阻溫度計綜合評價標(biāo)準(zhǔn)見表5。

3 技術(shù)說明

標(biāo)準(zhǔn)中儀器歷史數(shù)據(jù)分析評價采用定性分析方法，給出了等級判定的基本要求，對鑒定人員的專業(yè)水平和經(jīng)驗有一定要求?，F(xiàn)場檢測評價采用定量分析方法，明確了鑒定的主要參數(shù)及其判定閾值。

結(jié)合差動電阻式儀器的特點，標(biāo)準(zhǔn)中主要鑒定評價指標(biāo)的取舍考慮了多年工程經(jīng)驗的積累及當(dāng)前的測試技術(shù)水平，各指標(biāo)具體評價參數(shù)的確定經(jīng)過了嚴(yán)格的試驗或引用其他標(biāo)準(zhǔn)中合理的規(guī)定。下面就差動電阻式儀器主要評價指標(biāo)的取舍、參數(shù)的確定及本標(biāo)準(zhǔn)推廣應(yīng)用中的一些相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.1 測值穩(wěn)定性

儀器的測值穩(wěn)定性采用極差來評價，極差是指一組數(shù)據(jù)中最大值和最小值之間的差值，對本標(biāo)準(zhǔn)而言，就是現(xiàn)場檢測時測得的3次數(shù)據(jù)中最大值和最小值之間的差值。差動電阻式儀器的總電阻比輸出一般在300×10-4以上（部分低靈敏度的滲壓計除外），本標(biāo)準(zhǔn)以儀器總電阻比輸出的1%作為電阻比測值穩(wěn)定性判定合格標(biāo)準(zhǔn)，即3×10-4。根據(jù)現(xiàn)場檢測的經(jīng)驗，結(jié)合新的測量技術(shù)水平，在參考DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的電阻值測量精度要求（±0.02 Ω）的基礎(chǔ)上，電阻值測值穩(wěn)定性判定參數(shù)適度將其極差要求放寬至0.05 Ω為合格。

表1 五芯連接差動電阻式儀器現(xiàn)場檢測評價標(biāo)準(zhǔn)表Table 1 Appraisal standards for the on-site test of five-core elastic wire resistance type sensors

表2 四芯連接差動電阻式儀器現(xiàn)場檢測評價標(biāo)準(zhǔn)表Table 2 Appraisal standards for the on-site test of four-core elastic wire resistance type sensors

表3 銅電阻溫度計現(xiàn)場檢測評價標(biāo)準(zhǔn)表Table 3 Appraisal standards for the on-site test of copper re?sistance thermometer

3.2 絕緣電阻值

儀器絕緣電阻值是指儀器的芯線對于大地的絕緣電阻值大小。為分析儀器絕緣下降對儀器測值結(jié)果的影響，在正常試驗條件下，做儀器絕緣下降的模擬試驗。取一組完好的差動電阻式儀器，分別在其五根芯線上對儀器外殼并聯(lián)可調(diào)電阻，因儀器內(nèi)部是橋路且電阻較小，所以認(rèn)為在儀器絕緣下降時，各芯線的絕緣情況近似。試驗發(fā)現(xiàn)隨著并聯(lián)電阻的減小，儀器的電阻比、電阻值均存在下降現(xiàn)象，對電阻值的影響比電阻比明顯。以小應(yīng)變計為例，試驗結(jié)果見表6。并聯(lián)電阻值≥100 kΩ時，測值結(jié)果幾乎沒有影響，但降到40 kΩ附近時，對儀器測溫影響達(dá)到近0.5℃，引起應(yīng)變計算結(jié)果誤差擴(kuò)大。

另外參考目前工程項目的實際狀況，現(xiàn)場有較多儀器的絕緣電阻值偏小，可能是儀器原因，也可能是因為接長電纜的絕緣度下降。經(jīng)過綜合分析，其中一些儀器的測量結(jié)果尚能夠反映埋設(shè)位置的物理量變化，但當(dāng)儀器絕緣電阻值＜0.1 MΩ時（現(xiàn)場測量儀器絕緣電阻值時，部分儀器附近并沒有理想的地網(wǎng)，因此實際上儀器本身的絕緣狀況可能更糟），大部分儀器數(shù)據(jù)已不能反映埋設(shè)位置的物理量變化，即使部分儀器輸出值穩(wěn)定，也不一定是真實值，而且隨著時間的推移，儀器的絕緣情況將進(jìn)一步惡化。

表4 差動電阻式監(jiān)測儀器綜合評價標(biāo)準(zhǔn)一覽表Table 4 Comprehensive appraisal standards for the elastic wire resistance type sensors

因此在綜合實驗室試驗結(jié)果及當(dāng)前大多數(shù)工程項目實際情況的基礎(chǔ)上，本標(biāo)準(zhǔn)要求儀器的絕緣電阻值≥0.1 MΩ為合格。

3.3 儀器的正反測電阻比

四芯連接儀器的正反測電阻比合格要求比DL/T 5178-2003附錄E.4.1中要求放寬到±5，五芯連接儀器沒有對反測電阻比作要求。從測試的角度分析，五芯連接儀器正測電阻比與反測電阻比是同一輸入信號的同相與反相信號經(jīng)過同一套測試電路測量，理論上其乘積應(yīng)該是常數(shù)“1”，實際工作中發(fā)現(xiàn)它們的乘積可能不等于“1”。試驗表明，五芯連接儀器正測電阻比與反測電阻比的乘積是“1”附近的常數(shù)，乘積和“1”之間的誤差與檢測儀表的系統(tǒng)誤差有關(guān)。經(jīng)過參數(shù)修正，同一臺檢測儀表，測量不同的儀器，它們的乘積均等于“1”，由此說明五芯儀器正測電阻比已經(jīng)反映了儀器的電阻比輸出質(zhì)量，可以不進(jìn)行反測驗證。

表5 銅電阻溫度計綜合評價標(biāo)準(zhǔn)一覽表Table 5 Comprehensive appraisal standards for the copper resistance thermometer

表6 儀器并聯(lián)電阻試驗記錄表Table 6 Test results of parallel resistance

以SQ-2A數(shù)字式電橋為例，測量不同類型儀器的試驗數(shù)據(jù)見表7?？梢钥闯?，測得的正、反測電阻比的乘積非常接近“1”，幾乎不需要修正。

3.4 四芯連接差動電阻式儀器芯線電阻變差

四芯連接差動電阻式儀器測量時，儀器及接長電纜側(cè)等效電路，見圖1，激勵電流i由黑線流入，白線流出。設(shè)儀器兩組鋼絲電阻值分別為R1、R2，接長電纜黑線電阻值為r黑，白線電阻值為r白，顯然可以很方便地測得含芯線電阻時的電阻比Z0、電阻值R0。

電阻比：

電阻值：

實際測量工作中，分別測得式（1）和式（2）的值（即含芯線時的電阻比及電阻值）及r白（即芯線電阻值）的值后，式（1）中以r白的結(jié)果近似代替r黑值，計算出儀器實測電阻比Z；式（2）中減去2r白，計算出儀器實測電阻值R。

假設(shè)儀器工作過程中接長電纜的芯線電阻值發(fā)生了變化，其中黑、白線的變化量分別為Δr黑、

表7 五芯連接儀器正、反測電阻比試驗記錄表Table 7 Test results of direct-reverse resistance ratio of five-core sensor

圖1 四芯連接差動電阻式儀器測量等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram in the test of four-core elastic wire resistance type sensors

Δr白，則其測值：

電阻比：

電阻值：R'=R+( )Δr黑-Δr白

式中，(Δr黑-Δr白)即為芯線電阻變差。

儀 器 的(R2+r黑)一 般 在 25～40 Ω 之 間 ，以CF-12測縫計為例，≈ 0.04（1/Ω）。若(Δr黑-Δr白)有0.01 Ω變化，將引起大約-4×10-4電阻比誤差，引起的電阻值誤差為0.01 Ω。可見芯線電阻變差對電阻比測量影響較大，而對電阻值測量影響較小。因此測量中希望(Δr黑-Δr白)盡可能小，以減小電阻比測量誤差。但在實際測量中，儀器引出線的方式（如圖1所示）決定了R2與r黑總在同一測量支路中，r黑無法獨立測量出來，(Δr黑-Δr白)也就無法通過測量取得，因此本標(biāo)準(zhǔn)未對芯線電阻變差作要求，解決這一問題可以采用五芯測量方案。

3.5 儀器芯線電阻值

標(biāo)準(zhǔn)沒有對儀器各芯線電阻值作測量要求，這是由于現(xiàn)今的測量儀表等幾乎都是采用恒流源激勵五芯測量技術(shù)，該技術(shù)克服了儀器接長電纜芯線電阻值對儀器測量值的影響。恒流源激勵五芯測量技術(shù)原理示意見圖2。

圖2 恒流源激勵五芯測量技術(shù)原理示意圖Fig.2 Technology principle with constant current source in the test of five-core sensors

以電阻比測量為例，待測儀器電阻比Z=，從原理圖可以看出，U1、U2經(jīng)過高輸入阻抗運(yùn)算放大器電壓跟隨后輸入后續(xù)電路，高輸入阻抗運(yùn)算放大器的輸入阻抗一般≥10 GΩ，在藍(lán)線、紅線、綠線上幾乎沒有電流流過，則測量儀表側(cè)：U1'=U1、U2'=U2，有Z=。因此儀器接長電纜的芯線電阻值對測量結(jié)果的影響極小，如果現(xiàn)場需要分析儀器接長電纜的狀況，按照儀表廠家產(chǎn)品的接入規(guī)定接線，目前使用的儀表基本都可以準(zhǔn)確測量出每根芯線的電阻值。

3.6 現(xiàn)場儀器在不同工作方式下的鑒定

實際應(yīng)用中，差動電阻式儀器可能是人工測量、接入集線箱測量或自動化測量。對于人工測量，可完全依據(jù)本規(guī)程中相關(guān)的技術(shù)要求進(jìn)行鑒定；儀器接入自動化系統(tǒng)進(jìn)行自動化測量時，由于數(shù)據(jù)采集裝置各通道內(nèi)部存在電子電路，影響儀表對儀器的正常測量，所以鑒定時要求將儀器從數(shù)據(jù)采集裝置端子上拆卸下來再進(jìn)行鑒定。

對于接入集線箱測量的儀器，分兩種情況：

（1）當(dāng)儀器采用五芯連接時，由于測量儀表采用恒流源激勵，克服了芯線電阻對測量的影響，所以可依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的技術(shù)要求進(jìn)行鑒定；

（2）當(dāng)儀器采用四芯連接時，為了驗證集線箱對鑒定的影響，進(jìn)行了如下試驗：在儀器正常試驗條件下，取一組完好的儀器用校正儀固定，分別通過200 m和400 m水工電纜接入集線箱，然后選取集線箱三個不同通道，分別測量裝夾后初始狀態(tài)、接近量程上限狀態(tài)、下限狀態(tài)時的正測電阻比、反測電阻比及電纜電阻。

試驗表明：同一通道、不同接長電纜長度時，儀器工作在上、下限時的正反測電阻比評價指標(biāo)|Zt-N|值有所變化（Zt為正測電阻比讀數(shù)Z與反測電阻比讀數(shù)Z'之和，N=20 000+M2，M=（10 000-Z）/100），以DI-10小應(yīng)變計為例，最大為1.46，遠(yuǎn)小于規(guī)程|Zt-N|≤5的要求；同一支儀器在不同通道、不同接長電纜長度時，|Zt-N|的值也略有不同，以CF-12測縫計為例，三個通道最大差為0.69。

由此可見，四芯測量時集線箱對儀器的測值有一些影響，不過這個影響很小，可以不考慮。所以，當(dāng)儀器通過集線箱采用四芯測量時，只要集線箱符合DL/T 5178-2003附錄E.4.5的要求，儀器也不需要從集線箱拆卸下來，可以依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)直接經(jīng)集線箱進(jìn)行鑒定。

3.7 儀器引出電纜芯線色標(biāo)規(guī)定

為改進(jìn)現(xiàn)場焊接工藝及便于分辨儀器引出線與接長線間的對應(yīng)色標(biāo)，國內(nèi)主要廠家自2005年起改進(jìn)原來出廠儀器引出線的接法：差動電阻式儀器由三芯（黑、紅、白）改為五芯（黑、藍(lán)、紅、綠、白）引出，電阻溫度計統(tǒng)一采用四芯（黑、藍(lán)、綠、白）引出。本標(biāo)準(zhǔn)對儀器的引出線色標(biāo)也進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定，五芯儀器為：黑、藍(lán)、紅、綠、白，銅電阻溫度計為：黑、藍(lán)、綠、白。

4 結(jié)語

本標(biāo)準(zhǔn)對已安裝埋設(shè)的差動電阻式監(jiān)測儀器的鑒定技術(shù)要求、方法、規(guī)則等方面提出了具體要求，充分考慮了國內(nèi)差動電阻式儀器工程應(yīng)用的實際情況，符合現(xiàn)階段該類儀器安全運(yùn)行的技術(shù)水平，滿足目前該類儀器鑒定的需要。

受當(dāng)前技術(shù)水平的限制，本標(biāo)準(zhǔn)可能不盡完善。隨著應(yīng)用的深入、經(jīng)驗的積累及技術(shù)的進(jìn)步，希望各位同行共同努力，在以后的工作實踐中不斷完善豐富、修訂更新。

[1]DL/T 5209-2005，混凝土壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程[S].

[2]DL/T 5256-2010，土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程[S].

[3]DL/T 5178-2003，混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[4]GB/T 3408.1-2008，差動電阻式應(yīng)變計[S].

[5]GB/T 3409.1-2008，差動電阻式鋼筋計[S].

[6]GB/T 3410.1-2008，差動電阻式測縫計[S].

[7]GB/T 3413-2008，埋入式銅電阻溫度計[S].

[8]儲海寧.混凝土壩內(nèi)部觀測技術(shù)[M].北京：水利電力出版社.1989.