专利名称：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(TC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ot:，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10MQ ;直流电压源为IOV。
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、10MQ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IOV直流电压源和10MQ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。
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-l，铜片-2，铜导线-3，铜导线-4，热敏电阻-5，热敏电阻引出
线-6， 10MQ参比电阻-7， 10V直流电压源-8，结冰温度传感器探头-9。
具体实施例方式
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， 10MQ参比电阻7， IOV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10MQ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、 10M Q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 Ux = 10RX/(RX+1. 0X107) (1) 式中UX为土体内待测点的分压值，伏(V); R,为土体内待测点的电阻值，欧姆(Q)。 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,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,突然增大，由上述公式(1)可知，土体内待测点的分压值U,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1\，温度1\即为土体内待测点的结冰温度。土 体内待测点的分压值Ux随该点温度T的变化曲线示意图如图2所示。
权利要求
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l所述的结冰温度传感器，其特征在于所述的参比电阻(7)为 10MQ ;直流电压源(8)为IOV。
3. —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)、10MQ参 比电阻(7)和IOV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。
全文摘要
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。
文档编号G01K7/16GK101750167SQ200910262328
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者刘卓典, 周国庆, 周扬, 商翔宇, 梁恒昌, 王承来, 胡坤, 赵光思, 赵晓东, 魏亚志 申请人:中国矿业大学