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基于虚拟仪器技术构建冻土测温系统
田辉* 刘卫星
摘要:针对哈大铁路客运专线的实际情况,为缓解施工周期短、工期要求紧的矛盾,进行冬期施工是非常必要的。从保证混凝土工程全面质量出发,对施工过程以及环境温度变化进行温度监测是非常重要的。本文以冬期施工钻孔灌注桩混凝土温度测试研究为背景,为了解土壤温度变化情况,利用虚拟仪器技术构建了冻土测温系统,并利用该测温系统对不同深度的土壤温度的变化情况进行了整个冬季的连续观测。
关键词:客运专线;冬期施工;虚拟仪器;LabVIEW;测温系统
1 引言
针对哈大铁路客运专线的实际情况,为缓解施工周期短、工期要求紧的矛盾,因此必须制定相应的冬期施工质量保证措施,延长施工周期。从保证混凝土工程全面质量出发,对施工过程以及环境温度变化进行温度监测是非常重要的。
从原理上讲,测温仪器基本上由三部分组成:传感器,测温电路,数据显示或记录。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物,通过虚拟仪器应用软件将计算机与标准化虚拟仪器硬件结合起来,以达到自动测试与分析的目的,并能实现高速、实时、无人值守的数据采集及记录。
正是由于虚拟仪器在测量和测试方面的巨大优势,因此采用先进的虚拟仪器技术来搭建简便高效的测温系统。在该测温系统中,选用Pt100热敏铂电阻作为温度传感器,选用研华的ADAM-4015作为温度采集模块,选用研华的ADAM-4561作为数据传输通信模块,软件采用美国国家仪器公司的图形化编程软件LabVIEW ,利用OPC Server作为数据交换服务软件,配以高性能的计算机,实现温度的自动采集和自动记录,并以数字或温度曲线等多种方式进行数据显示。
整个温度测试系统的原理,系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括Pt100热敏铂电阻温度传感器,研华的ADAM-4015温度采集模块和研华的ADAM-4561(USB to 232/485串行通信模块)。软件部分采用美台,通过OPC Server完成对温度信号的采集、数据分析和显示。本系统结果显示形象直观,操作方便,并且通过修改软件还可以容易地扩展功能。
2 硬件系统
温度传感器的选择
温度传感器选用Pt100热敏铂电阻,其在O℃时具有100欧姆的标准阻值,且电阻值随温度的变化而变化。这样,可以通过测量电阻值就可以反映出热敏电阻所在位置的温度及变化。本系统利用研华的ADAM-4015温度采集模块的功能,采用的是直接测量法。
根据测试的需要,在土壤中不同深度处埋设Pt100热敏铂电阻温度传感器,用以观测不同深度处土壤温度随时间的变化情况。温度传感器埋设布置图如图所示。
图土壤温度测试传感器布置图
温度信号采集模块
温度信号采集选用研华的ADAM-4015热电阻测量模块,它是16位A/D、6通道的热电阻输入测量模块。它为所有通道都提供了可编程的输入范围,同时具有断线检测功能。本系统采用Modbus通信协议与OPC Server进行数据通信。波特率可在1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200中选择,传输距离为1200m;信号光电隔离,隔离电压大于2500V;具有过压、过流、突波、隔离、雷击保护功能;使用10~30V直流电源;。
ADAM-4015热电阻输入模块主要性能指标如下:
通道:六通道差分输入
热电阻类型:Pt100,Pt1000,BALCO500,Ni
温度范围:Pt100:-50~150℃,0~100℃,0~200℃,0~400℃,-200~200℃
IEC RTD 100欧姆(a=) JIS RTD 100欧姆(a=)
采样速率:10采样点/秒(所有通道)
输入阻抗:10兆欧
精度:+/-%或更高
本测温系统中,ADAM-4015热电阻输入模块与温度传感器(Pt100热敏铂电阻)的连接采用三线制。
ADAM-4015热电阻输入模块与上位机和通信模块的连接控制线如图所示。
图 ADAM-4015模块通信连接控制接线图
温度数据传输通信模块
ADAM-4561是一款隔离端口转换器,它可以让PC用户将串行设备连接到使用USB接口的系统中。将ADAM-4561连接到PC后,您无须再打开机箱或关掉PC电源来安装集线器,您立即可以得到一个或两个额外的高速RS-232/422/485端口。ADAM-4561的电源来自USB端口,无须使用电源适配器。
ADAM-4561通信模块主要性能指标如下:
与USB
支持RS-232/422/485端口
Kbps
提供3000 V D