已埋差動電阻式監(jiān)測儀器工作狀態(tài)評價

趙花城，王為勝（.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，3004；.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京，003）

已埋差動電阻式監(jiān)測儀器工作狀態(tài)評價

趙花城1，王為勝2
（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京，210032）

DL/T1254-2013《差動電阻式監(jiān)測儀器鑒定技術(shù)規(guī)程》對已埋差動電阻式監(jiān)測儀器工作狀態(tài)的鑒定方法和評價標準作出了規(guī)定，為差動電阻式監(jiān)測儀器的現(xiàn)場鑒定起指導性的作用。筆者對規(guī)程中的相關(guān)內(nèi)容做了簡要介紹和必要的說明，供業(yè)內(nèi)人員開展相關(guān)工作時準確理解和掌握。

差動電阻式監(jiān)測儀器；工作狀態(tài)；評價

0　引言

差動電阻式監(jiān)測儀器又稱為卡爾遜式儀器，是美國加利福尼亞大學的卡爾遜教授于1932年研制成功并用于安全監(jiān)測中。20世紀50年代中期，我國引進該類型監(jiān)測儀器，應(yīng)用在佛子嶺、梅山、上猶江、流溪河等混凝土大壩，同時著手差動電阻式監(jiān)測儀器的研制，自60年代開始，國產(chǎn)的差動電阻式監(jiān)測儀器廣泛應(yīng)用在各類水利水電工程的安全監(jiān)測中。監(jiān)測儀器與其他物件一樣，受結(jié)構(gòu)材料、元器件老化及變形等因素的影響，使儀器自身的性能發(fā)生變化，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。對已埋入差動電阻式儀器，如何鑒定并評價其工作狀態(tài)，雖在有關(guān)的監(jiān)測技術(shù)培訓教材或叢書中已有所介紹，但一直沒有形成統(tǒng)一的評價標準。為此，電力行業(yè)大壩安全監(jiān)測標準化技術(shù)委員會組織相關(guān)單位，編制完成了《差動電阻式監(jiān)測儀器鑒定技術(shù)規(guī)程》。該標準適用于已安裝埋設(shè)的差動電阻式監(jiān)測儀器（含銅電阻溫度計）的現(xiàn)場鑒定，規(guī)定了差動電阻式監(jiān)測儀器的鑒定方法和評價標準，對差動電阻式監(jiān)測儀器工作狀態(tài)的現(xiàn)場鑒定具有明確的指導性作用。為了準確理解和合理應(yīng)用本規(guī)程，對規(guī)程中的相關(guān)內(nèi)容作簡要介紹和必要的說明，供業(yè)內(nèi)同行討論和借鑒。

1　鑒定工作準備

根據(jù)建筑物的特點以及監(jiān)測儀器自身的工作特性，對已埋差動電阻式監(jiān)測儀器鑒定工作主要包括歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評價、現(xiàn)場測試評價和綜合評價。因此，在監(jiān)測儀器鑒定工作開始前，應(yīng)收集需鑒定監(jiān)測儀器的基本信息、歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測所處建筑物的相關(guān)運行資料等，同時準備用于差動電阻式監(jiān)測儀器測量儀表及現(xiàn)場測試所需的相關(guān)記錄表格。

2　測量儀表的檢驗

現(xiàn)場測試的測量儀表（水工比例電橋或數(shù)字電橋，統(tǒng)稱電橋）必須為經(jīng)檢定合格且在有效期內(nèi)使用的產(chǎn)品。測讀時應(yīng)嚴格按照說明書的要求進行操作。

目前，工程中應(yīng)用的電橋，由于生產(chǎn)廠家不同，其內(nèi)部接線方式也不同，對儀器電阻值的讀取有所不同，故應(yīng)注意區(qū)別。如：有的電橋是直接測量儀器的溫度電阻值Rt=R1+R2+r黑-r白（當電纜芯線電阻差很小，r黑r白，即Rt=R1+R2）；而有的電橋是測量儀器的總電阻值Rs=R1+R2+r黑+r白和芯線電阻2r（即r黑+r白），經(jīng)計算后才能得到溫度電阻值Rt=Rs-2r；有些電橋也可直接測量溫度電阻值Rt=Rs-2r。

在現(xiàn)場測試之前，還需要采用標準試件（電橋率定器）對電橋的準確性進行校驗。其基本操作步驟如下：先用專用連結(jié)片將電橋和率定器相應(yīng)的接線柱正確連接；再將電橋率定器的電阻比分別調(diào)節(jié)至9 500×10-4、10 000×10-4、10 500×10-4等檔位，同時用電橋測得對應(yīng)各檔的電阻比，每檔連續(xù)讀取5個測值；然后將電橋率定器的電阻分別調(diào)節(jié)至10 Ω檔、50 Ω檔、100 Ω檔，用電橋分別讀取對應(yīng)各檔的電阻值，每檔連續(xù)讀取5個測值。以電橋每檔的各次電阻比測值與相應(yīng)檔位的標準值之差均不大于1×10-4（即1個電阻比），且每檔的各次電阻測值與相應(yīng)的標準值之均差不大于0.02 Ω為控制標準，滿足要求的電橋則可以認為合格，能夠用于現(xiàn)場測試。

3　歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評價

分析評價歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)是鑒定監(jiān)測儀器工作狀態(tài)的重要依據(jù)之一，評價時主要采用測值過程線圖分析法，以便發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)場測試鑒定時難以出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象。

為使現(xiàn)場測試有針對性，在測試前應(yīng)先根據(jù)被鑒定監(jiān)測儀器的歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)（即電阻比和電阻值）和相應(yīng)的環(huán)境量（如庫水位、氣溫）等資料，繪制測值過程線。分析評價時，應(yīng)結(jié)合建筑物實際運行情況，可同時與被鑒定監(jiān)測儀器埋設(shè)位置相近的同類其他儀器測值進行比對，檢查測值變化規(guī)律的一致性或相關(guān)性，以做出準確合理的分析和判斷。由于對測值過程線分析評價還難以提出定量的評判標準，目前主要以定性評價為主，評價標準一般按以下三個等級進行分類：

可靠：變化合理，測值過程線規(guī)律明顯，無系統(tǒng)誤差；或雖存在系統(tǒng)誤差，但能夠排除儀器自身的問題。

基本可靠：測值過程線能呈現(xiàn)較明顯的規(guī)律，即使存在不能排除儀器原因的系統(tǒng)誤差，也可經(jīng)過處理修正。

不可靠：測值變化紊亂無規(guī)律；或誤差頻現(xiàn)難以處理修正，測值無法分析和引用。

4　現(xiàn)場測試及成果評價

4.1現(xiàn)場測試

在實際工程中，差動電阻式監(jiān)測儀器可能由人工直接測量或接入集線箱后再進行人工測量，也可能采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)自動化讀取。對于采用人工測量的儀器，可將儀器電纜與讀數(shù)儀連接后直接測試；對于已接入數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的儀器，可將其從數(shù)據(jù)采集模塊上拆下后再進行測試，或中斷自動采集系統(tǒng)工作后采用人工比測接口進行測試。

據(jù)調(diào)查，在早期建設(shè)的工程中使用的應(yīng)力應(yīng)變計、測縫計、鋼筋計、滲壓計等監(jiān)測儀器均采用四芯電纜連接，而近20年內(nèi)建設(shè)的工程中使用的這些監(jiān)測儀器主要采用五芯電纜接長，因此，差動電阻式儀器的現(xiàn)場測試分為四芯連接、五芯連接兩類，銅電阻溫度計的結(jié)構(gòu)較簡單，現(xiàn)場測試時可單列為一類。

4.1.1測量間隔要求

按照電橋的功能測讀儀器的電阻比和電阻值，對監(jiān)測儀器進行穩(wěn)定性測試時，需連續(xù)測量3次測值并記錄，每次測量時間間隔不少于10 s。當遇到儀器測值不穩(wěn)、集線箱旋鈕或采集模塊接口接觸不良、電纜芯線顏色與常規(guī)不一致、儀器測值異常等現(xiàn)象時，應(yīng)將相關(guān)情況的文字說明一并記錄在現(xiàn)場測試表中。

4.1.2絕緣電阻測試

監(jiān)測儀器電纜芯線對地絕緣電阻采用500 V電壓等級的兆歐表測量。測試時，將兆歐表的一根導線夾緊所測試儀器的電纜芯線，另一根導線接地，在現(xiàn)場可夾在測站旁的鋼筋或電纜保護箱的固定螺栓上。

4.1.3四芯連接監(jiān)測儀器測試

四芯電纜連接的監(jiān)測儀器，其電纜四根芯線的顏色分別為白、綠、紅、黑，測量時分別連接至電橋的相應(yīng)線色接線柱，接線電路簡圖如圖1所示。

圖1　四芯電纜連接儀器接線電路簡圖Fig.1　The circuit diagram of the quadded cable

對四芯電纜連接的監(jiān)測儀器，除按四芯接線方式，采用電橋測量電阻比和電阻值外，還應(yīng)將接入電橋的監(jiān)測儀器黑白芯線對調(diào)后再進行測量，測得反測電阻比Z′。

4.1.4五芯電纜連接監(jiān)測儀器測試

五芯電纜連接的監(jiān)測儀器五根芯線的顏色分別為白、綠、紅、黑、藍，測量時分別連接至電橋的相應(yīng)線色接線柱，接線電路簡圖如圖2所示。

圖2　五芯電纜連接儀器接線電路簡圖Fig.2　The circuit diagram of the 5-core cable

4.1.5銅電阻溫度計測試

早期的銅電阻溫度計接線電纜沒有綠線，測試時將紅色線連接至電橋的綠色接線柱，其余按線色分別連接至電橋的相應(yīng)線色接線柱，接線電路簡圖如圖3所示。

五芯電纜測量技術(shù)應(yīng)用以來，銅電阻溫度計接線電纜沒有紅線，按線色分別連接至電橋的相應(yīng)線色接線柱，接線電路簡圖如圖4所示。

圖3　銅電阻溫度計接線電路簡圖一Fig.3　The circuit diagram of copper resistance thermometer

圖4　銅電阻溫度計接線電路簡圖二Fig.4　The circuit diagram of copper resistance thermometer

根據(jù)銅電阻溫度計接線方式，現(xiàn)場應(yīng)按三芯連接或四芯連接溫度計與電橋?qū)?yīng)連接，測量溫度計的電阻值。

4.2測試成果評價

4.2.1影響評價標準確定的因素

在確定差動電阻式監(jiān)測儀器現(xiàn)場測試評價標準時，需考慮以下幾方面的因素。

第一，在儀器出廠檢驗或埋設(shè)前現(xiàn)場檢驗的基礎(chǔ)上，適當放寬儀器的相關(guān)技術(shù)指標。在不影響對建筑物運行性態(tài)作出合理判斷的前提下，對已埋監(jiān)測儀器，應(yīng)遵循能利用則盡量繼續(xù)利用的原則。

第二，電橋的基本誤差：電阻比為±0.01%，電阻值為±0.02Ω（參比工作條件為：溫度20℃±2℃，相對濕度＜80%）。

第三，集線箱允許誤差：各接點內(nèi)阻不大于0.03Ω（包括內(nèi)部導線電阻、開關(guān)電阻、接觸電阻）。

第四，監(jiān)測儀器本身的結(jié)構(gòu)和輸出，其總電阻比輸出一般在300×10-4以上（低靈敏度的滲壓計除外），以總電阻比輸出的1%作為電阻比測值穩(wěn)定性評價標準之一，即3×10-4。

第五，儀器絕緣電阻對測值的影響，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對監(jiān)測儀器絕緣度的要求。

4

.2.2評價標準

經(jīng)綜合考慮上述各項影響因素后，可確定差動電阻式監(jiān)測儀器的現(xiàn)場測試評價標準一般為：

（1）四芯電纜連接的監(jiān)測儀器：

電阻比測值極差≤3×10-4為合格；電阻比測值極差＞3×10-4為不合格。

電阻值測值極差≤0.05 Ω為合格；電阻值測值極差＞0.05 Ω為不合格。

記正測電阻比Z與反測電阻比Z′之和為Zt，則：||Zt-N≤5為合格；||Zt-N＞5為不合格，其中：N=20 000+M2，M=（10 000-Z）/100。

絕緣電阻≥0.1MΩ為合格；絕緣電阻＜0.1MΩ為不合格。

（2）五芯電纜連接監(jiān)測儀器：

電阻比測值極差≤3×10-4為合格；電阻比測值極差＞3×10-4為不合格。

電阻值測值極差≤0.05 Ω為合格；電阻值測值極差＞0.05Ω為不合格。

絕緣電阻≥0.1MΩ為合格；絕緣電阻＜0.1MΩ為不合格。

（3）銅電阻溫度計：

電阻值測值極差≤0.05 Ω為合格；電阻值測值極差＞0.05 Ω為不合格。

絕緣電阻值≥0.1 MΩ為合格；絕緣電阻＜0.1 MΩ為不合格。

4.2.3四芯電纜連接監(jiān)測儀器的芯線電阻變差

對四芯電纜連接監(jiān)測儀器測量時，可測得：

電阻比：

電阻值：

R=R1+R2+r黑-r白

實際測量工作中常以r白的結(jié)果近似代替r黑值，計算儀器的電阻比、電阻值。

如監(jiān)測儀器的接長電纜芯線電阻值發(fā)生了變化，其中黑、白線的變化量分別為Δr黑、Δr白，則其測值：

電阻比：

電阻值：

上式中的（Δr黑-Δr白）即為芯線電阻變差。

根據(jù)差動電阻式監(jiān)測儀器自身的制造原理，儀器的（R2+r黑）一般在25～40 Ω之間，現(xiàn)以CF-12測縫計為例：，若芯線電阻變差發(fā)生0.01 Ω的變化，其將會引起大約4×10-4電阻比誤差和0.01 Ω的電阻值誤差。由此可見，芯線電阻變差對電阻比測量影響較大，對電阻值測量影響相對較小。因此，測量中希望芯線電阻變差盡可能小，以減小電阻比測量誤差。但在實際測量中，四芯電纜連接的監(jiān)測儀器接線方式已決定了R2與r黑總在同一測量支路中，r黑無法獨立測量出來，相應(yīng)的芯線電阻變差也就無法通過測量取得，故在這次編制的規(guī)程中未對芯線電阻變差作明確的要求，因為采用五芯電纜連接的監(jiān)測儀器可避免這個問題的產(chǎn)生。

4.2.4測試成果評價

根據(jù)差動電阻式監(jiān)測儀器電阻比極差、電阻值極差、絕緣電阻值的現(xiàn)場測試成果，從儀器的電阻比測值和溫度測值兩方面對儀器的工作狀態(tài)進行評價，評價結(jié)論按可靠、基本可靠、不可靠三個等級分類；銅電阻溫度計僅評價溫度測值，評價結(jié)論也分為可靠、基本可靠、不可靠三個等級。相關(guān)儀器的評價情況見表1～3。

5　綜合評價

在對已埋差動電阻式監(jiān)測儀器歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析評價、現(xiàn)場測試評價的基礎(chǔ)上，最終對儀器的工作狀態(tài)作出綜合評價，儀器的評價結(jié)論分正常、基本正常、異常三類，相關(guān)情況評價詳見表4和表5。

對工作狀態(tài)正常的儀器需進行觀測；對工作狀態(tài)基本正常的儀器可繼續(xù)觀測，但在監(jiān)測資料分析時，應(yīng)分析評價其測值的可靠性；工作狀態(tài)異常的儀器作停測封存處理，但應(yīng)根據(jù)按相關(guān)程序，報有關(guān)部門審批后方可實施，同時需妥善保存擬停測封存儀器的所有歷史資料，包括圖紙、埋設(shè)基本資料、

表1　四芯電纜連接差動電阻式監(jiān)測儀器現(xiàn)場測試成果評價表Table1　The appraisal of differential resistance monitoring instrument connected by quadded cable based on on-site tests

表2　五芯電纜連接差動電阻式監(jiān)測儀器現(xiàn)場測試成果評價表Table2　The appraisal of differential resistance monitoring instrument connected by 5-core cable based on on-site tests

表3　銅電阻溫度計現(xiàn)場測試成果評價表Table3　The appraisal of copper resistance thermometer based on on-site tests

表4　差動電阻式監(jiān)測儀器綜合評價成果表Table4　The comprehensive appraisal of differential resistance monitoring instrument

表5　銅電阻溫度計綜合評價表Table5　The comprehensive appraisal of copper resistance thermometer

儀器相關(guān)參數(shù)、歷年監(jiān)測資料等。

［1］DL/T1254-2013，差動電阻式監(jiān)測儀器鑒定技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2014.

［2］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.

作者郵箱：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

趙花城（1964-），男，浙江金華人，教授級高級工程師，長期從事大壩安全監(jiān)測工作。