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1、大体积混凝土冷却通水数据自动化采集系统研制与应用谭恺炎 1 陈军琪 1 马金刚 2 鄢江平 21 葛洲坝集团试验检测有限公司 2 葛洲坝集团第二工程有限公司摘要：研制混凝土冷却通水流量、温度传感器以及自动化采集系统，并应用于锦屏 水电站混凝土大坝，实现了对混凝土冷却通水的流量和水温进行自动测试和数据 传输，具有适应恶劣环境条件、测量精度高、省时省力、反馈迅速、节约成本、 节水等特点，系统具有通水计划辅助设计功能，可为调整混凝土温控措施提供及 时准确的依据，有效保证混凝土工程质量和进度；该系统是水利水电工程施工信 息化的重要组成部分，也是我国水利信息化的必要手段，将对我国水电工程建设 和节水事业
2、的发展产生深远的影响。关键词：冷却通水 信息化 传感器 采集系统 通水计划1 前言为防止大体积混凝土产生温度裂缝，在混凝土施工中需要对其温度和温差进 行控制与调节。混凝土温度控制措施一般有：降低热源，缩小温差。如选用低 热或中热水泥、搭盖骨料凉棚、加高成品料堆、从廊道取料、降低原材料温度、 水冷或风冷骨料、加冰或加冷水拌和、缩短运输时间并加遮阳措施、仓面喷雾、 用以防范外界高气温影响等。进行表面防护。延期脱模或脱模后覆盖防护材料， 以防因气温骤降造成冷击。强迫冷却。可在坝块内部埋设冷却水管，通水冷却， 削减温峰，迫使提前达到稳定温度。冷却通水作为大体积混凝土温控的重要措施， 可以快速降低混凝土
3、内部温度，调节混凝土温度在时空上的分布，有效控制混凝 土裂缝，但同时也是一把双刃剑，如果控制不好，不但不能控制混凝土裂缝，反 而会使混凝土受到冷击而损害混凝土结构。随着混凝土施工质量要求越来越高，冷却通水技术得到不断发展。通过对混 凝土浇筑的初期、中期和后期过程中混凝土不同龄期水化热的发展特点、不同季 节内外温差的不同要求以及混凝土块体间接缝灌浆施工的温度需要，在通水冷却 过程中，需根据坝体内混凝土温度变化情况，采取个性化通水方法，减小混凝土 内的拉应力，达到防止混凝土出现裂缝的目的。个性化通水需要对流量和温度进 行及时、准确的测试，以便达到最佳控制效果；另一方面，随着一批高坝大库的 开工建设
4、，工程施工条件越来越复杂，尤其在一些大型、特大型工程施工中，机 械化、立体化施工环境中由人工开展冷却通水工作的风险加大，开展混凝土冷却 通水数据自动化采集系统研究与应用将有利于提高效率、降低安全风险，也是水 利水电工程施工信息化建设的需要。2 系统设计混凝土冷却通水参数一般包括流量、进水温度、出水温度、气温、混凝土温 度，其中混凝土温度可采用水管闷温资料间接获得，也有采用埋入式温度计或测 温管直接测试。现有技术对于流量测试一般采用超声波流量计、水表等仪表进行 测试，或者直接采用容积法进行测试，也有利用供水系统总流量平均分配进行支 管流量计算的；对于温度测试则采用便携式温度计如玻璃温度计、电子温
5、度计、 非接触式测温仪（如红外激光测温仪）等进行测试，但上述方法和手段均存在测 试误差大、效率低等缺点，对于个性化通水技术而言，很难做到及时准确的采集 实测数据，也就不易做到实时的真正意义上的个性化通水。所以设计一套混凝土 冷却通水数据的自动化采集系统对于实现个性化通水具有重要的现实意义。通过大量比选分析和试验研究，设计出一套混凝土冷却通水数据自动化采集 系统1，它包括安装在每组冷却水管进水管和出水管的遥测温度计、安装在每组 冷却水管上的遥测流量计以及智能数据采集仪，采集遥测温度计和遥测流量计的 数据并存储和显示，并能将采集的数据通过 GPRS 或局域网上传至数据库服务 器，可增加2 个温度测
6、试通道实现对气温和混凝土温度的同步采集。通过传感器 内部的编码模块自动识别冷却水管的位置信息，实现了对混凝土冷却通水的流量 和水温进行自动测试和数据传输，解决了人工测试记录需要耗费大量人工、信息 反馈慢且精度不高的缺点，省时省力、测量精度高且反馈迅速，能及时调整混凝 土温控措施、避免混凝土裂缝，实现及时调整混凝土施工措施、保证工程质量和 进度。几种常用的冷却通水数据采集测试系统对照情况详见表 1。表 1 几种冷却通水数据测试系统特征对照情况表测试仪器测试方法特点玻璃温度计打开水管插入温度计测试。易损、损失水量、读数 麻烦、工效低。电子温度计打开水管插入温度计测试。损失水量、工效低。Tab.1
7、Comparison the features of several cooling watering acquisition systems测试参数温度红外激光测温仪人工近距离扫描水管外壁。准确度受环境影响大。超声波流量计仪器与水管接触并耦合测 试。双人操作、准确度低、 工效低。水表打开水管连接水表放水测 试。损失水量、工效低。容积法测量打开水管放水用容量筒测试 体积和时间计算流量。损失水量、工效低。机组自身仪表抄读冷水机组自身流量传感 器数据平均计算各支管流 量。受管路损失影响差异 大。砼冷却通水自动 化采集系统通过一次安装的仪器设备实 现自动采集和数据无线传 输，米样频率可调。精确度高、
8、工效高、成 本低、节水。流量温度、流 量3 系统组成砼冷却通水自动化采集系统由流量传感装置、温度传感装置、智能采集仪、通水数据处理软件四部分组成。系统结构组成见图 1。专利技术：201020250558.2冷却水 主管“固定式温度Fig.l Schematic structural drawing of cooling watering acquisition system其中，流量传感装置由定制的流量传感器、内置温度传感器和连接头组成；温度传感装置由温度计和连接头组成；智能采集仪由流量测量电路、温度测量电路、 PDA 以及内置电源组成；通水数据处理软件由数据库、数据管理、报告生成、图表展示、
9、辅助通水计划五部分组成。3.1 温度传感器选型与装配通常现场多采用便携式温度计直接测试水温，常用的有自显示电子温度计、 红外激光测温仪、玻璃温度计等，其中只有红外激光测温仪是非接触测量，这种 测温方法快捷方便，但由于激光扫描部位通常为水管外壁，与实际水温会有一些 差距，尤其是在阳光直射比较强烈的位置，测温误差较大。其他温度计则需要打 开水管，将温度计直接插入水管中进行测温，这种测温方法操作起来比较麻烦， 需要打开水管，将温度计插入一定时间待其稳定方可读数，对于进水温度测温误 差一般较小，对于出水温度，由于测试位置与被测试水管有一定距离，中间可能 还会有其他出水影响，测温误差较大，有时达到2-3
10、C。而且这种便携式温度计 在现场使用时容易丢失和损坏，需要定期检定，也会给现场应用带来许多不便。 需要寻找一种价格低廉、测温方便且精度满足要求的温度计，目前用于在线测温 的温度计常用的有：电阻温度计，如铜电阻、铂电阻温度计；热敏电阻；热电偶； 半导体温度计；集成电路测温模块等，电阻式温度计性能稳定但价格较高，而且 测温受电路的影响较大。热电偶在水工建筑物中应用存在较多问题，如接线长度 变化问题、低温测试精度问题等。半导体温度计则精度偏低，经过全面综合考虑， 最后选用集成电路测温模块。为了准确测试冷却水管中水的温度，需要将测温模 块进行封装并与水流接触，为此设计了几种测温装置进行对比研究。一是将
11、温度 模块直接绑缚在水管上，外包保温材料进行保温和保护；二是将测温模块封装在 小螺钉中，然后将螺钉通过钻孔固定在金属水管上；三是将测温模块封装在小螺 钉中，然后将螺钉通过钻孔固定在通用标准件三通的闷头上。第一种虽然安装方 便，但测试的仍然是管壁温度，与水温会有一定的差异，而且这种安装也不牢固， 易松脱。后两种基本一致，采用三通方式使温度计对管内水流的影响更小，属于 通用器件也便于获得和安装，所以最后选用三通型测温装置2。3.2 流量传感器选型与研制流量计的种类很多，按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学 原理、光学原理、原子物理学原理等。按照目前最流行、最广泛的分类法，即按 流量计机
12、构原理分有容积式流量计、叶轮式流量计、差压式流量计、变面积式流 量计、动量式流量计、冲量式流量计、电磁流量计、超声波流量计、质量流量计、 流体振荡式流量计等。如何选择一种价格便宜、环境适应性强、结构简单且稳定 性好便于自动采集的传感器，对本项目研究至关重要，经过全面比较，确定选用 叶轮式流量传感器，这种传感器结构简单，通过水流带动叶轮转动，叶轮转动产 生电脉冲信号，通过记录一定时间内的脉冲数获得流量，其流量与该脉冲数的线 性很好，所以测试的稳定性和长期性能比较好；通常采用塑料浇铸成型，由于结 构简单，其费用比较便宜，但该型产品市场上一般都是小口径小流量的，没有适 合于水电工程冷却通水常用口径的
13、产品，需要进行定制，且一般为单向测流型， 在口径加大后对流量测试的准确性有较大影响。通过优化内部结构，使流道双向 对称，保证叶轮的灵活性减少各种流量下的流态稳定3，同时将测温模块加装在 流量传感器中，使流量计同时具备测流量和测温功能，形成一款兼测温度的新型 流量传感器4。3.3 智能采集仪混凝土冷却通水数据智能采集仪5，它由带蓝牙通信模块的便携式数据采集 器和掌上电脑组成，便携式数据采集器和掌上电脑之间通过蓝牙通信模块进行数 据连接。能自动识别冷却水管的位置信息，实现了对混凝土冷却通水的流量和水 温的信号进行采集和数据传输，解决了人工测试记录需要耗费大量人工、信息反 馈慢的缺点，省时省力且反馈
14、迅速，能及时调整混凝土温控措施、避免混凝土裂 缝，实现及时调整混凝土施工措施、保证工程质量和进度。3.4 数据处理系统大坝混凝土冷却通水数据处理系统6主要处理两种数据，一是混凝土内部温 度数据，二是冷却水数据。混凝土内部温度数据，指的是在浇筑时预埋设在坝块 内部的用于观测大坝混凝土内部温度的永久温度计按规定时间间隔所采集的数 据，这些数据可用于指导给坝块通水降温的流量控制。混凝土内部温度数据主要 包括采集时间和温度值。冷却水数据指的是按规定时间间隔采集的冷却水主管的 通水数据，主要包括采集时间、进出水温度和水流量。软件中包含了冷却通水控 制方法和数据分析功能，该模块可以为通水控制管理人员提供数
15、据分析和辅助设 计7，减少通水管理人员的手工计算和抄写。软件系统按 CS 模式设计，采用 VBA 和 SQL 语言编程，是基于 MS Office Access 和 MS SQL Server 的数据处理和分析软件，主要用于大型混凝土工程冷却 通水数据的管理和分析，可以配合大坝混凝土冷却通水数据采集系统工作，也可 以单独使用。软件具有界面简洁友好，操作方便快捷，数据存储可靠，报表采用 灵活的Excel表格，可多用户并行操作，功能易扩展性等优点，同时设计有用户 管理和权限管理模块，可以分配各个操作界面的访问权限，将各个模块的功能分配给指定的人员来录入和操作，有利于系统的管理。软件操作界面参见图 2。葛洲坝集因试验检测有限公司大坝混擬土冷i文件开始力nra罔為勢切4旳复制粘贴写曙它切换箔选 也高级.玄新建虬替换時转至” 查找詞鸞转简 攥简转累 皤简繁转换控制面扳大坝混凝土冷却通水数据处理系统-V2.0基础数据 菽握辰 查耆勺呈cb 逹水淀=一呈 委迸:A A中丈简蹄换8. 78. 7窗体视图2uii-0Y-uh y：uo：oo2011-07-05 21:00:00 8. 92011-07-06 9:00:008.32011-07-06 21:00:00 8. 82011-07-07 9:00:008.62011-07-07 21:00:00
