摘要：針對(duì)哈大鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的實(shí)際情況，為緩解施工周期短、工期要求緊的矛盾，進(jìn)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(duì)施工過(guò)程以及環(huán)境溫度變化進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)是非常重要的。本文以冬期施工鉆孔灌注樁混凝土溫度測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)，并利用該測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)不同深度的土壤溫度的變化情況進(jìn)行了整個(gè)冬季的連續(xù)觀測(cè)。
　　關(guān)鍵詞：客運(yùn)專(zhuān)線論文；冬期施工論文；虛擬儀器；LabVIEW；測(cè)溫系統(tǒng)
　　1引言
　　 針對(duì)哈大鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的實(shí)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(zhǎng)施工周期。從保證混凝土工程全面質(zhì)量出發(fā)，對(duì)施工過(guò)程以及環(huán)境溫度變化進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)是非常重要的。
　　 從原理上講，測(cè)溫儀器基本上由三部分組成：傳感器，測(cè)溫電路，數(shù)據(jù)顯示或記錄。虛擬儀器技術(shù)是測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合集成的產(chǎn)物，通過(guò)虛擬儀器應(yīng)用軟件將計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到自動(dòng)測(cè)試與分析的目的，并能實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)、無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集及記錄。
　　 正是由于虛擬儀器在測(cè)量和測(cè)試方面的巨大優(yōu)勢(shì)，因此采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)來(lái)搭建簡(jiǎn)便高效的測(cè)溫系統(tǒng)。在該測(cè)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(guó)國(guó)家儀器公司的圖形化編程軟件LabVIEW8.6，利用OPCServer作為數(shù)據(jù)交換服務(wù)軟件，配以高性能的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)采集和自動(dòng)記錄，并以數(shù)字或溫度曲線等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。
　　 整個(gè)溫度測(cè)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（USBto232/485串行通信模塊）。軟件部分采用美國(guó)NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)，通過(guò)OPCServer完成對(duì)溫度信號(hào)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(guò)修改軟件還可以容易地?cái)U(kuò)展功能。
　　2硬件系統(tǒng)論文
　　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(shí)具有100歐姆的標(biāo)準(zhǔn)阻值，且電阻值隨溫度的變化而變化。這樣，可以通過(guò)測(cè)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(cè)量法。
　　 根據(jù)測(cè)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(cè)不同深度處土壤溫度隨時(shí)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(cè)試傳感器布置圖
　　2.2溫度信號(hào)采集模塊論文
　　 溫度信號(hào)采集選用研華的ADAM-4015熱電阻測(cè)量模塊，它是16位A/D、6通道的熱電阻輸入測(cè)量模塊。它為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，同時(shí)具有斷線檢測(cè)功能。本系統(tǒng)采用Modbus通信協(xié)議與OPCServer進(jìn)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(hào)光電隔離，隔離電壓大于2500V；具有過(guò)壓、過(guò)流、突波、隔離、雷擊保護(hù)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(biāo)如下：
　　通道：六通道差分輸入
　　熱電阻類(lèi)型：Pt100，Pt1000，BALCO500，Ni
　　溫度范圍：Pt100：-50~150℃，0~100℃，0~200℃，0~400℃，-200~200℃
　　IECRTD100歐姆（a=0.00385）JISRTD100歐姆（a=0.00392）
　　采樣速率：10采樣點(diǎn)/秒（所有通道）
　　輸入阻抗：10兆歐
　　精度：+/-0.1％或更高
　　 本測(cè)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(jī)和通信模塊的連接控制線如圖所示。
　　 
　　 圖ADAM-4015模塊通信連接控制接線圖
　　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(hù)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(wú)須再打開(kāi)機(jī)箱或關(guān)掉PC電源來(lái)安裝集線器，您立即可以得到一個(gè)或兩個(gè)額外的高速RS-232/422/485端口。ADAM-4561的電源來(lái)自USB端口，無(wú)須使用電源適配器。
　　 ADAM-4561通信模塊主要性能指標(biāo)如下：
　　與USBv1.1規(guī)格完全兼容
　　支持RS-232/422/485端口
　　傳輸速率可達(dá)115.2Kbps
　　提供3000VDC隔離保護(hù)
　　自動(dòng)RS-485數(shù)據(jù)流控制
　　無(wú)須外部電壓，集線器即可從USB端口驅(qū)動(dòng)
　　驅(qū)動(dòng)程序支持：Widows98/ME/2000/XP,Linux
　　即插即用
　　無(wú)須額外的IRQ或I/O端口
　　支持熱插拔功能
　　3軟件系統(tǒng)
　　 在測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，而軟件正是虛擬儀器測(cè)試技術(shù)的核心。采用LabVIEW開(kāi)發(fā)了整個(gè)溫度測(cè)試系統(tǒng)，以LabVIEW8.6為編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(jì)
　　 在該軟件中，系統(tǒng)分4個(gè)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(pán)。
　　3.2多線程技術(shù)
　　 系統(tǒng)由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)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(kāi)、寫(xiě)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)OPCServer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(shí)時(shí)顯示:
　　 (5)關(guān)閉測(cè)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(jì)為自動(dòng)采集和自動(dòng)記錄，而無(wú)須人工監(jiān)測(cè)。觀測(cè)者設(shè)定好"采樣保存間隔時(shí)間"，程序運(yùn)行后，系統(tǒng)會(huì)每經(jīng)歷一個(gè)時(shí)間間隔就進(jìn)行一次采樣，送到“溫度實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖”中去顯示，并自動(dòng)把溫度數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中。
　　4實(shí)際應(yīng)用結(jié)果
　　 該系統(tǒng)于2008年11月底開(kāi)始，在哈大鐵路客運(yùn)專(zhuān)線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，2008年11月底至2009年2月份期間觀測(cè)的土壤溫度變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)溫系統(tǒng)性能可靠，達(dá)到了預(yù)期的目的。
　　 表1土壤溫度變化數(shù)據(jù)表
　　時(shí)間 測(cè)點(diǎn)1 測(cè)點(diǎn)2 測(cè)點(diǎn)3 測(cè)點(diǎn)4 測(cè)點(diǎn)5 測(cè)點(diǎn)6
　　 環(huán)境平均溫度 埋深20cm平均溫度 埋深50cm平均溫度 埋深100cm平均溫度 埋深200cm平均溫度 埋深300cm平均溫度
　　2008年11月27日 -1.46 -1.01 2.07 4.24 10.34 11.13
　　2008年12月4日 -4.57 -1.05 1.56 3.23 8.84 10.41
　　2008年12月13日 -3.76 -6.18 0.28 2.02 7.97 9.84
　　2008年12月20日 -9.33 -5.64 -0.60 1.21 7.25 9.30
　　2008年12月27日 -5.01 -8.46 -2.69 0.04 6.58 8.82
　　2009年1月3日 -6.51 -7.80 -3.81 -1.43 5.62 8.10
　　2009年1月10日 -14.06 -10.77 -5.36 -2.67 5.09 7.75
　　2009年1月17日 -7.65 -8.51 -5.39 -3.29 4.42 7.31
　　2009年1月25日 -8.64 -8.04 -4.78 -2.98 3.68 6.71
　　2009年2月1日 -1.94 -8.24 -4.62 -3.13 3.11 6.14
　　2009年2月8日 5.02 -6.18 -3.93 -3.09 2.68 5.67
　　5結(jié)束語(yǔ)
　　 從上述軟硬件系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果可以看出，以計(jì)算機(jī)為主控單元，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的凍土測(cè)溫系統(tǒng)具有硬件設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高；軟件設(shè)計(jì)界面友好，編程靈活等特點(diǎn)。通過(guò)虛擬儀器技術(shù)將計(jì)算機(jī)硬件、軟件，儀器技術(shù)，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)完美的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、分析、記錄的目的，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
　　
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