CN108303398A - 一种土料含水率快速检测的系统及其检测方法 - Google Patents

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唐茂颖
关涛
李善平
陈国政
段斌
王毓杰
吴楠
杨春鸣
郭成
吕鹏
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Sichuan Dadu River Shuangjiangkou Hydropower Development Co Ltd
Guodian Dadu River Hydropower Development Co Ltd
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Tianjin University
Sichuan Dadu River Shuangjiangkou Hydropower Development Co Ltd
Guodian Dadu River Hydropower Development Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种土料含水率快速检测的系统及其检测方法，包括：检测装置，即通过同轴电缆相连接的探头和时域反射仪，无线数传装置包括：自主数据传输网络或无线传输单元，土料含水率快速检测模块的数据传输接口，利用自主数据传输网络或无线传输单元将检测数据传至总控中心；总控中心包括：数据库服务器以及一系列分析软件，通过分析数据库服务器中的检测数据，与标准对比，判断含水率达标情况。方法包括：源数据进入数据库服务器后，由含水率分析应用程序计算分析；对接收到的源数据进行计算获得土料含水率，并和设定的含水率标准进行对比分析。本发明对土料含水率进行准确、快速测量，并对不符合控制标准的报警，实现了土料含水率的快速检测。

Description

一种土料含水率快速检测的系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及水利水电领域，尤其涉及一种土料含水率快速检测的系统及其检测方法。
背景技术
国内大坝建设规模越来越大，例如：心墙堆石坝已经达到300米级，土料需求量也随之变大。对于大坝的填筑质量，土料含水率是一个非常关键的控制指标。土料含水率不合格在施工过程中容易造成碾压土料的剪切破坏、压实度检测取样合格率偏低、层间结合不良等问题，无法有效控制工程质量。由于质量原因导致暂停正常施工并进行返工处理，会严重影响大坝的施工进度。因此，土料含水率检测是大坝施工过程中的一个重要环节。
目前，土料含水率检测仍主要采用较为传统的烘干称质量法，完成一次检测需要10小时以上，太过于耗时，效率较低，给现场检测带来了极大的不便。
广大学者针对土料含水率快速检测方法，进行了相关研究：
1、中国专利CN103267702A公开了一种土样含水率快速检测仪及其检测方法，先利用红外线灯管加热，再微波加热，相对于传统烘干方法节省了较多烘干时间，但是所发明仪器体积较大，操作较为繁琐。
2、中国专利CN105116016A基于电阻法，考虑到土壤中孔隙水的导电率，将含水土壤等效为电阻，建立含水率快速检测电路，但是其测量范围有限，精度不高。
3、中国专利CN104897734A基于范德堡理论(VDP理论)，利用四探针法计算含水土层的电导率，通过土层电导率和含水率的对应关系，确定各点位含水率，但是随时间推移探针灵敏度会有所减弱，影响测量结果。
4、中国专利CN104297270A基于CT扫描，得到红黏土试样的CT值与含水率和干密度的关系式，可对土壤含水率进行检测，但是由于该方法存在一定的辐射，用于现场检测会对人体产生一定的危害。
5、中国专利CN104390932A基于红外差谱技术针对木材提出了含水率快速检测的方法，但是由于土料变异性影响，误差大，在土料含水率检测上适应性不强。
发明内容
本发明提供了一种土料含水率快速检测的系统及其检测方法，本发明提供了一种基于频域反射法(FDR)的检测，能够对土料的含水率进行准确、快速测量，并对不符合土料含水率控制标准的土料区进行报警，实现了土料含水率的快速检测，详见下文描述：
一种土料含水率快速检测的系统，所述系统包括：土料含水率快速检测装置、无线数传装置、后台分析计算反馈的总控中心、以及通信设备，
所述检测装置包括：通过同轴电缆相连接的探头和时域反射仪，
无线数传装置包括：自主数据传输网络或无线传输单元，土料含水率快速检测模块的数据传输接口，利用自主数据传输网络或无线传输单元将检测数据传至总控中心；
总控中心包括：数据库服务器以及一系列分析软件，通过分析数据库服务器中的检测数据，与标准对比，判断含水率达标情况，并通过通信设备通知到相关管理人员。
其中，所述探头包括：PVC管和探针，
在同轴电缆上、靠近探头处，设置有供探头插拔组装和拆卸的串口。
进一步地，所述探针的长度为30cm，探针间距为2.25cm，直径为0.476cm；PVC管的长度为35cm，直径为11cm。
其中，所述时域反射仪的型号为MP-406。
一种土料含水率快速检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
在土料区挖一剖面，垂直面进行削平处理，将探头水平插入土壤，取样；
将同轴电缆与探头通过串口连接，利用探头和时域反射仪对土料含水率进行检测，通过测量传感器在土壤中因介电常数的变化而引起频率的变化来测量土壤的水分含量；
通过无线数传装置将数据传输至远程数据库服务器中，作为含水量分析预警的源数据；
数据库服务器接收到上述数据信息，根据含水率计算公式对接收到的数据进行计算，最后得到含水率；
将土料含水率和设定的含水率标准集[ω下，ω上]进行合格分析；
数据库服务器将检测结果推送到检测人员的手持通信设备，若土料含水率不符合设计标准，数据库服务器给现场土料质量负责人员的手持通信设备推送报警通知，使得工作人员在第一时间对现场做出处置措施。
其中，所述含水率标准集[ω下，ω上]具体为：
ω下为设定的含水率标准下限，ω上为设定的含水率标准上限。设定的含水率标准由设计单位根据编号为SL274-2001的碾压式土石坝设计规范进行现场实验确定。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明提供了一种基于频域反射法(FDR)的检测，操作简便快捷、测量精度高，克服了传统烘干称质量法时耗长、效率低等问题；
2、本发明在实现土料含水率准确、快速测量的同时，可对不符合土料含水率控制标准的土料区进行报警，向现场土料质量负责人的手持通信设备推送报警通知；
3、本发明实现了填筑土料含水率的快速检测、及时反馈，既提高了土料含水率的检测效率，也有利于土料质量负责人员针对土料含水率不合格区域进行及时处理，保证大坝填筑土料质量；
4、本发明构建了从数据采集、数据发送、数据处理、信息反馈一整套的系统流程；
5、本发明实现了对料场的大坝填筑土料料源含水率进行检测，实现对大坝土料料源质量的高效管理；掺砾土料含水率调整时，对于需补水的土料，在掺合前和掺合后分别进行土料含水率检测，以保证土料料源质量。
附图说明
图1为一种土料含水率快速检测的系统的结构示意图；
图2为检测装置的结构示意图；
图3为无线数传装置的结构示意图；
图4为总控中心的结构示意图；
图5为无线数传装置、总控中心以及通信设备的传输示意图；
图6为土料含水率快速检测方法的数据分析处理流程图；
图7为一种土料含水率快速检测方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：土料含水率快速检测装置；2：无线数传装置；
3：后台分析计算反馈的总控中心；4：通信设备；
11：同轴电缆；12：探头；
13：时域反射仪；21：自主数据传输网络；
22：无线传输单元；31：数据库服务器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
通过土壤介电特性测量土壤含水率的介电法是近20年来新发展起来的一种测量方法，在测量的实时性与精度上都较具优势，而且在使用操作上更加方便灵活，可适用于不同用途的土壤水分测量，是目前国内外广泛使用的一种土壤水分测量方法。
目前，国内市场上基于介电法研发的土壤含水率传感器主要有时域反射法(TDR)和频域反射法(FDR)两种。因FDR型传感器一般输出为直流电压量，更容易接入常规的数据采集器实现连续、动态墒情监测，且费用较低，故其更加能满足现场的需求。它通过测量传感器在土壤中因介电常数的变化而引起频率的变化来测量土壤的水分含量。
实施例1
一种土料含水率快速检测的系统，参见图1至图5，该系统包括：土料含水率快速检测装置1、无线数传装置2、后台分析计算反馈的总控中心3、以及通信设备4。
其中，现场检测设备是探针式检测装置1，参见图2，该检测装置1包括：通过同轴电缆11相连接的探头12和时域反射仪13，探头12包括：PVC管和探针，在同轴电缆11上、靠近探头12处，设置有供探头12插拔组装和拆卸的串口。
具体实现时，探针的长度优选为30cm，探针间距为2.25cm，直径为0.476cm；PVC管的长度为35cm，直径为11cm；PVC管和探针相互组合成一体，该一体结构保持成一条直线，探针处于PVC管正中心，操作方便、快捷。
其中，时域反射仪13的型号优选为MP-406。
通过研究土料含水率快速检测装置1的工作原理，对土料含水率快速检测模块1的处理模块进行二次开发，开发出数据读取接口，使得土料含水率快速检测装置3的数据传输接口，能够利用自主通信传输网络将数据传至总控中心3。
即，参见图3，无线数传装置2包括：自主数据传输网络21或无线传输单元22，土料含水率快速检测模块1的数据传输接口，利用自主数据传输网络21或无线传输单元22将数据传至总控中心3中的数据库服务器31。
参见图4和图5，总控中心3包括：数据库服务器31以及一系列分析软件，通过分析数据库服务器31中的数据，与标准对比，判断含水率达标情况，并通过通信设备4通知到相关管理人员。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于频域反射法(FDR)的检测系统，能够对土料的含水率进行准确、快速测量，并对不符合土料含水率控制标准的土料区进行报警，实现了土料含水率的快速检测。
实施例2
一种土料含水率快速检测的方法，参见图1至图6，该方法包括以下步骤：
201：利用实施例1中的土料含水率快速检测装置1对土料含水率进行检测；
其中，该步骤具体为：
通过测量传感器在土壤中因介电常数的变化而引起频率的变化来测量土壤的水分含量。
实测时，湿土充当电介质，与传感器探针一起等效为一个电容，与外接振荡器组成调谐电路。当土壤中水分增加时，传感器等效的电容值增大，从而会影响到传感器的工作频率。
202：检测人员通过北斗卫星或经自主数据传输网络21将检测数据传输至远程的数据库服务器11中，作为含水量分析预警的源数据；
其中，检测数据由土料含水率快速检测装置1交由无线数传装置2，经加密后传输至数据库服务器31后由应用程序进行解析，存入数据库，由权限控制不得修改。
进一步地，上述加密流程采用本领域技术人员所公知的加密算法等，本发明实施例对此不做限制。
203：源数据进入数据库服务器31后，由数据库服务器31中的含水率分析应用程序计算分析；
其中，数据库服务器31对接收到的源数据进行计算获得土料含水率，并和设定的含水率标准进行对比分析。
204：数据库服务器31将检测结果推送到检测人员的手持通信设备4。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于频域反射法(FDR)的检测方法，在实现土料含水率准确、快速测量的同时，可对不符合土料含水率控制标准的土料区进行报警，向现场土料质量负责人的手持通信设备推送报警通知。
实施例3
参见图1至图7，对实施例2中的检测方法做进一步地介绍，详见下文描述：
301：在土料区挖一剖面，垂直面进行削平处理，将探头12(不带电缆)水平插入土壤，取样；
302：将同轴电缆11与探头12(内部含填充土样)通过串口连接，利用探头12和时域反射仪13对土料含水率进行检测，通过测量传感器在土壤中因介电常数的变化而引起频率的变化来测量土壤的水分含量；
303：检测人员通过无线数传装置2将数据传输至远程数据库服务器31中，作为含水量分析预警的源数据；
304：数据库服务器31接收到上述数据信息，根据含水率计算公式对接收到的数据进行计算，最后得到含水率；
其中，高频检测电路可检测出谐振频率f，从而得土壤的相对介电常数ε，将之代入到著名的Topp公式就可求得土壤含水率。Topp公式为：
ω＝-0.053+0.0293ε-0.00055ε2+0.0000043ε3
其中，ω为土壤含水率，ε为相对介电常数。
305：将步骤304中计算得到的土料含水率ω和设定的含水率标准集[ω下，ω上]进行合格分析；
其中：ω下为设定的含水率标准下限，ω上为设定的含水率标准上限。设定的含水率标准由设计单位根据编号为SL274-2001的《碾压式土石坝设计规范》进行现场实验确定，获得设定的含水率标准集[ω下，ω上]。
306：数据库服务器31将检测结果推送到检测人员的手持通信设备4，若步骤304中计算得到的土料含水率ω不符合设计标准，数据库服务器31给现场土料质量负责人员的手持通信设备4推送报警通知，使得工作人员在第一时间对现场做出处置措施。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于频域反射法(FDR)的检测方法，在实现土料含水率准确、快速测量的同时，可对不符合土料含水率控制标准的土料区进行报警，向现场土料质量负责人的手持通信设备推送报警通知。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种土料含水率快速检测的系统，其特征在于，所述系统包括：土料含水率快速检测装置、无线数传装置、后台分析计算反馈的总控中心、以及通信设备，
所述检测装置包括：通过同轴电缆相连接的探头和时域反射仪，
无线数传装置包括：自主数据传输网络或无线传输单元，土料含水率快速检测模块的数据传输接口，利用自主数据传输网络或无线传输单元将检测数据传至总控中心；
总控中心包括：数据库服务器以及一系列分析软件，通过分析数据库服务器中的检测数据，与标准对比，判断含水率达标情况，并通过通信设备通知到相关管理人员。
2.根据权利要求1所述的一种土料含水率快速检测的系统，其特征在于，所述探头包括：PVC管和探针，
在同轴电缆上、靠近探头处，设置有供探头插拔组装和拆卸的串口。
3.根据权利要求2所述的一种土料含水率快速检测的系统，其特征在于，
所述探针的长度为30cm，探针间距为2.25cm，直径为0.476cm；PVC管的长度为35cm，直径为11cm。
4.根据权利要求1所述的一种土料含水率快速检测的系统，其特征在于，
所述时域反射仪的型号为MP-406。
5.一种用于权利要求1-4中任一权利要求所述的一种土料含水率快速检测的系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
在土料区挖一剖面，垂直面进行削平处理，将探头水平插入土壤，取样；
将同轴电缆与探头通过串口连接，利用探头和时域反射仪对土料含水率进行检测，通过测量传感器在土壤中因介电常数的变化而引起频率的变化来测量土壤的水分含量；
通过无线数传装置将数据传输至远程数据库服务器中，作为含水量分析预警的源数据；
数据库服务器接收到上述数据信息，根据含水率计算公式对接收到的数据进行计算，最后得到含水率；
将土料含水率和设定的含水率标准集[ω下，ω上]进行合格分析；
数据库服务器将检测结果推送到检测人员的手持通信设备，若土料含水率不符合设计标准，数据库服务器给现场土料质量负责人员的手持通信设备推送报警通知，使得工作人员在第一时间对现场做出处置措施。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述含水率标准集[ω下，ω上]具体为：
ω下为设定的含水率标准下限，ω上为设定的含水率标准上限，设定的含水率标准由设计单位根据编号为SL274-2001的碾压式土石坝设计规范进行现场实验确定。
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