CN104075756A - 混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，其包括用于检测混凝土结构内部多种耐久性参数的多元传感器；所述多元传感器输出端相连接的用于采集混凝土结构上的所述耐久性参数的数据采集部件；与所述数据采集部件输出端相连接的用于远距离传输所采集到的所述耐久性参数的通信部件；与所述通信部件相连接的用于接收、显示和存储采集到的数据的电脑终端。该系统可以实时无线监测混凝土内部温度、湿度、pH值以及钢筋的锈蚀状态等诸多耐久性参数，对混凝土结构过早劣化提出预警，能够实时准确了解混凝土内部状态，对结构构件进行评估诊断，确保混凝土结构的安全运营。

Description

混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统

技术领域

本发明属于混凝土结构耐久性监测技术领域，涉及一种对钢筋混凝土结构耐久性进行无线监测的测试系统。

背景技术

钢筋混凝土结构的耐久性是指在设计要求的目标使用期内，在各种力学和非力学因素的长期作用下，不需要进行大量的加固处理而能保证其安全性和适用性的能力。而在氯盐或碳化环境中，钢筋的锈蚀已被公认为是引起混凝土结构过早劣化的主要因素。当钢筋表面氯离子浓度达到临界值或碳化深度达到钢筋表面并继续受到酸性气体的侵蚀时，钢筋表面的钝化膜将遭到破坏，钢筋开始锈蚀。钢筋锈蚀后体积膨胀2至4倍，从而削弱了钢筋的受力面积，使混凝土保护层顺筋开裂，降低了钢筋与混凝土的粘结力，进而导致钢筋混凝土结构承载力下降和延性降低，从而影响整个结构的安全性和耐久性，严重的锈蚀甚至会导致结构的破坏。钢筋锈蚀是一个复杂的电化学过程，可以检测钢筋的电化学状态，了解其腐蚀状况；碳化使混凝土保护层pH值降低，从而破坏了混凝土的碱性条件，腐蚀随即发生；温度越高钢筋锈蚀速率越大；混凝土湿度越大混凝土电阻就越小，钢筋发生锈蚀的概率就越大。因此钢筋混凝土的腐蚀过程是错综复杂的，而这些都是评估混凝土腐蚀和预测混凝土结构使用寿命必不可少的信息，所以单一的耐久性参数并不能真实反应混凝土内部真实的腐蚀状态，需综合考虑、相互对比才能得出正确的结论。目前，工程上大多采用现场有线监测，现场检测目标多、位置分散，且对于地铁、海底隧道等地下结构的检测难度大。因此各种有线、集中式监测系统不能满足使用要求。为此，实时长期监测包括混凝土温度、湿度、pH值以及钢筋的锈蚀状态等诸多耐久性参数，对混凝土结构过早劣化提出预警，进而为工程技术人员评估与预测混凝土结构服役状态、确定维护周期、优化防治技术、完善全寿命周期的经济分析以及高耐久混凝土结构设计方法提供可靠依据，确保工程安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，可以实时无线监测混凝土内部温度、湿度、pH值以及钢筋的锈蚀状态等诸多耐久性参数，对混凝土结构过早劣化提出预警，能够实时准确了解混凝土内部状态，对结构构件进行评估诊断，确保混凝土结构的安全运营。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，其包括用于检测混凝土结构内部多种耐久性参数的多元传感器；所述多元传感器输出端相连接的用于采集混凝土结构上的所述耐久性参数的数据采集部件；与所述数据采集部件输出端相连接的用于远距离传输所采集到的所述耐久性参数的通信部件；与所述通信部件相连接的用于接收、显示和存储采集到的数据的电脑终端。

其中，所述多元传感器包括温度传感器、pH传感器、湿度传感器、宏电流传感器。

其中，所述多元复合无线监测系统还包括用于定位和保护湿度传感器及pH传感器的PVC管和固定基座。

其中，所述湿度传感器完全放置在PVC管内部，管两端用透水透气的布、O型橡胶密封圈和环氧树脂密封；所述pH传感器放置在PVC管内部，管两端用O型橡胶密封圈和环氧树脂密封。

其中，所述固定基座是由一个不锈钢钢圈和多个不锈钢支架组成的结构，支架均匀设置在钢圈上侧，其作用是把PVC管和传感器固定在不同的高度处。

其中，所述宏电池传感器是基于宏电流技术设计而成的，其由四层宏电池组、导线、两个支架、螺丝和固定杆组成的梯形框架结构，用于获取钢筋的腐蚀电位、腐蚀电流密度及相邻宏电池组间的混凝土电阻。

其中，所述宏电池组包括由四组单阳极、单阴极和热收缩管组成的结构；所述单阳极为外径14mm，壁厚2mm的钢管，并与所述导线的一端连接；所述单阴极为外径14mm，壁厚2mm的钛铂合金管，并与所述导线的一端连接；所述单阳极、单阴极和热收缩管交替连接。

其中，所述支架的不锈钢U型槽内部设置环氧树脂，其作用是固定每层宏电池组、热收缩管、导线和温度传感器。

其中，所述固定杆包裹在一PC管内，其作用是切断固定杆与周围混凝土中钢筋之间的导电性。

其中，所述多元传感器与所述数据采集部件间的连接方式采用航空插头连接。

本发明还提供一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，它包括由宏电流传感器、温度传感器、湿度传感器、pH传感器和固定基座组成的多元传感器，数据采集单元，无线通信模块和电脑终端。其特征在于：所述宏电流传感器是由宏电池组、导线、U型不锈钢槽支架、螺丝和固定杆组成的梯形框架结构，其中单阳极、单阴极和热收缩管交替连接组成了宏电池组，宏电池组与支架之间设置热收缩管，支架的侧槽内填充环氧树脂，螺丝设置在支架的顶端，并穿过固定杆；温度传感器设置在一个支架的侧槽内，引出导线；湿度传感器设置在PVC管内，引出导线；pH传感器设置在PVC管内，引出导线；多元传感器与数据采集单元通过航空插头连接；固定基座由一个不锈钢钢圈和多个不锈钢支架组成，用于定位湿度传感器和pH传感器。

本发明的有益效果：

本多元复合无线监测系统能够实时长效无线监测混凝土内部的温度、pH值、湿度、混凝土电阻以及表征钢筋锈蚀状态的腐蚀电位、腐蚀电流密度等诸多耐久性参数，无需破损即可实现大范围、多目标、多参数、远距离、长时间的实时无线监测，对混凝土结构过早劣化提出预警。无需现场检测，即可能够准确、随时快速的了解混凝土内部状态，进而评估与预测混凝土结构的服役状态、利于确定优化其维护周期和技术，确保混凝土结构安全。

附图说明

图1为本发明系统模块结构示意图；

图2为宏电流传感器结构示意图；

图3为宏电流传感器左视图；

图4为湿度传感器封装示意图；

图5为PH传感器封装示意图；

图6为传感器固定基座结构示意图；

图7为传感器固定基座侧视图。

具体实施方式

本发明提供了一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，其包括用于检测混凝土结构内部多种耐久性参数的多元传感器；所述多元传感器输出端相连接的用于采集混凝土结构上的所述耐久性参数的数据采集部件；与所述数据采集部件输出端相连接的用于远距离传输所采集到的所述耐久性参数的通信部件；与所述通信部件相连接的用于接收、显示和存储采集到的数据的电脑终端。

所述耐久性参数包括混凝土结构内部的温度，不同深度处的pH值、湿度、混凝土电阻以及表征钢筋锈蚀状态的腐蚀电位、腐蚀电流密度。

所述多元传感器包括温度传感器、pH传感器、湿度传感器、宏电流传感器，每个传感器都会引出一根电缆线与数据采集部件连接。

进一步，所述多元传感器仅由上述部件构成。

所述湿度传感器、pH传感器的个数优选为四个以上。

所述的湿度传感器、pH传感器、宏电池组是齐平安装的。

所述温度传感器是PT1000型温度传感器，用于获取混凝土内部温度。

所述pH传感器为一种全固态pH传感器，分层设置在混凝土内部，用于获取混凝土内部不同层次的pH值。

所述湿度传感器分层设置在混凝土保护层中，用于获取混凝土内部湿度梯度分布。

所述多元复合无线监测系统还包括用于定位和保护湿度传感器及pH传感器的PVC管和固定基座。

所述湿度传感器完全放置在PVC管内部，管两端用透水透气的布、O型橡胶密封圈和环氧树脂密封；所述pH传感器放置在PVC管内部，管两端用O型橡胶密封圈和环氧树脂密封。

所述固定基座是由一个不锈钢钢圈和多个不锈钢支架组成的结构，支架均匀设置在钢圈上侧，其作用是把PVC管和传感器固定在不同的高度处。

所述数据采集部件为位于混凝土外部的数据采集装置，与埋置在混凝土内部的多元传感器连接，用于采集混凝土内部的各耐久性参数。

所述多元传感器与所述数据采集部件间的连接方式采用航空插头连接。

所述通信部件为无线通信部件。

所述无线通信部件包括无线透明数据传输系统，所述无线透明传输系统内部设置SIM卡，采用GPRS通信方式进行通信，用于实时远程传输所采集到的数据。

所述电脑终端为设置在监控室内的电脑装置，用于接收、显示并储存采集到的数据。

所述宏电池传感器是基于宏电流技术设计而成的，其由四层以上的宏电池组、导线、两个支架、螺丝和固定杆组成的梯形框架结构，用于获取钢筋的腐蚀电位、腐蚀电流密度及相邻宏电池组间的混凝土电阻。

所述每层宏电池组包括由四个单阳极、四个单阴极和七个热收缩管组成的结构；所述单阳极为外径14mm，壁厚2mm的钢管，并与所述导线的一端连接；所述单阴极为外径14mm，壁厚2mm的钛铂合金管，并与所述导线的一端连接；所述单阳极、单阴极和热收缩管交替连接。

所述支架为不锈钢的U型槽结构，所述导线的另一端通过支架的U型槽内部被引到外部。

所述导线之间为独立的单独结构。

所述热收缩管设置在单阳极和单阴极之间，其作用是避免端部发生缝隙腐蚀并使单阳极与单阴极间绝缘。

所述支架的不锈钢U型槽内部设置环氧树脂，其作用是固定每层宏电池组、热收缩管、导线和温度传感器。

所述螺丝设置在所述支架的顶端，且穿过被PC管包裹的固定杆，固定杆绑扎在混凝土钢筋上，其作用是调整固定杆与支架的距离，即确定梯形装置的角度，使每层的宏电池组离混凝土表面有合适的距离，所述固定杆包裹在一PC管内，其作用是切断固定杆与周围混凝土中钢筋之间的导电性。

所述PC管的作用是使固定杆与钢筋间绝缘。

本发明还提供了一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，它包括由宏电流传感器、温度传感器、湿度传感器、pH传感器和固定基座组成的多元传感器，数据采集单元，无线通信模块和电脑终端。其特征在于：所述宏电流传感器是由宏电池组、导线、U型不锈钢槽支架、螺丝和固定杆组成的梯形框架结构，其中单阳极、单阴极和热收缩管交替连接组成了宏电池组，宏电池组与支架之间设置热收缩管，支架的侧槽内填充环氧树脂，螺丝设置在支架的顶端，并穿过固定杆；温度传感器设置在一个支架的侧槽内，引出导线；湿度传感器设置在PVC管内，引出导线；pH传感器设置在PVC管内，引出导线；多元传感器与数据采集单元通过航空插头连接；固定基座由一个不锈钢钢圈和多个不锈钢支架组成，用于定位湿度传感器和pH传感器。

以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1所示，混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，包括多元传感器、数据采集单元、无线通信模块和电脑终端。

如图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，多元传感器由一个温度传感器10、四个pH传感器19、四个湿度传感器12、固定基座和一个宏电流传感器(图2)组成；其中宏电流传感器是由四层宏电池组、导线8、两个U型不锈钢槽支架9、螺丝4和固定杆5组成的梯形框架结构，用于获取钢筋的腐蚀电位、腐蚀电流密度及相邻宏电池组间的混凝土电阻；每层宏电池组由四个单阳极1、四个单阴极3和七个热收缩管2交替连接组成，单阳极1为外径14mm，壁厚2mm的钢管，单阴极3为外径14mm，壁厚2mm的钛铂合金管，宏电池组与支架连接处设有热收缩管6，热收缩管起到绝缘和避免发生缝隙腐蚀的作用；每个单阳极1和单阴极3均与一根导线8相连接，即每层结构内包括八根导线8，共有三十二根导线8，这些导线伸出到传感器外部时合成一根电缆线束11；温度传感器10是PT1000型温度传感器，设置在不锈钢槽支架9内部，位于支架9中间位置，并引出导线7，其作用是监测混凝土内部的温度；支架9内部填充环氧树脂，其作用是固定每层宏电池组的单阳极1、单阴极3、温度传感器10、导线7、导线8、热收缩管2和热收缩管6；每层宏电池组设有四组单阳极1和单阴极3，起到互为对比的作用，并提高监测的准确性。螺丝4设置在支架9的顶端，并穿过固定杆5，固定杆5绑扎在混凝土钢筋上，其作用是调整固定杆5与支架9的距离，即确定梯形装置的角度，使每层的宏电池组离混凝土表面有合适的距离，同时在固定杆5上设置PC管切断固定杆5与混凝土中的钢筋之间导电性，从而使整个传感器处于独立工作状态。

湿度传感器12的封装如图4所示。湿度传感器12完全放置在PVC管16内部，引出导线18，传感器探头13所在的PVC管一端用透水透气的布14封住且两者的间距控制在2mm-5mm内，中间部位设置一个O型橡胶密封圈15，密封圈15至PVC管另一端的空隙用环氧树脂17密封，使湿度传感器12与PVC管16固定在一起，其作用是防止泥浆进入PVC管16内部并保证管内管外具有相同的湿度。

pH传感器19的封装如图5所示。pH传感器19放置在PVC管22内部，引出导线23，传感器探头20与PVC管一端齐平并设置一个O型橡胶密封圈21，其作用是保证传感器探头20会与外界混凝土接触，密封圈21至PVC管另一端的空隙用环氧树脂密封使pH传感器与PVC管22固定在一起。

导线7、电缆线束11、导线18和导线23连接自由端航空插头，采集单元连接固定航空插头，即多元传感器与数据采集单元通过航空插头连接，便于工程技术人员安装连接。

固定基座如图6和图7所示。固定基座由不锈钢钢圈24和不锈钢支架25组成，固定基座绑扎在混凝土中的钢筋上。其中不锈钢钢圈24是由直径为8mm的不锈钢钢筋制作成的直径为300mm的圆环，在不锈钢钢圈24上侧均匀设置八个不锈钢支架25，不锈钢支架25是直径为8mm的短钢筋，其长度可根据实际工程中的混凝土保护层厚度设置。四个湿度传感器12和四个pH传感器19分别绑扎在八个钢筋支架25上，使之分别固定在四个不同的高度层处，这四个不同的高度层分别与宏电池传感器的四层宏电池组齐平。

本发明混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，在工程绑扎好钢筋后，将宏电池传感器和固定基座绑扎在钢筋上，两者的距离控制在100mm-300mm间；通过调节螺丝4调整宏电池传感器的倾斜度，使其最上端的宏电池组距离混凝土表面5mm-10mm，然后将螺丝4固定在最终的位置处，以防在浇筑混凝土时传感器发生移动。将四个湿度传感器12和四个pH传感器19分别绑扎在固定基座的八个不锈钢支架25上，使之分别与宏电池传感器的四层宏电池组位置齐平。浇筑混凝土时，与导线7、电缆线束11、导线18和导线23连接的自由端航空插头需留在外面，在混凝土硬化后，将上述自由端航空插头与数据采集单元端的固定航空插头插合，用于获取监测到的耐久性参数。然后将数据采集单元与通信模块连接。通信模块为无线通信模块，包括无线透明数据传输系统，其内部设置SIM卡，采用GPRS通信方式进行通信，用于实时远程传输采集到的数据。监控室内的电脑终端用于接收、显示和储存所采集的数据，便于技术人员查看和分析数据。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，其特征在于：包括用于检测混凝土结构内部多种耐久性参数的多元传感器；所述多元传感器输出端相连接的用于采集混凝土结构上的所述耐久性参数的数据采集部件；与所述数据采集部件输出端相连接的用于远距离传输所采集到的所述耐久性参数的通信部件；与所述通信部件相连接的用于接收、显示和存储采集到的数据的电脑终端。

2.如权利要求1所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述多元传感器包括温度传感器、pH传感器、湿度传感器、宏电流传感器。

3.如权利要求1或2所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述多元复合无线监测系统还包括用于定位和保护湿度传感器及pH传感器的PVC管和固定基座。

4.如权利要求1至3所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述湿度传感器完全放置在PVC管内部，管两端用透水透气的布、O型橡胶密封圈和环氧树脂密封；所述pH传感器放置在PVC管内部，管两端用O型橡胶密封圈和环氧树脂密封。

5.如权利要求1至4所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述固定基座是由一个不锈钢钢圈和多个不锈钢支架组成的结构，支架均匀设置在钢圈上侧，其作用是把PVC管和传感器固定在不同的高度处。

6.如权利要求1至5所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述宏电池传感器是基于宏电流技术设计而成的，其由四层宏电池组、导线、两个支架、螺丝和固定杆组成的梯形框架结构，用于获取钢筋的腐蚀电位、腐蚀电流密度及相邻宏电池组间的混凝土电阻。

7.如权利要求1至6所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述宏电池组包括由四组单阳极、单阴极和热收缩管组成的结构；所述单阳极为外径14mm，壁厚2mm的钢管，并与所述导线的一端连接；所述单阴极为外径14mm，壁厚2mm的钛铂合金管，并与所述导线的一端连接；所述单阳极、单阴极和热收缩管交替连接。

8.如权利要求1至7所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述支架的不锈钢U型槽内部设置环氧树脂，其作用是固定每层宏电池组、热收缩管、导线和温度传感器。

9.如权利要求1至8所述的多元复合无线监测系统，其特征在于：所述多元传感器与所述数据采集部件间的连接方式采用航空插头连接。

10.一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，其特征在于：包括由宏电流传感器、温度传感器、湿度传感器、pH传感器和固定基座组成的多元传感器，数据采集单元，无线通信模块和电脑终端。其特征在于：所述宏电流传感器是由宏电池组、导线、U型不锈钢槽支架、螺丝和固定杆组成的梯形框架结构，其中单阳极、单阴极和热收缩管交替连接组成了宏电池组，宏电池组与支架之间设置热收缩管，支架的侧槽内填充环氧树脂，螺丝设置在支架的顶端，并穿过固定杆；温度传感器设置在一个支架的侧槽内，引出导线；湿度传感器设置在PVC管内，引出导线；pH传感器设置在PVC管内，引出导线；多元传感器与数据采集单元通过航空插头连接；固定基座由一个不锈钢钢圈和多个不锈钢支架组成，用于定位湿度传感器和pH传感器。