差动电阻式监测仪器鉴定技术规程技术解读

王为胜，李 维，余 滢，刘 闯

（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京，210032）

1 编制背景

差动电阻式仪器在20世纪初由美国加利福尼亚大学卡尔逊博士发明，距今已有80多年的历史。我国从20世纪50年代开始跟踪研究这项技术，到70年代基本成熟，并在水工建筑物的安全监测中推广应用。随着恒流源激励五芯测量技术的应用，对仪器接长电缆的技术要求降低，仪器的应用得到进一步发展，目前仍然是岩土工程安全监测仪器选型中的主要类型之一。

差动电阻式仪器具有许多特点，特别是优越的长期稳定性在工程实践中已得到证实，因此国内水电站水工建筑物的内部观测大量采用差动电阻式仪器。但这些仪器的工作环境恶劣，加上不同厂家产品质量参差不齐、安装施工不严谨、运行管理不到位，随着时间推移，部分仪器性能下降甚至输出误导信息，给资料分析、安全评价增加困难。

工程应用的差动电阻式仪器绝大部分采用埋入式安装，不能取出、无法更换，因此仪器生产时的检测鉴定方法已不便引用。尽管过去应用各方也对已埋入仪器的鉴定方法进行过研究和讨论，但没有形成统一的规范，一般依据鉴定者的经验及生产厂家提供的说明进行，造成鉴定评价的方法、标准及流程不一样，有时鉴定结论也不一致。因此，需要采用标准的形式规范已埋入仪器的鉴定内容和方法，统一仪器的评价标准。

2 主要内容

标准规定了差动电阻式监测仪器及铜电阻温度计的鉴定项目、评价标准、鉴定方法及鉴定工作的主要流程。

鉴定工作节点一般选择在验收移交前、阶段性或专题性观测资料分析前、大坝安全定期检查时、建立大坝监测自动化系统前以及监测自动化系统改造升级前。

根据差动电阻式仪器接长电缆的方式不同，标准将仪器的鉴定分为四芯连接、五芯连接仪器和铜电阻温度计的鉴定，铜电阻温度计的鉴定分三芯连接、四芯连接仪器两类。

鉴定工作分为历史数据分析评价、现场检测评价及综合评价三个步骤。

2.1 历史数据分析评价

历史数据分析评价是根据仪器的历史监测数据，结合基本资料和维护资料，检查监测仪器的历史工作状态，结论分为可靠、基本可靠、不可靠。历史数据分析评价主要采用测值过程线图分析法：绘制被鉴定仪器的历史测值过程线，结合建筑物实际运行情况进行分析评价，可同时与被鉴定仪器埋设位置相近的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，以助分析判断。

历史数据分析评价等级标准如下：

（1）可靠：变化合理，过程线规律明显，无系统误差，或虽有系统误差，但能够排除仪器本身的问题；

（2）基本可靠：过程线能呈现出明确的规律，即使有不能排除仪器原因的系统误差，也可处理修正；

（3）不可靠：变化无规律，或系统误差频现，难以处理修正，对测值无法分析和引用。

2.2 现场检测评价

现场检测评价是对仪器的当前工作状态进行评价。仪器当前工作状态的评价首先检测其电阻比和电阻值测值稳定性、绝缘电阻值等单项指标（温度计不测量电阻比，四芯连接的仪器增加测量反测电阻比），然后对仪器的单项指标分别用合格与不合格进行评价，再综合单项指标评价结果，差动电阻式仪器从电阻比测值和温度测值两方面、铜电阻温度计从温度测值方面给出仪器现场检测评价结论，分为可靠、基本可靠、不可靠。

现场检测主要工作有：准备差动电阻式仪器测量仪表、500 V兆欧表等必要工具；应用差动电阻式仪器测量仪表连续3次测量并记录待检仪器的电阻比、电阻值，对于四芯连接仪器，同时测量仪器反测电阻比；用兆欧表测量并记录仪器芯线对大地的绝缘电阻值。为防止检测设备引起的误差影响鉴定结论，现场检测用的仪器仪表必须在检定合格有效期内，使用时必须严格遵照说明书的要求进行操作。

五芯连接仪器、四芯连接仪器及铜电阻温度计现场评价标准见表1～表3。

2.3 综合评价

综合评价是结合仪器历史数据分析评价结论与现场检测评价结论给出仪器最终鉴定结果，综合评价结论分为正常、基本正常、异常三个等级。差动电阻式仪器综合评价标准见表4，铜电阻温度计综合评价标准见表5。

3 技术说明

标准中仪器历史数据分析评价采用定性分析方法，给出了等级判定的基本要求，对鉴定人员的专业水平和经验有一定要求。现场检测评价采用定量分析方法，明确了鉴定的主要参数及其判定阈值。

结合差动电阻式仪器的特点，标准中主要鉴定评价指标的取舍考虑了多年工程经验的积累及当前的测试技术水平，各指标具体评价参数的确定经过了严格的试验或引用其他标准中合理的规定。下面就差动电阻式仪器主要评价指标的取舍、参数的确定及本标准推广应用中的一些相关技术问题进行详细说明。

3.1 测值稳定性

仪器的测值稳定性采用极差来评价，极差是指一组数据中最大值和最小值之间的差值，对本标准而言，就是现场检测时测得的3次数据中最大值和最小值之间的差值。差动电阻式仪器的总电阻比输出一般在300×10-4以上（部分低灵敏度的渗压计除外），本标准以仪器总电阻比输出的1%作为电阻比测值稳定性判定合格标准，即3×10-4。根据现场检测的经验，结合新的测量技术水平，在参考DL/T 5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》的电阻值测量精度要求（±0.02 Ω）的基础上，电阻值测值稳定性判定参数适度将其极差要求放宽至0.05 Ω为合格。

表1 五芯连接差动电阻式仪器现场检测评价标准表Table 1 Appraisal standards for the on-site test of five-core elastic wire resistance type sensors

表2 四芯连接差动电阻式仪器现场检测评价标准表Table 2 Appraisal standards for the on-site test of four-core elastic wire resistance type sensors

表3 铜电阻温度计现场检测评价标准表Table 3 Appraisal standards for the on-site test of copper re⁃sistance thermometer

3.2 绝缘电阻值

仪器绝缘电阻值是指仪器的芯线对于大地的绝缘电阻值大小。为分析仪器绝缘下降对仪器测值结果的影响，在正常试验条件下，做仪器绝缘下降的模拟试验。取一组完好的差动电阻式仪器，分别在其五根芯线上对仪器外壳并联可调电阻，因仪器内部是桥路且电阻较小，所以认为在仪器绝缘下降时，各芯线的绝缘情况近似。试验发现随着并联电阻的减小，仪器的电阻比、电阻值均存在下降现象，对电阻值的影响比电阻比明显。以小应变计为例，试验结果见表6。并联电阻值≥100 kΩ时，测值结果几乎没有影响，但降到40 kΩ附近时，对仪器测温影响达到近0.5℃，引起应变计算结果误差扩大。

另外参考目前工程项目的实际状况，现场有较多仪器的绝缘电阻值偏小，可能是仪器原因，也可能是因为接长电缆的绝缘度下降。经过综合分析，其中一些仪器的测量结果尚能够反映埋设位置的物理量变化，但当仪器绝缘电阻值＜0.1 MΩ时（现场测量仪器绝缘电阻值时，部分仪器附近并没有理想的地网，因此实际上仪器本身的绝缘状况可能更糟），大部分仪器数据已不能反映埋设位置的物理量变化，即使部分仪器输出值稳定，也不一定是真实值，而且随着时间的推移，仪器的绝缘情况将进一步恶化。

表4 差动电阻式监测仪器综合评价标准一览表Table 4 Comprehensive appraisal standards for the elastic wire resistance type sensors

因此在综合实验室试验结果及当前大多数工程项目实际情况的基础上，本标准要求仪器的绝缘电阻值≥0.1 MΩ为合格。

3.3 仪器的正反测电阻比

四芯连接仪器的正反测电阻比合格要求比DL/T 5178-2003附录E.4.1中要求放宽到±5，五芯连接仪器没有对反测电阻比作要求。从测试的角度分析，五芯连接仪器正测电阻比与反测电阻比是同一输入信号的同相与反相信号经过同一套测试电路测量，理论上其乘积应该是常数“1”，实际工作中发现它们的乘积可能不等于“1”。试验表明，五芯连接仪器正测电阻比与反测电阻比的乘积是“1”附近的常数，乘积和“1”之间的误差与检测仪表的系统误差有关。经过参数修正，同一台检测仪表，测量不同的仪器，它们的乘积均等于“1”，由此说明五芯仪器正测电阻比已经反映了仪器的电阻比输出质量，可以不进行反测验证。

表5 铜电阻温度计综合评价标准一览表Table 5 Comprehensive appraisal standards for the copper resistance thermometer

表6 仪器并联电阻试验记录表Table 6 Test results of parallel resistance

以SQ-2A数字式电桥为例，测量不同类型仪器的试验数据见表7。可以看出，测得的正、反测电阻比的乘积非常接近“1”，几乎不需要修正。

3.4 四芯连接差动电阻式仪器芯线电阻变差

四芯连接差动电阻式仪器测量时，仪器及接长电缆侧等效电路，见图1，激励电流i由黑线流入，白线流出。设仪器两组钢丝电阻值分别为R1、R2，接长电缆黑线电阻值为r黑，白线电阻值为r白，显然可以很方便地测得含芯线电阻时的电阻比Z0、电阻值R0。

电阻比：

电阻值：

实际测量工作中，分别测得式（1）和式（2）的值（即含芯线时的电阻比及电阻值）及r白（即芯线电阻值）的值后，式（1）中以r白的结果近似代替r黑值，计算出仪器实测电阻比Z；式（2）中减去2r白，计算出仪器实测电阻值R。

假设仪器工作过程中接长电缆的芯线电阻值发生了变化，其中黑、白线的变化量分别为Δr黑、

表7 五芯连接仪器正、反测电阻比试验记录表Table 7 Test results of direct-reverse resistance ratio of five-core sensor

图1 四芯连接差动电阻式仪器测量等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram in the test of four-core elastic wire resistance type sensors

Δr白，则其测值：

电阻比：

电阻值：R'=R+( )Δr黑-Δr白

式中，(Δr黑-Δr白)即为芯线电阻变差。

仪 器 的(R2+r黑)一 般 在 25～40 Ω 之 间 ，以CF-12测缝计为例，≈ 0.04（1/Ω）。若(Δr黑-Δr白)有0.01 Ω变化，将引起大约-4×10-4电阻比误差，引起的电阻值误差为0.01 Ω。可见芯线电阻变差对电阻比测量影响较大，而对电阻值测量影响较小。因此测量中希望(Δr黑-Δr白)尽可能小，以减小电阻比测量误差。但在实际测量中，仪器引出线的方式（如图1所示）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，(Δr黑-Δr白)也就无法通过测量取得，因此本标准未对芯线电阻变差作要求，解决这一问题可以采用五芯测量方案。

3.5 仪器芯线电阻值

标准没有对仪器各芯线电阻值作测量要求，这是由于现今的测量仪表等几乎都是采用恒流源激励五芯测量技术，该技术克服了仪器接长电缆芯线电阻值对仪器测量值的影响。恒流源激励五芯测量技术原理示意见图2。

图2 恒流源激励五芯测量技术原理示意图Fig.2 Technology principle with constant current source in the test of five-core sensors

以电阻比测量为例，待测仪器电阻比Z=，从原理图可以看出，U1、U2经过高输入阻抗运算放大器电压跟随后输入后续电路，高输入阻抗运算放大器的输入阻抗一般≥10 GΩ，在蓝线、红线、绿线上几乎没有电流流过，则测量仪表侧：U1'=U1、U2'=U2，有Z=。因此仪器接长电缆的芯线电阻值对测量结果的影响极小，如果现场需要分析仪器接长电缆的状况，按照仪表厂家产品的接入规定接线，目前使用的仪表基本都可以准确测量出每根芯线的电阻值。

3.6 现场仪器在不同工作方式下的鉴定

实际应用中，差动电阻式仪器可能是人工测量、接入集线箱测量或自动化测量。对于人工测量，可完全依据本规程中相关的技术要求进行鉴定；仪器接入自动化系统进行自动化测量时，由于数据采集装置各通道内部存在电子电路，影响仪表对仪器的正常测量，所以鉴定时要求将仪器从数据采集装置端子上拆卸下来再进行鉴定。

对于接入集线箱测量的仪器，分两种情况：

（1）当仪器采用五芯连接时，由于测量仪表采用恒流源激励，克服了芯线电阻对测量的影响，所以可依据本标准中相关的技术要求进行鉴定；

（2）当仪器采用四芯连接时，为了验证集线箱对鉴定的影响，进行了如下试验：在仪器正常试验条件下，取一组完好的仪器用校正仪固定，分别通过200 m和400 m水工电缆接入集线箱，然后选取集线箱三个不同通道，分别测量装夹后初始状态、接近量程上限状态、下限状态时的正测电阻比、反测电阻比及电缆电阻。

试验表明：同一通道、不同接长电缆长度时，仪器工作在上、下限时的正反测电阻比评价指标|Zt-N|值有所变化（Zt为正测电阻比读数Z与反测电阻比读数Z'之和，N=20 000+M2，M=（10 000-Z）/100），以DI-10小应变计为例，最大为1.46，远小于规程|Zt-N|≤5的要求；同一支仪器在不同通道、不同接长电缆长度时，|Zt-N|的值也略有不同，以CF-12测缝计为例，三个通道最大差为0.69。

由此可见，四芯测量时集线箱对仪器的测值有一些影响，不过这个影响很小，可以不考虑。所以，当仪器通过集线箱采用四芯测量时，只要集线箱符合DL/T 5178-2003附录E.4.5的要求，仪器也不需要从集线箱拆卸下来，可以依据本标准直接经集线箱进行鉴定。

3.7 仪器引出电缆芯线色标规定

为改进现场焊接工艺及便于分辨仪器引出线与接长线间的对应色标，国内主要厂家自2005年起改进原来出厂仪器引出线的接法：差动电阻式仪器由三芯（黑、红、白）改为五芯（黑、蓝、红、绿、白）引出，电阻温度计统一采用四芯（黑、蓝、绿、白）引出。本标准对仪器的引出线色标也进行了统一规定，五芯仪器为：黑、蓝、红、绿、白，铜电阻温度计为：黑、蓝、绿、白。

4 结语

本标准对已安装埋设的差动电阻式监测仪器的鉴定技术要求、方法、规则等方面提出了具体要求，充分考虑了国内差动电阻式仪器工程应用的实际情况，符合现阶段该类仪器安全运行的技术水平，满足目前该类仪器鉴定的需要。

受当前技术水平的限制，本标准可能不尽完善。随着应用的深入、经验的积累及技术的进步，希望各位同行共同努力，在以后的工作实践中不断完善丰富、修订更新。

[1]DL/T 5209-2005，混凝土坝安全监测资料整编规程[S].

[2]DL/T 5256-2010，土石坝安全监测资料整编规程[S].

[3]DL/T 5178-2003，混凝土坝安全监测技术规范[S].

[4]GB/T 3408.1-2008，差动电阻式应变计[S].

[5]GB/T 3409.1-2008，差动电阻式钢筋计[S].

[6]GB/T 3410.1-2008，差动电阻式测缝计[S].

[7]GB/T 3413-2008，埋入式铜电阻温度计[S].

[8]储海宁.混凝土坝内部观测技术[M].北京：水利电力出版社.1989.