CN101750167A - 结冰温度传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种结冰温度传感器及其测量方法，适用于不同压力条件下对不同土体结冰温度进行定点测量。其装置主要由绝缘端子、铜片、铜导线、热敏电阻、热敏电阻引出线、参比电阻和直流电压源构成，铜导线将直流电压源、参比电阻、铜片串联在一起。将结冰温度传感器探头置于待测位置，通过数据采集器与铜导线和热敏电阻引出线相连，实时测量土体内待测点的分压值和温度。该传感器结构简单，成本低，操作简便，数据精确、稳定可靠。

Description

结冰温度传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及结冰温度传感器及其测量方法，尤其适用于不同土质、不同含水量在不同压力条件下对不同土体结冰温度进行定点测量。

背景技术

深厚表土层中的矿井井筒主要采用人工冻结法施工，作为建设井筒期间临时支护的冻结壁，其厚度是冻结法设计与保障工程安全的主要指标。目前仍以0℃面作为冻结壁界面的判据。工程实测发现，冻结壁界面的结冰温度低于0℃，这导致冻结壁实际厚度减小。为了保障冻结法施工安全，正确的设计与准确的判定冻结壁厚度，获得不同条件下土体的实际结冰温度十分必要。同时，结冰温度也是不同土质、不同含水量的土体在不同压力条件下的室内外冻胀特性研究的前提和基础。

测量土体结冰温度的技术关键是如何判定待测点结冰并测出其温度。目前，国内外对土体结冰温度进行定点测量的传感器装置很少。国内外土体结冰温度测量技术主要有两类，一类是应用土体结冰时电阻率突变的原理判定待测点结冰，用铜-康铜热电偶测温度。该方法的优点是操作简单、迅速，缺点是土体结冰后的电阻率达到几百万欧姆，这个数量级的电阻率测量误差很大，另一方面铜-康铜热电偶的测温精度也达不到测量结冰温度的要求；另一类方法是应用过冷原理来判定结冰温度。该方法的优点是数据可靠，缺点是操作复杂，过冷现象只有在适宜的设备结构尺寸和参数下才能产生。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种操作简单，数据可靠的结冰温度传感器测量装置及方法。

技术方案：本发明的结冰温度传感器包括由绝缘端子、两个铜片和热敏电阻构成的结冰温度传感器探头，其中：两个铜片对称固定在绝缘端子上，热敏电阻设在两个铜片之间，热敏电阻上设有与数据采集器相连的热敏电阻引出线，两个铜片上分别设有与数据采集器相连的铜导线，并分别设有将两个铜片串联在一起的铜导线，铜导线上分别串联有参比电阻和直流电压源。

所述的参比电阻为10MΩ；直流电压源为10V。

本发明结冰温度传感器的测量方法：

a、将结冰温度传感器探头置于土体内待测位置；

b、将铜导线、热敏电阻引出线分别连接到数据采集器；

c、打开10V直流电压源，使经铜导线串联的结冰温度传感器探头、10MΩ参比电阻和10V直流电压源形成闭合回路；

d、打开数据采集器，通过铜导线和热敏电阻引出线实时测量土体内待测点的分压值和温度；

e、随着土体内待测点温度的降低，土体内待测点的分压值不断增大，待测点结冰时，其分压值产生突变，该突变点对应的温度即为土体内待测点的结冰温度。

有益效果：

1.根据土体冻结前后呈现的不同导电特性，通过串联10V直流电压源和10MΩ参比电阻，可以测量待测点的分压值，比直接测量电阻率更加精确，更可靠。

2.操作简单，相对于过冷原理测量结冰温度对实验设备结构尺寸和参数的严格要求，该传感器结构简单，成本低，数据稳定可靠。

3.采用热敏电阻测量温度，精度可以达到±0.1％，相对于热电偶测温的方法，其测量结果更加精确。

附图说明

图1是本发明的整体结构俯视图；

图2是本发明土体内待测点的分压值随温度变化曲线示意图。

图中：绝缘端子-1，铜片-2，铜导线-3，铜导线-4，热敏电阻-5，热敏电阻引出线-6，10MΩ参比电阻-7，10V直流电压源-8，结冰温度传感器探头-9。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

图1所示，结冰温度传感器主要由绝缘端子1，固定在绝缘端子1上的铜片2，焊接在铜片2上的铜导线3、4固定在绝缘端子1之上，铜片2之间的热敏电阻5，热敏电阻引出线6，10MΩ参比电阻7，10V直流电压源8组成；绝缘端子1、铜片2、热敏电阻5共同构成结冰温度传感器探头9，结冰温度传感器探头9中的两个铜片2对称焊接在绝缘端子1上，热敏电阻5固定在两个铜片2之间，热敏电阻5上焊接与数据采集器相连的热敏电阻引出线6，两个铜片2上分别焊接与数据采集器相连的铜导线4，并分别焊接将两个铜片2串联在一起的铜导线3，铜导线3上分别串联10MΩ的参比电阻7和10V的直流电压源8。

结冰温度传感器的测量方法：将由绝缘端子1、两个铜片2和热敏电阻5构成的结冰温度传感器探头9置于土体内待测位置；然后将铜导线4、热敏电阻引出线6分别连接数据采集器；通过土体内的水分将铜片2、10MΩ参比电阻7、10V直流电压源8连通，形成闭合回路。然后打开数据采集器，通过铜导线4和热敏电阻引出线6实时测量土体内待测点的分压值和温度。随着土体内待测点温度的降低，土体内待测点的分压值不断增大，待测点结冰时，其分压值产生突变，该突变点A对应的温度即为土体内待测点的结冰温度，如所图2所示。

由于土体内铜片2之间待测点的电阻不同，则该点在闭合回路中分担的电压值不同。土体内待测点的分压值与电阻值之间的关系如下：

U_x＝10R_x/(R_x+1.0×10⁷)    (1)

式中：U_x为土体内待测点的分压值，伏(V)；

R_x为土体内待测点的电阻值，欧姆(Ω)。

当某一时刻，土体内待测点结冰时(即该点相态由水相变为冰)，则土体内待测点的电阻值R_x突然增大(因为冰的电阻率远大于水的电阻率)。由于土体内待测点的电阻值R_x突然增大，由上述公式(1)可知，土体内待测点的分压值U_x也随之突然增大，与此同时，热敏电阻5记录了该时刻土体内待测点的温度T₁，温度T₁即为土体内待测点的结冰温度。土体内待测点的分压值U_x随该点温度T的变化曲线示意图如图2所示。

Claims (3)

1.一种结冰温度传感器，其特征在于：它包括由绝缘端子(1)、两个铜片(2)和热敏电阻(5)构成的结冰温度传感器探头(9)，其中：两个铜片(2)对称固定在绝缘端子(1)上，热敏电阻(5)设在两个铜片(2)之间，热敏电阻(5)上设有与数据采集器相连的热敏电阻引出线(6)，两个铜片(2)上分别设有与数据采集器相连的铜导线(4)，并分别设有将两个铜片(2)串联在一起的铜导线(3)，铜导线(3)上分别串联有参比电阻(7)和直流电压源(8)。

2.根据权利要求1所述的结冰温度传感器，其特征在于：所述的参比电阻(7)为10MΩ；直流电压源(8)为10V。

3.一种如权利要求1所述结冰温度传感器的测量方法，其特征在于：

a、将结冰温度传感器探头(9)置于土体内待测位置；

b、将铜导线(4)、热敏电阻引出线(6)分别连接到数据采集器；

c、打开10V直流电压源(8)，使经铜导线(3)串联的结冰温度传感器探头(9)、10MΩ参比电阻(7)和10V直流电压源(8)形成闭合回路；

d、打开数据采集器，通过铜导线(4)和热敏电阻引出线(6)实时测量土体内待测点的分压值和温度；

e、随着土体内待测点温度的降低，土体内待测点的分压值不断增大，待测点结冰时，其分压值产生突变，该突变点(A)对应的温度即为土体内待测点的结冰温度。

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