基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建凍土測溫系統(tǒng)
田輝* 劉衛(wèi)星
摘要：針對哈大鐵路客運專線的實際情況，為緩解施工周期短、工期要求緊的矛盾，進行冬期施工是非常必要的。從保證混凝土工程全面質(zhì)量出發(fā)，對施工過程以及環(huán)境溫度變化進行溫度監(jiān)測是非常重要的。本文以冬期施工鉆孔灌注樁混凝土溫度測試研究為背景，為了解土壤溫度變化情況，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了凍土測溫系統(tǒng)，并利用該測溫系統(tǒng)對不同深度的土壤溫度的變化情況進行了整個冬季的連續(xù)觀測。
關(guān)鍵詞：客運專線；冬期施工；虛擬儀器；LabVIEW；測溫系統(tǒng)
1 引言
針對哈大鐵路客運專線的實際情況，為緩解施工周期短、工期要求緊的矛盾，因此必須制定相應(yīng)的冬期施工質(zhì)量保證措施，延長施工周期。從保證混凝土工程全面質(zhì)量出發(fā)，對施工過程以及環(huán)境溫度變化進行溫度監(jiān)測是非常重要的。
從原理上講，測溫儀器基本上由三部分組成：傳感器，測溫電路，數(shù)據(jù)顯示或記錄。虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機技術(shù)綜合集成的產(chǎn)物，通過虛擬儀器應(yīng)用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，以達到自動測試與分析的目的，并能實現(xiàn)高速、實時、無人值守的數(shù)據(jù)采集及記錄。
正是由于虛擬儀器在測量和測試方面的巨大優(yōu)勢，因此采用先進的虛擬儀器技術(shù)來搭建簡便高效的測溫系統(tǒng)。在該測溫系統(tǒng)中，選用Pt100熱敏鉑電阻作為溫度傳感器，選用研華的ADAM-4015作為溫度采集模塊，選用研華的ADAM-4561作為數(shù)據(jù)傳輸通信模塊，軟件采用美國國家儀器公司的圖形化編程軟件LabVIEW 8.6，利用OPC Server作為數(shù)據(jù)交換服務(wù)軟件，配以高性能的計算機，實現(xiàn)溫度的自動采集和自動記錄，并以數(shù)字或溫度曲線等多種方式進行數(shù)據(jù)顯示。
整個溫度測試系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括Pt100熱敏鉑電阻溫度傳感器，研華的ADAM-4015溫度采集模塊和研華的ADAM-4561（USB to 232/485串行通信模塊）。軟件部分采用美國NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件平臺，通過OPC Server完成對溫度信號的采集、數(shù)據(jù)分析和顯示。本系統(tǒng)結(jié)果顯示形象直觀，操作方便，并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能。
2 硬件系統(tǒng)
2.1 溫度傳感器的選擇
溫度傳感器選用Pt100熱敏鉑電阻，其在O℃時具有100歐姆的標準阻值，且電阻值隨溫度的變化而變化。這樣，可以通過測量電阻值就可以反映出熱敏電阻所在位置的溫度及變化。本系統(tǒng)利用研華的ADAM-4015溫度采集模塊的功能，采用的是直接測量法。
根據(jù)測試的需要，在土壤中不同深度處埋設(shè)Pt100熱敏鉑電阻溫度傳感器，用以觀測不同深度處土壤溫度隨時間的變化情況。溫度傳感器埋設(shè)布置圖如圖所示。
 

 

圖 土壤溫度測試傳感器布置圖
2.2 溫度信號采集模塊
溫度信號采集選用研華的ADAM-4015熱電阻測量模塊，它是16位A/D、6通道的熱電阻輸入測量模塊。它為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，同時具有斷線檢測功能。本系統(tǒng)采用Modbus通信協(xié)議與OPC Server進行數(shù)據(jù)通信。波特率可在1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200中選擇，傳輸距離為1200m；信號光電隔離，隔離電壓大于2500V；具有過壓、過流、突波、隔離、雷擊保護功能；使用10~30V直流電源；電源功耗為1.5W。
ADAM-4015熱電阻輸入模塊主要性能指標如下：
1) 通道：六通道差分輸入
2) 熱電阻類型：Pt100，Pt1000，BALCO500，Ni
3) 溫度范圍：Pt100：-50~150℃，0~100℃，0~200℃，0~400℃，-200~200℃
4) IEC RTD 100歐姆（a=0.00385） JIS RTD 100歐姆（a=0.00392）
5) 采樣速率：10采樣點/秒（所有通道）
6) 輸入阻抗：10兆歐
7) 精度：+/-0.1％或更高
本測溫系統(tǒng)中，ADAM-4015熱電阻輸入模塊與溫度傳感器（Pt100熱敏鉑電阻）的連接采用三線制。
ADAM-4015熱電阻輸入模塊與上位機和通信模塊的連接控制線如圖所示。
 

 

2.3 溫度數(shù)據(jù)傳輸通信模塊
ADAM-4561是一款隔離端口轉(zhuǎn)換器，它可以讓PC用戶將串行設(shè)備連接到使用USB接口的系統(tǒng)中。將ADAM-4561連接到PC后，您無須再打開機箱或關(guān)掉PC電源來安裝集線器，您立即可以得到一個或兩個額外的高速RS-232/422/485端口。ADAM-4561的電源來自USB端口，無須使用電源適配器。
ADAM-4561通信模塊主要性能指標如下：
1) 與USB v1.1規(guī)格完全兼容
2) 支持RS-232/422/485端口
3) 傳輸速率可達115.2 Kbps
4) 提供3000 V DC隔離保護
5) 自動RS-485數(shù)據(jù)流控制
6) 無須外部電壓，集線器即可從USB端口驅(qū)動
7) 驅(qū)動程序支持：Widows 98/ME/2000/XP, Linux
8) 即插即用
9) 無須額外的IRQ或I/O端口
10) 支持熱插拔功能
3 軟件系統(tǒng)
在測溫系統(tǒng)的硬件確定后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實現(xiàn)，而軟件正是虛擬儀器測試技術(shù)的核心。采用LabVIEW 開發(fā)了整個溫度測試系統(tǒng)，以LabVIEW 8.6為編程開發(fā)平臺，為增加軟件的靈活性和提高軟件的整體效率，程序本身采用如下方面的技術(shù)。
3.1 模塊化設(shè)計
在該軟件中，系統(tǒng)分4個模塊，即:文件配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存盤。
3.2 多線程技術(shù)
系統(tǒng)由兩個相對獨立的子系統(tǒng)組成:文件操作子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的采集與分析子系統(tǒng)。文件操作子系統(tǒng)包括:文件的打開、寫入文件數(shù)據(jù)、關(guān)閉文件。數(shù)據(jù)采集與分析子系統(tǒng)包括:
(1) OPC Server通信設(shè)置；
(2) 采集通道配置的設(shè)置;
(3) 溫度數(shù)據(jù)的采集;
(4) 溫度的實時顯示:
(5) 關(guān)閉測量任務(wù)，清除資源。
由于編程的高度靈活性，該系統(tǒng)被設(shè)計為自動采集和自動記錄，而無須人工監(jiān)測。觀測者設(shè)定好"采樣保存間隔時間"，程序運行后，系統(tǒng)會每經(jīng)歷一個時間間隔就進行一次采樣，送到“溫度實時趨勢圖”中去顯示，并自動把溫度數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中。
4 實際應(yīng)用結(jié)果
該系統(tǒng)于2008年11月底開始，在哈大鐵路客運專線進行了現(xiàn)場應(yīng)用，2008年11月底至2009年2月份期間觀測的土壤溫度變化數(shù)據(jù)見表1所示。測試結(jié)果表明，該測溫系統(tǒng)性能可靠，達到了預(yù)期的目的。

5 結(jié)束語
從上述軟硬件系統(tǒng)及測量結(jié)果可以看出，以計算機為主控單元，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的凍土測溫系統(tǒng)具有硬件設(shè)計十分簡單、經(jīng)濟實用、抗干擾性強、可靠性高；軟件設(shè)計界面友好，編程靈活等特點。通過虛擬儀器技術(shù)將計算機硬件、軟件，儀器技術(shù)，計算機通信技術(shù)完美的結(jié)合，實現(xiàn)了自動數(shù)據(jù)采集、分析、記錄的目的，具有較強的實用性。

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