混凝土溫度監(jiān)測中溫度計(jì)的應(yīng)用研究

周彪，孫國強(qiáng)，朱信華，周克明

（1.廣東省樂昌峽水利樞紐管理處，廣東韶關(guān)，512200；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京，210012；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029）

混凝土溫度監(jiān)測中溫度計(jì)的應(yīng)用研究

周彪1，孫國強(qiáng)2,3，朱信華1，周克明2,3

（1.廣東省樂昌峽水利樞紐管理處，廣東韶關(guān)，512200；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京，210012；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029）

銅電阻與熱敏電阻溫度計(jì)常用于巖土工程混凝土溫度監(jiān)測，為進(jìn)一步了解兩種儀器應(yīng)用情況，從儀器結(jié)構(gòu)、測量、絕緣度影響等方面，結(jié)合工程實(shí)例分析，認(rèn)為銅電阻溫度計(jì)在生產(chǎn)管理、電纜芯線電阻、絕緣電阻影響等方面要優(yōu)于熱敏電阻溫度計(jì)，銅電阻溫度計(jì)更能適合水工環(huán)境，具有較好的長期穩(wěn)定性。熱敏電阻溫度計(jì)采用四芯電纜加長，測出電纜芯線電阻，可消除長電纜給溫度測量帶來的影響，相關(guān)成果可供工程管理、工程設(shè)計(jì)、科研人員等參考。

混凝土溫度；銅電阻；熱敏電阻；溫度計(jì)；比選

混凝土溫度是大壩安全監(jiān)測的重要項(xiàng)目[1]，混凝土溫度變化是指導(dǎo)施工期溫控的重要措施。朱伯芳院士在專門研究大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制的專著中提出溫度應(yīng)力的控制對預(yù)防大壩出現(xiàn)裂縫起到不可或缺的作用[2]，取得準(zhǔn)確可靠的溫度監(jiān)測成果是控制混凝土溫度應(yīng)力的前提。305 m高的錦屏一級混凝土雙曲拱壩，每倉混凝土埋設(shè)2～9支溫度計(jì)，全壩共埋設(shè)3 976支溫度計(jì)[3]。在高混凝土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中，單種監(jiān)測儀器數(shù)量最多的往往是用來測量混凝土溫度的溫度計(jì)，可見溫度計(jì)性能之重要?；炷翂芜\(yùn)行期的降溫階段往往達(dá)十年以上[4]，溫度監(jiān)測需要持續(xù)整個(gè)降溫階段，因此，溫度監(jiān)測儀器應(yīng)具有較高的測量精度及良好的長期穩(wěn)定性。

混凝土壩常用電阻溫度計(jì)來進(jìn)行溫度監(jiān)測，內(nèi)部采用電阻作為感溫元件，根據(jù)電阻值隨溫度而變化的規(guī)律來測量溫度。巖土工程安全監(jiān)測中常用的電阻溫度計(jì)包括銅電阻溫度計(jì)或熱敏電阻溫度計(jì)。

銅電阻或熱敏電阻溫度計(jì)都是結(jié)構(gòu)簡單、成果直觀的監(jiān)測儀器，如何選擇合適的溫度計(jì)進(jìn)行混凝土溫度監(jiān)測，往往困惑著相關(guān)技術(shù)人員。部分科研人員認(rèn)為銅電阻溫度計(jì)長期穩(wěn)定性要優(yōu)于熱敏電阻溫度計(jì)，但未給出充分的理由。筆者從兩種溫度計(jì)的原理、結(jié)構(gòu)、測量、絕緣度影響等方面進(jìn)行深入分析，得到的研究成果可供監(jiān)測設(shè)計(jì)、工程管理單位相關(guān)人員參考。

1 概述

1.1 原理

1.1.1 銅電阻溫度計(jì)

銅電阻溫度計(jì)主要由三部分組成：電阻線圈、外殼及電纜，其引出電纜為四芯水工電纜，溫度計(jì)結(jié)構(gòu)及電氣如圖1所示。

圖1中的繞制銅絲采用高強(qiáng)度漆包線按一定工藝?yán)@制而成，形成感溫電阻，溫度計(jì)用紫銅管作為外殼，與引出電纜密封。

銅電阻溫度計(jì)測量原理是：在一定的溫度范圍內(nèi)銅絲電阻與溫度成線性關(guān)系，當(dāng)溫度計(jì)所在環(huán)境的溫度變化時(shí)，其電阻值同步變化，式（1）為溫度與電阻的換算公式。

式中：

T——測量點(diǎn)的溫度，℃；Rt——實(shí)測電阻值，Ω；

R0——0℃電阻值，R0=46.60 Ω；

α——溫度系數(shù)，α=5℃/Ω。

1.1.2 熱敏電阻溫度計(jì)

熱敏電阻溫度計(jì)也稱半導(dǎo)體溫度計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)，核心元件采用半導(dǎo)體熱敏電阻。熱敏電阻是一種阻值隨溫度改變顯著的敏感元件。在工作溫度測量范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，簡稱PTC）熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增加，負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，簡稱NTC）熱敏電阻的阻值隨溫度升高而降低。通過測量感溫元件的電阻值，代入公式，計(jì)算相應(yīng)的溫度值。

巖土工程中常用阻值為3 kΩ（25℃時(shí)）的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻溫度計(jì)，溫度計(jì)引出兩芯屏蔽電纜，采用振弦式檢測儀讀數(shù)，儀表內(nèi)部按式（2）將電阻值換算為溫度[5]，直接顯示溫度，不需要用戶再次換算。

式中：

T——測量點(diǎn)的溫度，℃；

R——實(shí)測電阻值，Ω；

lnR——實(shí)測電阻值的自然對數(shù)；

A、B、C——廠家提供的計(jì)算系數(shù)。

根據(jù)式（2）繪制熱敏電阻與溫度的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，隨著溫度升高，阻值降低。

圖2 溫度與阻值關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between temperature and resistance

1.2 國家標(biāo)準(zhǔn)

銅電阻溫度計(jì)有國家標(biāo)準(zhǔn)，熱敏電阻溫度計(jì)沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。2009年2月，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了《大壩監(jiān)測儀器埋入式銅電阻溫度計(jì)》的國家標(biāo)準(zhǔn)[6]，標(biāo)準(zhǔn)中對銅電阻溫度計(jì)的工作環(huán)境、規(guī)格參數(shù)、長期穩(wěn)定性、時(shí)間常數(shù)、檢驗(yàn)方法、絕緣性能等做出了規(guī)定，水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心將此標(biāo)準(zhǔn)作為生產(chǎn)許可證檢驗(yàn)的依據(jù)，對進(jìn)入水利水電工程的銅電阻溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)督管理。目前為止，熱敏電阻溫度計(jì)沒有相關(guān)方面的標(biāo)準(zhǔn)，也沒有相應(yīng)的生產(chǎn)許可證，在巖土工程中的應(yīng)用管理還有待完善。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

從兩種儀器的技術(shù)指標(biāo)看，都能滿足大壩溫度監(jiān)測的需要，此時(shí)監(jiān)測儀器的選型更應(yīng)注重其長期穩(wěn)定性。

熱敏電阻溫度計(jì)在量程、分辨率上要優(yōu)于銅電阻溫度計(jì)。熱敏電阻溫度計(jì)的測量范圍為-50～150℃[5]，電阻變幅在525.4～53 100 Ω，在三峽茅坪溪防護(hù)大壩一期工程瀝青混凝土心墻的溫度監(jiān)測中就有應(yīng)用[7]。銅電阻溫度計(jì)的測量范圍為-30～70℃，電阻值變幅在40.6～60.6 Ω。在整個(gè)溫度測量范圍內(nèi)，熱敏電阻的阻值變幅要遠(yuǎn)比銅電阻溫度計(jì)大，表明其溫度測量的分辨率要高于銅電阻溫度計(jì)，即其溫度靈敏度要高。兩者參數(shù)對比見表1。

表1 銅電阻與熱敏電阻溫度計(jì)參數(shù)對比Table 1 Comparison between the parameters of copper resistance thermometer and thermistor thermometer

2 測量比較

2.1 電纜芯線電阻的影響

20世紀(jì)90年代前，由于測量技術(shù)的限制，芯線電阻及偏差對溫度測量影響較大。銅電阻溫度計(jì)的溫度測量范圍為-30～70℃，相應(yīng)阻值變化范圍在40.6～60.6 Ω之內(nèi)，按照每100 m電纜（4×0.75 mm2）的電阻值1.5 Ω計(jì)[1]，溫度計(jì)的溫度系數(shù)為5℃/Ω，對溫度測量帶來的誤差已經(jīng)遠(yuǎn)超溫度計(jì)的測量精度。采用四芯測法和三芯測法來消除電纜阻值的影響，接長的電纜長度還是有一定限制，尤其是電纜芯線電阻隨時(shí)間的變化使傳統(tǒng)的四芯測法和三芯測法不能完全消除電纜阻值影響，從而對監(jiān)測資料的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

20世紀(jì)90年代后，銅電阻溫度計(jì)采用四芯引出電纜，并采用恒流源和高阻抗等測量方法，解決了儀器電纜及長距離測量影響，完全消除了芯線電阻及偏差對電阻測值的影響。

熱敏電阻溫度計(jì)阻值變化范圍在525.4～53100 Ω之間，相比之下，電纜芯線電阻較小，一般沒有采取措施消除電纜芯線電阻對溫度成果的影響。由式（2）可得，當(dāng)溫度在25～45℃時(shí)，每41～171 Ω電阻將帶來1℃的影響。當(dāng)溫度計(jì)加長電纜在200 m以上時(shí)，按照每100 m電纜（2×0.35 mm2）的電阻值6 Ω計(jì)，測量電路中芯線電阻將大于24 Ω，帶來溫度測量誤差約0.5℃，已經(jīng)接近于溫度計(jì)的測量精度，當(dāng)加長電纜更長時(shí)，帶來的誤差更不可忽視。此時(shí)的解決方法是與銅電阻溫度計(jì)一樣，改用四芯引出電纜，測量出電纜芯線電阻，在計(jì)算溫度時(shí)，扣除這部分的影響。

2.2 絕緣度的要求

熱敏電阻溫度計(jì)對絕緣度的要求要高于銅電阻溫度計(jì)。銅電阻溫度計(jì)與熱敏電阻溫度計(jì)本身的絕緣度在生產(chǎn)時(shí)都可以做得很好，現(xiàn)場埋設(shè)后，溫度計(jì)及電纜長年在潮濕、高壓的環(huán)境下，加之傳感器封裝、電纜質(zhì)量、接頭工藝及外界破壞等[8]原因，測量線路對大地的絕緣電阻將不可避免地逐步降低。絕緣度降低，相當(dāng)于在溫度電阻的測量回路上并聯(lián)了一個(gè)絕緣電阻，熱敏電阻溫度計(jì)的電阻要比銅電阻溫度計(jì)大得多，更易造成測值失真甚至失效。鋼弦式儀器測溫傳感器一般是熱敏電阻溫度計(jì)，這也是鋼弦式儀器頻率測讀正常、溫度測量失效的原因之一。

絕緣電阻r對溫度電阻R的影響說明如下：

當(dāng)測量電路中芯線間絕緣度降低，可以看作溫度電阻R并聯(lián)一個(gè)絕緣電阻r，電氣原理如圖3所示，實(shí)測溫度電阻計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：

r——芯線絕緣電阻，Ω；

R——真實(shí)的溫度電阻，Ω；

Rt——實(shí)測溫度電阻，Ω。

圖3 絕緣度降低時(shí)的簡化電路Fig.3 Simplified circuit as the insulation decreased

一般來說絕緣電阻r遠(yuǎn)大于溫度電阻R，如當(dāng)r=∞時(shí)，Rt將等于R，真實(shí)反映溫度電阻的變化；當(dāng)芯線之間絕緣度降低，即r逐漸變小時(shí)，溫度電阻測值Rt受線芯電阻影響越大，且越來越小于真實(shí)電阻，從而影響到溫度測量成果。

電纜芯線絕緣度降低對銅電阻溫度計(jì)溫度成果的影響要小于熱敏電阻。銅電阻溫度計(jì)電阻變幅在40.6～60.6 Ω，熱敏電阻溫度計(jì)的電阻變幅在525.4～53 100 Ω。表2為當(dāng)真實(shí)溫度為25℃，電纜芯線的絕緣電阻從50 MΩ降低到1 MΩ、0.1 MΩ、0.01 MΩ和0.001 MΩ時(shí)，代入（3）式計(jì)算的溫度值。隨著絕緣電阻的變小，熱敏電阻溫度計(jì)溫度測量誤差逐步變大，當(dāng)絕緣電阻小于0.1 MΩ，溫度偏差為0.683℃，已經(jīng)大于溫度計(jì)測量精度（±0.5℃[5]）；當(dāng)絕緣電阻小于0.001 MΩ時(shí)，溫度值已經(jīng)為59.852℃，溫度值已經(jīng)完全不可信。同樣，隨著絕緣電阻的變小，銅電阻溫度計(jì)的測量溫度逐步變小，當(dāng)絕緣電阻為0.1 MΩ時(shí)，溫度偏差為-0.133℃，銅電阻溫度計(jì)的測量精度為±0.3℃，此時(shí)仍滿足精度要求；當(dāng)絕緣電阻為0.01 MΩ和0.001 MΩ時(shí)，溫度偏差分別為-1.324℃和-12.660℃，已經(jīng)超過溫度計(jì)測量誤差。大壩安全監(jiān)測儀器報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)中指出，當(dāng)差動(dòng)電阻式儀器的絕緣度小于0.1 MΩ時(shí)就具備報(bào)廢條件[9]，從以上分析來看，對于銅電阻溫度計(jì)的要求可以適當(dāng)放寬。

為進(jìn)一步直觀顯示絕緣電阻與溫度偏差的關(guān)系，繪制兩者的相關(guān)圖如圖4所示，圖中明顯可以看出，尤其是當(dāng)絕緣電阻小于0.01 MΩ時(shí)，對熱敏電阻的溫度測量影響要遠(yuǎn)大于銅電阻溫度計(jì)。

圖4 不同絕緣電阻對兩種溫度計(jì)溫度偏差的影響Fig.4 Influence of different insulation resistances on temperature deviation for the two thermometers

3 工程應(yīng)用

銅電阻溫度計(jì)的長期應(yīng)用實(shí)例在相關(guān)文獻(xiàn)中有不少，相對比熱敏電阻溫度計(jì)要多。這里簡述浙江里石門水庫大壩應(yīng)用情況。里石門水庫位于浙江省天臺(tái)縣境內(nèi)始豐溪上，攔河壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高74.3 m，1974年2月開始澆筑混凝土，1978年3月底開始蓄水。壩內(nèi)共埋設(shè)35支銅電阻溫度計(jì)，經(jīng)過28年的運(yùn)行，到2003年仍有24支正常運(yùn)行，占69%，測值可靠[10]，典型觀測成果如圖5所示，表明銅電阻溫度計(jì)能在水工環(huán)境中長期使用，具有良好的長期穩(wěn)定性。

表2 絕緣電阻對兩種溫度計(jì)的影響Table 2 Influence of insulation resistances on the two thermometers

圖5 銅電阻溫度計(jì)長期觀測成果Fig.5 Long-term monitoring data by copper resistance thermometer

4 結(jié)論與展望

銅電阻與熱敏電阻溫度計(jì)是巖土工程安全監(jiān)測中常見的溫度監(jiān)測儀器，長期應(yīng)用中前者有明顯優(yōu)勢。銅電阻溫度計(jì)內(nèi)部的阻抗遠(yuǎn)低于熱敏電阻溫度計(jì)，溫度測量受絕緣度影響相對要小，因此更適于在水工環(huán)境下長期運(yùn)行。

熱敏電阻溫度計(jì)的分辨力高、量程大，能較好地適應(yīng)高溫監(jiān)測。熱敏電阻溫度計(jì)的阻抗大，要求的絕緣電阻較高，當(dāng)絕緣電阻小于0.1 MΩ時(shí)，測值將嚴(yán)重失真。當(dāng)熱敏電阻溫度計(jì)加長的電纜超過200 m時(shí)，電纜芯線電阻的影響將超過標(biāo)稱精度，此時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施消除電纜芯線電阻對成果的影響。■

[1]SL 601-2013,混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國水利水電出版社,2012.

[3]段紹輝,張晨,胡書紅.拱壩混凝土施工期溫度自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].大壩與安全,2015(5)：8-12.

[4]張冀,蔡明,鄧海龍.大朝山大壩溫度監(jiān)測資料分析[J].大壩與安全,2013(1)：25-28.

[5]BGK-3700溫度計(jì)安裝使用手冊[M].基康儀器(北京)有限公司.

[6]GB/T 3413-2008,大壩監(jiān)測儀器埋入式銅電阻溫度計(jì)[S].

[7]譚愷炎.瀝青混凝土高溫監(jiān)測儀器率定試驗(yàn)及儀器埋設(shè)[J].中國三峽建設(shè),2000(1)：134-36.

[8]劉敏飛.已埋設(shè)差動(dòng)電阻式傳感器的鑒定[J].大壩與安全, 2005(5)：53-57.

[9]SL621-2003,大壩安全監(jiān)測儀器報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10]周克明,鐘再相.里石門拱壩觀測資料分析[J].水利水文自動(dòng)化,2004(9)：22-25.

國家能源局加強(qiáng)水能資源利用管理促水能有效利用

據(jù)新華網(wǎng)6月8日，由國家能源局組織編制的《水能利用率計(jì)算導(dǎo)則》《水能利用監(jiān)測與發(fā)布管理辦法》和《流域梯級工程特性及運(yùn)行情況資料報(bào)表（試行）》對外發(fā)布，旨在通過科學(xué)界定、規(guī)范水能利用標(biāo)準(zhǔn)，建立健全水能利用監(jiān)測體系和信息發(fā)布制度，指導(dǎo)水電站水能利用情況分析及統(tǒng)計(jì)工作，加強(qiáng)水能資源利用管理，推動(dòng)水能有效利用。

《水能利用監(jiān)測與發(fā)布管理辦法》（以下簡稱《辦法》）適用于主要河流梯級水電站和國家核準(zhǔn)建設(shè)水電站的水能利用監(jiān)測和發(fā)布，其他水電站可參照執(zhí)行?！掇k法》明確了數(shù)據(jù)監(jiān)測與獲取、數(shù)據(jù)管理、信息發(fā)布等方面的工作內(nèi)容，要求納入管理的水電站以單個(gè)水電站為單元，按照國家可再生能源信息管理中心的相關(guān)要求提供電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和滿足質(zhì)量、精度要求的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。國家可再生能源信息管理中心對電站實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、歸集、整理，開展水能利用指標(biāo)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析工作，并提出年度水能利用情況分析報(bào)告，根據(jù)國家能源局授權(quán)發(fā)布水能利用情況有關(guān)成果。水能利用情況實(shí)行定期發(fā)布制度，包括按月、按年進(jìn)行發(fā)布。

《水能利用率計(jì)算導(dǎo)則》則通過對于水電站棄水原因分類、棄水電量計(jì)算及水量與水能利用率指標(biāo)的界定，加強(qiáng)水能資源利用管理，促進(jìn)水電站運(yùn)行效率提升。

Application of thermometer in concrete temperature monitoring

ZHOU Biao,SUN Guo-qiang, ZHU Xin-hua and ZHOU Ke-ming//Administrative Office of Lechang Gorge Hydraulic Project,Guangdong Province

Both copper resistance thermometer and thermistor thermometer are commonly used in geotechnical project to monitor the concrete temperature.To understand the application of the two instruments,comparison is carried out,including the aspects such as instrument structure,measurement and insulation.Combined with engineering cases,it is considered that copper resistance thermometer is superior to thermistor thermometer as far as production management,cable core resistance and insulation resistance.As well,the copper resistance thermometer is more suitable for hydraulic environment and it has better long-term stability.The thermistor thermometer is lengthened with 4 core cable.Measurement of the resistance of cable core can eliminate the influence of long cable to temperature measurement.

concrete temperature;copper resistance;thermistor;thermometer;comparison

TV698.1

A

1671-1092（2017）03-0021-05

2017-03-25

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“水資源高效開發(fā)利用”——長距離復(fù)雜調(diào)水工程長效安全運(yùn)行保障技術(shù)與示范（2016YFC0401809）

周彪（1983-），男，湖北荊州人，工程師，長期從事水利信息化建設(shè)與管理工作。

作者郵箱：13929581997@139.com