基于虛擬儀器技術構建凍土測溫系統

王曉寧

(中鐵上海設計院集團有限公司,200070,上海∥工程師)

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,必須制定相應的冬期施工質量保證措施,延長施工周期。從保證混凝土工程全面質量出發,對施工過程以及環境溫度變化進行溫度監測是非常重要的。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,利用虛擬儀器技術構建了凍土測溫系統,并利用該測溫系統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觀測。

1 測溫系統原理

從原理上講,測溫儀器基本上由傳感器、測溫電路、數據顯示或記錄三部分組成。傳統的測溫儀器為節約成本,僅提供數據顯示,測溫時必須手工記錄溫度數據。隨著計算機技術的發展,虛擬儀器技術正成為測量與控制領域的重要應用工具。虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術綜合集成的產物,通過虛擬儀器應用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結合起來,從而實現傳統儀器功能的軟件化與模塊化,以達到自動測試與分析的目的,并能實現高速、實時、無人值守的數據采集及記錄。

正是由于虛擬儀器在測量和測試方面的巨大優勢,因此采用先進的虛擬儀器技術來搭建簡便高效的測溫系統。在該測溫系統中,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作為數據傳輸通信模塊;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作為數據交換服務軟件,配以高性能的計算機,實現溫度的自動采集和自動記錄,并以數字或溫度曲線等多種方式進行數據顯示。該系統結構簡單,測試精度高,溫度測試通道可隨意擴展,充分利用了虛擬儀器在數據采集、分析、存儲方面的優點,具有較強的實用性。

整個溫度測試系統的原理如圖1所示,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、數據分析和顯示。本系統結果顯示形象直觀,操作方便,并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能。

圖1 溫度測試系統結構框圖

2 硬件系統

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0℃時具有100 Ω的標準阻值,且電阻值隨溫度的變化而變化。這樣,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。電阻的測量主要有如下兩種:(1)直接測量法——采用電橋電路直接測量電阻值,目前常采用三線或四線連接法。商用測溫儀采用的就是這種方法。(2)間接測量法——先直接測量熱敏電阻兩端的電壓和流過它的電流,再根據歐姆定律算出熱敏電阻的阻值。本系統利用研華的ADAM-4015溫度采集模塊的功能,采用的是直接測量法。

根據測試的需要,在土壤中不同深度處埋設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。溫度傳感器埋設布置圖如圖2所示。

圖2 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,可以采集二線制和三線制熱電阻輸入信號。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。模塊在出廠時均經過校準,一般不需用戶再進行校準。與上位機采用 RS-485通信,通信協議既支持研華的ASCII協議,也支持Modbus協議。本系統采用 Modbus通信協議與OPC Server進行數據通信。該模塊的波特率可在1 200,2 400,4 800,9 600,19 200,38 400,57 600,115 200中選擇,傳輸距離為1 200 m;信號光電隔離,隔離電壓大于2 500 V;具有過壓、過流、突波、隔離、雷擊保護功能;使用 10～30 V直流電源;電源功耗為1.5 W;具有數據CRC(循環冗余檢驗)校驗能力;具有看門狗電路。其外形和接口如圖3所示。

圖3 研華ADAM-4015熱電阻輸入模塊示意圖

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,BALCO 500,Ni;

3)溫度范圍(Pt100)——-50～150 ℃,0～100℃,0～200℃,0～400℃,-200～200℃;

4)IEC RTD — —100 Ω(a=0.003 85)JIS RTD 100 Ω(a=0.003 92);

5)采樣速率——10采樣點/s(所有通道);

6)輸入阻抗——10 M Ω;

7)精度——±0.1%或更高。

本測溫系統中,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,如圖4所示。

圖4 ADAM-4015三線制熱電阻接線方法

ADAM-4015熱電阻輸入模塊同上位機和通信模塊的連接控制線如圖5所示。

圖5 ADAM-4015模塊通信連接控制接線圖

2.3 溫度數據傳輸通信模塊

ADAM-4561是一款隔離端口轉換器,可以讓PC用戶將串行設備連接到使用 USB接口的系統中。將ADAM-4561連接到PC后,無須再打開機箱或關掉PC電源來安裝集線器,可立即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。其外形和接口如圖6所示。

ADAM-4561通信模塊主要性能指標如下:

1)與USB v1.1規格完全兼容;

2)支持RS-232/422/485端口;

3)傳輸速率可達115.2 kbit/s;

4)提供DC 3000 V隔離保護;

5)自動RS-485數據流控制;

6)無須外部電壓,集線器即可從 USB端口驅動;

7)驅動程序支持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。

圖6 研華ADAM-4561通信模塊示意圖

3 軟件系統

在測溫系統的硬件確定后,系統的主要功能還是要靠軟件來實現。軟件正是虛擬儀器測試技術的核心。Labview是由美國國家儀器公司(NI)開發的、優秀的圖形化編程開發平臺,是目前應用范圍最廣、功能最為強大的虛擬儀器開發平臺。它是一種具有創新性的圖形化編程軟件,突破了基于文本的傳統高級語言的框架,使編寫測控程序變得直觀、方便和高效。因此采用Labview開發了整個溫度測試系統,以Labview 8.6為編程開發平臺。為增加軟件的靈活性和提高軟件的整體效率,程序本身采用了如下幾方面的技術。

1)模塊化設計:在該軟件中,系統分4個模塊,即文件配置、數據采集、數據顯示及數據存盤。

2)多線程技術:系統由文件操作以及數據的采集與分析子系統兩個相對獨立的子系統組成。文件操作子系統包括文件的打開、寫入文件數據、關閉文件。數據采集與分析子系統包括:(1)OPC Server通信設置;(2)采集通道配置的設置;(3)溫度數據的采集;(4)溫度的實時顯示;(5)關閉測量任務,清除資源。

由于編程的高度靈活性,該系統被設計為自動采集和自動記錄,無須人工監測。圖7為程序的前面板,圖8為程序的后面板。觀測者設定好“采樣保存間隔時間”,程序運行后,系統會每經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,并自動把溫度數據記錄到數據文件中。

圖7 測溫系統程序前面板

圖8 測溫系統程序后面板

4 實際應用結果

該系統于2008年11月底開始,在哈大鐵路客運專線進行了現場應用,2008年11月底至2009年2月份期間觀測的土壤溫度變化數據見表1所示。測試結果表明,該測溫系統性能可靠,達到了預期的目的。

表1 土壤溫度變化數據表

5 結語

從上述軟硬件系統及測量結果可以看出,以計算機為主控單元、利用虛擬儀器技術構建的凍土測溫系統,具有硬件設計十分簡單、經濟實用、抗干擾性強、可靠性高,以及軟件設計界面友好、編程靈活等特點。通過虛擬儀器技術將計算機硬件、軟件,儀器技術,計算機通信技術完美的結合,實現了自動數據采集、分析、記錄的目的,具有較強的實用性。

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