混凝土温度监测中温度计的应用研究

周彪，孙国强，朱信华，周克明

（1.广东省乐昌峡水利枢纽管理处，广东韶关，512200；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.南京水利科学研究院，江苏南京，210029）

混凝土温度监测中温度计的应用研究

周彪1，孙国强2,3，朱信华1，周克明2,3

（1.广东省乐昌峡水利枢纽管理处，广东韶关，512200；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.南京水利科学研究院，江苏南京，210029）

铜电阻与热敏电阻温度计常用于岩土工程混凝土温度监测，为进一步了解两种仪器应用情况，从仪器结构、测量、绝缘度影响等方面，结合工程实例分析，认为铜电阻温度计在生产管理、电缆芯线电阻、绝缘电阻影响等方面要优于热敏电阻温度计，铜电阻温度计更能适合水工环境，具有较好的长期稳定性。热敏电阻温度计采用四芯电缆加长，测出电缆芯线电阻，可消除长电缆给温度测量带来的影响，相关成果可供工程管理、工程设计、科研人员等参考。

混凝土温度；铜电阻；热敏电阻；温度计；比选

混凝土温度是大坝安全监测的重要项目[1]，混凝土温度变化是指导施工期温控的重要措施。朱伯芳院士在专门研究大体积混凝土温度应力与温度控制的专著中提出温度应力的控制对预防大坝出现裂缝起到不可或缺的作用[2]，取得准确可靠的温度监测成果是控制混凝土温度应力的前提。305 m高的锦屏一级混凝土双曲拱坝，每仓混凝土埋设2～9支温度计，全坝共埋设3 976支温度计[3]。在高混凝土坝安全监测系统中，单种监测仪器数量最多的往往是用来测量混凝土温度的温度计，可见温度计性能之重要。混凝土坝运行期的降温阶段往往达十年以上[4]，温度监测需要持续整个降温阶段，因此，温度监测仪器应具有较高的测量精度及良好的长期稳定性。

混凝土坝常用电阻温度计来进行温度监测，内部采用电阻作为感温元件，根据电阻值随温度而变化的规律来测量温度。岩土工程安全监测中常用的电阻温度计包括铜电阻温度计或热敏电阻温度计。

铜电阻或热敏电阻温度计都是结构简单、成果直观的监测仪器，如何选择合适的温度计进行混凝土温度监测，往往困惑着相关技术人员。部分科研人员认为铜电阻温度计长期稳定性要优于热敏电阻温度计，但未给出充分的理由。笔者从两种温度计的原理、结构、测量、绝缘度影响等方面进行深入分析，得到的研究成果可供监测设计、工程管理单位相关人员参考。

1 概述

1.1 原理

1.1.1 铜电阻温度计

铜电阻温度计主要由三部分组成：电阻线圈、外壳及电缆，其引出电缆为四芯水工电缆，温度计结构及电气如图1所示。

图1中的绕制铜丝采用高强度漆包线按一定工艺绕制而成，形成感温电阻，温度计用紫铜管作为外壳，与引出电缆密封。

铜电阻温度计测量原理是：在一定的温度范围内铜丝电阻与温度成线性关系，当温度计所在环境的温度变化时，其电阻值同步变化，式（1）为温度与电阻的换算公式。

式中：

T——测量点的温度，℃；Rt——实测电阻值，Ω；

R0——0℃电阻值，R0=46.60 Ω；

α——温度系数，α=5℃/Ω。

1.1.2 热敏电阻温度计

热敏电阻温度计也称半导体温度计、数字温度计，核心元件采用半导体热敏电阻。热敏电阻是一种阻值随温度改变显著的敏感元件。在工作温度测量范围内，正温度系数（Positive Temperature Coefficient，简称PTC）热敏电阻的阻值随温度升高而增加，负温度系数（Negative Temperature Coefficient，简称NTC）热敏电阻的阻值随温度升高而降低。通过测量感温元件的电阻值，代入公式，计算相应的温度值。

岩土工程中常用阻值为3 kΩ（25℃时）的负温度系数热敏电阻温度计，温度计引出两芯屏蔽电缆，采用振弦式检测仪读数，仪表内部按式（2）将电阻值换算为温度[5]，直接显示温度，不需要用户再次换算。

式中：

T——测量点的温度，℃；

R——实测电阻值，Ω；

lnR——实测电阻值的自然对数；

A、B、C——厂家提供的计算系数。

根据式（2）绘制热敏电阻与温度的关系曲线，如图2所示。从图2可以看出，随着温度升高，阻值降低。

图2 温度与阻值关系曲线Fig.2 Relationship between temperature and resistance

1.2 国家标准

铜电阻温度计有国家标准，热敏电阻温度计没有相应标准。2009年2月，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会发布了《大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计》的国家标准[6]，标准中对铜电阻温度计的工作环境、规格参数、长期稳定性、时间常数、检验方法、绝缘性能等做出了规定，水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心将此标准作为生产许可证检验的依据，对进入水利水电工程的铜电阻温度计进行监督管理。目前为止，热敏电阻温度计没有相关方面的标准，也没有相应的生产许可证，在岩土工程中的应用管理还有待完善。

1.3 技术指标

从两种仪器的技术指标看，都能满足大坝温度监测的需要，此时监测仪器的选型更应注重其长期稳定性。

热敏电阻温度计在量程、分辨率上要优于铜电阻温度计。热敏电阻温度计的测量范围为-50～150℃[5]，电阻变幅在525.4～53 100 Ω，在三峡茅坪溪防护大坝一期工程沥青混凝土心墙的温度监测中就有应用[7]。铜电阻温度计的测量范围为-30～70℃，电阻值变幅在40.6～60.6 Ω。在整个温度测量范围内，热敏电阻的阻值变幅要远比铜电阻温度计大，表明其温度测量的分辨率要高于铜电阻温度计，即其温度灵敏度要高。两者参数对比见表1。

表1 铜电阻与热敏电阻温度计参数对比Table 1 Comparison between the parameters of copper resistance thermometer and thermistor thermometer

2 测量比较

2.1 电缆芯线电阻的影响

20世纪90年代前，由于测量技术的限制，芯线电阻及偏差对温度测量影响较大。铜电阻温度计的温度测量范围为-30～70℃，相应阻值变化范围在40.6～60.6 Ω之内，按照每100 m电缆（4×0.75 mm2）的电阻值1.5 Ω计[1]，温度计的温度系数为5℃/Ω，对温度测量带来的误差已经远超温度计的测量精度。采用四芯测法和三芯测法来消除电缆阻值的影响，接长的电缆长度还是有一定限制，尤其是电缆芯线电阻随时间的变化使传统的四芯测法和三芯测法不能完全消除电缆阻值影响，从而对监测资料的长期稳定性产生影响。

20世纪90年代后，铜电阻温度计采用四芯引出电缆，并采用恒流源和高阻抗等测量方法，解决了仪器电缆及长距离测量影响，完全消除了芯线电阻及偏差对电阻测值的影响。

热敏电阻温度计阻值变化范围在525.4～53100 Ω之间，相比之下，电缆芯线电阻较小，一般没有采取措施消除电缆芯线电阻对温度成果的影响。由式（2）可得，当温度在25～45℃时，每41～171 Ω电阻将带来1℃的影响。当温度计加长电缆在200 m以上时，按照每100 m电缆（2×0.35 mm2）的电阻值6 Ω计，测量电路中芯线电阻将大于24 Ω，带来温度测量误差约0.5℃，已经接近于温度计的测量精度，当加长电缆更长时，带来的误差更不可忽视。此时的解决方法是与铜电阻温度计一样，改用四芯引出电缆，测量出电缆芯线电阻，在计算温度时，扣除这部分的影响。

2.2 绝缘度的要求

热敏电阻温度计对绝缘度的要求要高于铜电阻温度计。铜电阻温度计与热敏电阻温度计本身的绝缘度在生产时都可以做得很好，现场埋设后，温度计及电缆长年在潮湿、高压的环境下，加之传感器封装、电缆质量、接头工艺及外界破坏等[8]原因，测量线路对大地的绝缘电阻将不可避免地逐步降低。绝缘度降低，相当于在温度电阻的测量回路上并联了一个绝缘电阻，热敏电阻温度计的电阻要比铜电阻温度计大得多，更易造成测值失真甚至失效。钢弦式仪器测温传感器一般是热敏电阻温度计，这也是钢弦式仪器频率测读正常、温度测量失效的原因之一。

绝缘电阻r对温度电阻R的影响说明如下：

当测量电路中芯线间绝缘度降低，可以看作温度电阻R并联一个绝缘电阻r，电气原理如图3所示，实测温度电阻计算公式如式（3）所示。

式中：

r——芯线绝缘电阻，Ω；

R——真实的温度电阻，Ω；

Rt——实测温度电阻，Ω。

图3 绝缘度降低时的简化电路Fig.3 Simplified circuit as the insulation decreased

一般来说绝缘电阻r远大于温度电阻R，如当r=∞时，Rt将等于R，真实反映温度电阻的变化；当芯线之间绝缘度降低，即r逐渐变小时，温度电阻测值Rt受线芯电阻影响越大，且越来越小于真实电阻，从而影响到温度测量成果。

电缆芯线绝缘度降低对铜电阻温度计温度成果的影响要小于热敏电阻。铜电阻温度计电阻变幅在40.6～60.6 Ω，热敏电阻温度计的电阻变幅在525.4～53 100 Ω。表2为当真实温度为25℃，电缆芯线的绝缘电阻从50 MΩ降低到1 MΩ、0.1 MΩ、0.01 MΩ和0.001 MΩ时，代入（3）式计算的温度值。随着绝缘电阻的变小，热敏电阻温度计温度测量误差逐步变大，当绝缘电阻小于0.1 MΩ，温度偏差为0.683℃，已经大于温度计测量精度（±0.5℃[5]）；当绝缘电阻小于0.001 MΩ时，温度值已经为59.852℃，温度值已经完全不可信。同样，随着绝缘电阻的变小，铜电阻温度计的测量温度逐步变小，当绝缘电阻为0.1 MΩ时，温度偏差为-0.133℃，铜电阻温度计的测量精度为±0.3℃，此时仍满足精度要求；当绝缘电阻为0.01 MΩ和0.001 MΩ时，温度偏差分别为-1.324℃和-12.660℃，已经超过温度计测量误差。大坝安全监测仪器报废标准中指出，当差动电阻式仪器的绝缘度小于0.1 MΩ时就具备报废条件[9]，从以上分析来看，对于铜电阻温度计的要求可以适当放宽。

为进一步直观显示绝缘电阻与温度偏差的关系，绘制两者的相关图如图4所示，图中明显可以看出，尤其是当绝缘电阻小于0.01 MΩ时，对热敏电阻的温度测量影响要远大于铜电阻温度计。

图4 不同绝缘电阻对两种温度计温度偏差的影响Fig.4 Influence of different insulation resistances on temperature deviation for the two thermometers

3 工程应用

铜电阻温度计的长期应用实例在相关文献中有不少，相对比热敏电阻温度计要多。这里简述浙江里石门水库大坝应用情况。里石门水库位于浙江省天台县境内始丰溪上，拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高74.3 m，1974年2月开始浇筑混凝土，1978年3月底开始蓄水。坝内共埋设35支铜电阻温度计，经过28年的运行，到2003年仍有24支正常运行，占69%，测值可靠[10]，典型观测成果如图5所示，表明铜电阻温度计能在水工环境中长期使用，具有良好的长期稳定性。

表2 绝缘电阻对两种温度计的影响Table 2 Influence of insulation resistances on the two thermometers

图5 铜电阻温度计长期观测成果Fig.5 Long-term monitoring data by copper resistance thermometer

4 结论与展望

铜电阻与热敏电阻温度计是岩土工程安全监测中常见的温度监测仪器，长期应用中前者有明显优势。铜电阻温度计内部的阻抗远低于热敏电阻温度计，温度测量受绝缘度影响相对要小，因此更适于在水工环境下长期运行。

热敏电阻温度计的分辨力高、量程大，能较好地适应高温监测。热敏电阻温度计的阻抗大，要求的绝缘电阻较高，当绝缘电阻小于0.1 MΩ时，测值将严重失真。当热敏电阻温度计加长的电缆超过200 m时，电缆芯线电阻的影响将超过标称精度，此时应采取相应措施消除电缆芯线电阻对成果的影响。■

[1]SL 601-2013,混凝土坝安全监测技术规范[S].

[2]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国水利水电出版社,2012.

[3]段绍辉,张晨,胡书红.拱坝混凝土施工期温度自动化监控系统研究与应用[J].大坝与安全,2015(5)：8-12.

[4]张冀,蔡明,邓海龙.大朝山大坝温度监测资料分析[J].大坝与安全,2013(1)：25-28.

[5]BGK-3700温度计安装使用手册[M].基康仪器(北京)有限公司.

[6]GB/T 3413-2008,大坝监测仪器埋入式铜电阻温度计[S].

[7]谭恺炎.沥青混凝土高温监测仪器率定试验及仪器埋设[J].中国三峡建设,2000(1)：134-36.

[8]刘敏飞.已埋设差动电阻式传感器的鉴定[J].大坝与安全, 2005(5)：53-57.

[9]SL621-2003,大坝安全监测仪器报废标准[S].

[10]周克明,钟再相.里石门拱坝观测资料分析[J].水利水文自动化,2004(9)：22-25.

国家能源局加强水能资源利用管理促水能有效利用

据新华网6月8日，由国家能源局组织编制的《水能利用率计算导则》《水能利用监测与发布管理办法》和《流域梯级工程特性及运行情况资料报表（试行）》对外发布，旨在通过科学界定、规范水能利用标准，建立健全水能利用监测体系和信息发布制度，指导水电站水能利用情况分析及统计工作，加强水能资源利用管理，推动水能有效利用。

《水能利用监测与发布管理办法》（以下简称《办法》）适用于主要河流梯级水电站和国家核准建设水电站的水能利用监测和发布，其他水电站可参照执行。《办法》明确了数据监测与获取、数据管理、信息发布等方面的工作内容，要求纳入管理的水电站以单个水电站为单元，按照国家可再生能源信息管理中心的相关要求提供电站基础数据和满足质量、精度要求的实时运行数据。国家可再生能源信息管理中心对电站实时运行监测数据进行监测、归集、整理，开展水能利用指标计算与统计分析工作，并提出年度水能利用情况分析报告，根据国家能源局授权发布水能利用情况有关成果。水能利用情况实行定期发布制度，包括按月、按年进行发布。

《水能利用率计算导则》则通过对于水电站弃水原因分类、弃水电量计算及水量与水能利用率指标的界定，加强水能资源利用管理，促进水电站运行效率提升。

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

国家重点研发计划“水资源高效开发利用”——长距离复杂调水工程长效安全运行保障技术与示范（2016YFC0401809）

周彪（1983-），男，湖北荆州人，工程师，长期从事水利信息化建设与管理工作。

作者邮箱：13929581997@139.com