CN110346013A - 拱顶浇灌液位检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种拱顶浇灌液位检测系统，包括液位检测传感器探头(A)、液位检测装置(B)，其中，每n个液位检测传感器探头(A)组成一组液位检测组合，所述液位检测组合的n个液位检测传感器探头(A)根据空间高度分别固定安装在拱顶内部结构的n个安装位，所述液位检测装置(B)对应每组液位检测组合设有一个采集通道，每个采集通道设有n个AD采集单元，所述AD采集单元的采集接收端组与所述液位检测传感器探头(A)的二根电极柱(A3)经导线(C)连接。有益效果：能准确得到浇灌液位的实际状况，一个检测装置可以同时连接多个探头进行不同高度的液位探测，且只需通关电就能检测，方便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土浇灌过程的液位检测设备领域，具体的说，涉及拱顶浇灌液位检测系统。
背景技术
随着基础设施建设的质量标准提升，同时避免隧道拱顶出现质量安全事故，保证在拱顶浇筑时工艺规范合格是十分重要的，混凝土浇灌进入时需令其最大可能填满整个拱顶空间，且要减少空气气泡的滞留，否则就会出现空洞，埋下安全隐患。浇灌完成后要对拱顶进行探测是否有空洞，但此时已经完成工作，若存在空洞，返工就耗费大量成本，而在浇灌时实时掌握灌浆的液位情况，能在浇灌时就最大限度填满空间，就能大大减少空洞的可能。
而现有的灌浆检测是直接在最顶部放置一个液面感应设备，此方法虽然可以将感应设备重复使用，但灌浆内部气泡无法检测。或者是在外部利用声波探测来测取液位，但声波探测设备十分昂贵，且准确度不高。缺乏一种既能检测灌浆内部情况，又能检测液面高度的设备。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供了一种拱顶浇灌液位检测系统，利用灌浆后电极导电的原理，通过检测装置对安装在拱顶的钢筋结构上的传感器探头通电，再实时检测探头上电极柱的通电情况或电流大小，可以分析出探头是否接触到灌浆，及灌浆淹没探头的高度，就能准确得到浇灌液位的实际状况，一个检测装置可以同时连接多个探头进行不同高度的液位探测，且只需通关电就能检测，方便快捷。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种拱顶浇灌液位检测系统，包括液位检测传感器探头、液位检测装置，其中，每n个液位检测传感器探头组成一组液位检测组合，所述液位检测组合的n个液位检测传感器探头根据空间高度分别固定安装在拱顶内部结构的n个安装位，所述液位检测装置对应每组液位检测组合设有一个采集通道，每个采集通道设有n个AD采集单元，所述AD采集单元的采集接收端组与所述液位检测传感器探头的二根电极柱经导线连接。
通过上述设计，传感器探头安装在拱顶的钢筋结构上，当灌浆漫到电极柱的位置时，二根电极柱就能通电，对同一对电极柱而言，不同高度的液位，其导电率也是不同的，就可以通过导线外接的检测装置来识别电极柱的导电情况，推导出液位高度，传感器探头的电流信号经信号采集模块进入信号处理单元，信号处理单元只需比对电流信号大小是否达到阈值，即可得出灌浆液位到达探头的高度，再由探头安装时的安装高度，就能直接获得灌浆的高度。探头埋设在拱顶结构中，设备可在外直接测得液位高度，十分便捷，且成本较低。
而多个探头形成一组液位检测组合，其数据可以由同一检测装置分析，每一段拱顶设置一组液位检测组合就能单独检测该段拱顶的浇灌情况，检测完后断开导线再由同一检测装置连接下一段拱顶的液位检测组合，就能依次检测不同位置的拱顶浇灌情况，且安装连接简单，高效快速；
或者可设计更精密的采集电路，获取探头通电后不同液位高度对其导电率的变化情况，从而更精确地计算出灌浆漫过探头上电极柱的高度。
进一步设计，所述液位检测传感器探头包括安装底板，该安装底板上固定有探头外壳，所述探头外壳顶部伸出有二根电极柱，所述电极柱的底部固定在探头外壳内，且所述电极柱底部连接有导线的一端，所述导线的另一端伸出探头外壳并连接所述AD采集单元的采集接收端组。
探头的成本很低，可以大量铺设在拱顶结构中，不占用很大空间，一次性使用也不需回收，通过绝缘导线接出，就能外接上检测装置来检测，方便快捷。
更进一步的，所述探头外壳底部开有电极安装槽，该电极安装槽槽口向下，所述探头外壳上部设有二个电极通道，所述电极通道贯穿所述探头外壳的上壁；
探头外壳为绝缘材质，电极柱与导线的连接就设置在电极安装槽内，防止导线直接通电，无法检测。
所述电极柱的下部伸入所述电极通道，且电极柱的底面与电极安装槽的顶面相接，所述电极柱的底面开有螺纹盲孔，所述螺纹盲孔内套装有螺钉，螺钉令所述电极柱的下部与所述电极通道过盈配合，且螺钉的头部直径大于所述电极通道的内径。
螺钉一方面使电极柱的下部略微增大使之与电极通道过盈配合，防止电极柱松动，另一方面其头部位于电极安装槽内，防止电极柱脱出电极通道；
所述探头外壳的侧壁开有引线孔，该引线孔贯穿所述电极安装槽的侧壁。
进一步设计，所述探头外壳两侧的底部分别设有固定台，所述固定台开有上下贯通的螺纹通孔，所述安装底板上开有螺纹安装孔，该螺纹安装孔正对所述螺纹通孔。
所述安装底板上开有L个探头安装孔，用于固定所述安装底板到拱顶待测点的支撑结构上。
由于液位高度需将电极柱的位置先确定，再通过其电导率得出液位淹没电极柱的位置，才能计算出实际液面的位置，因此需将整个传感器探头固定住，而拱顶内部本来设有钢筋等支撑结构，则只需将安装底板固定在对应高度的支撑结构上就能确定电极柱的起始位置。
另一方面，所述液位检测装置包括信号采集模块、信号处理单元、检测结果显示屏、电源模块；
所述信号处理单元的信号输入端组连接所述信号采集模块的信号输出端组，所述信号处理单元的结果输出端组连接所述检测结果显示屏的显示输入端组，所述电源模块为所述信号采集模块、信号处理单元、检测结果显示屏适配工作电压。
对应的，拱顶分设有m个区间检测段，每个区间检测段分别安装n个所述液位检测传感器探头，所述信号采集模块对应设有m组区间采集通道，每组区间采集通道设置n个AD采集单元，所述AD采集单元与液位检测传感器探头一一对应连接。
由于灌浆过程是分段进行的，因此将各段设为区间检测段，独立埋设传感器探头组，再对各组进行对应连接检测，还因为液位高度是逐步上升的，则每组探头根据不同水平高度安装，就能依次检测到从低到高的液位变化，形成连贯完整的灌浆液位检测。
更进一步的，所述AD采集单元的两端分别连接液位检测传感器探头的二个电极柱，其中，AD采集单元的输电端还连接采集端供电VAA+3.3V，AD采集单元的信号输出端还连接所述信号处理单元的一个信号输入脚，该信号输出端还串接一个电阻后接地，所述电阻的两端并联有一个保护电容。
通过上述设计，当需要检测时，将传感器探头的其中一个电极柱输入电压，若灌浆到达电极柱高度时，二个电极柱就会通电，则连接另一个电极柱的信号处理单元就能识别到电流信号，若信号大于预设的阈值，就判断灌浆达到该传感器探头的高度。
由于电流信号比对阈值能够通过硬件电路实现，但只适合检测少量的探头情况，一旦探头数量较多，硬件电路就会复杂，从而设备体积增加、成本提高等问题出现，因此可以通过简单的单片机编程来实现较多探头的信号处理，即比对各个探头的电流信号。
进一步设计，所述信号处理单元包括单片机U1，该单片机U1设有m×n个脚为信号输入脚，每个信号输入脚分别连接一个AD采集单元的信号输出端，所述单片机U1的主供电电源脚连接电源VDD+3.3V，所述单片机U1的模拟电源脚连接基准电源REF+2.5V。
更进一步的，为了满足显示屏的兼容性，所述信号处理单元还包括RS232通信单元和RS485通信单元，其中：
所述RS232通信单元包括RS232芯片U4，所述RS232芯片U4的发送端输入脚T2IN连接单片机U1的RS232发送端，所述RS232芯片U4的发送端输出脚T2OUT经RS232串口P6连接检测结果显示屏的RS232接收端；
所述RS232芯片U4的接收端输出脚R2OUT连接单片机U1的RS232接收端，所述RS232芯片U4的接收端输入脚R2IN经RS232串口P6连接检测结果显示屏的RS232发送端；
所述RS232芯片U4的外接电容脚C1+与C1-之间串联有第二零电容C20，所述RS232芯片U4的外接电容脚C2+与C2-之间串联有第二一电容C21，所述RS232芯片U4的正电压脚V+串接第一六电容C16后接隔离电压VDD-PCI，所述RS232芯片U4的负电压脚V-串接第一七电容C17后接地，所述RS232芯片U4的电源脚VCC连接所述隔离电压VDD-PCI，该电源脚VCC还串接第一九电容C19后接地，所述RS232芯片U4的地脚接地；
所述RS485通信单元包括RS485芯片U5，所述RS485芯片U5的接收器输出端RO连接单片机U1的RS485接收端，所述RS485芯片U5的驱动器输入端DI连接单片机U1的RS485输出端，所述RS485芯片U5的接收器使能脚驱动器使能脚DE均连接单片机U1的RS485控制脚，所述RS485芯片U5的同相脚A经RS485串口P5连接检测结果显示屏的RS485高电端，所述RS485芯片U5的反向脚B经RS485串口P5连接检测结果显示屏的RS485低电端，该反向脚B还串接第八电阻R8后接地；
所述RS485芯片U5的电源脚VCC连接电源VDD+3.3V，该电源脚VCC还串接第一八电容C18后接地，所述RS485芯片U5的地脚接地。
更进一步设计，所述信号采集模块还包括校准通道，该校准通道的输电端连接采集端供电VAA+3.3V，所述校准通道的校准端连接单片机U1的校准输入脚，该校准端还串接一个电阻后接地，所述电阻的两端并联有一个保护电容；
所述校准通道的输电端与校准端分别连接标准传感器探头的二根电极柱。
当本装置初始化或检测结果不再准确时，可通过校准通道连接一个标准的传感器探头，来重新设定电流阈值，从而保证使用效果。
本发明的有益效果：利用灌浆后电极导电的原理，通过检测装置对安装在拱顶的钢筋结构上的传感器探头通电，再实时检测探头上电极柱的通电情况或电流大小，可以分析出探头是否接触到灌浆，及灌浆淹没探头的高度，就能准确得到浇灌液位的实际状况，一个检测装置可以同时连接多个探头进行不同高度的液位探测，且只需通关电就能检测，方便快捷。
附图说明
图1为实施例中液位检测传感器探头的安装示意图；
图2为液位检测传感器探头的结构示意图；
图3为液位检测传感器探头的俯视图；
图4为图3的P-P剖视图；
图5为探头外壳的剖视图；
图6为电极柱的剖视图；
图7为系统的电路连接示意图；
图8为实施例中第一区间采集通道的电路示意图；
图9为实施例中第二区间采集通道的电路示意图；
图10为实施例中第三区间采集通道的电路示意图；
图11为实施例中第四区间采集通道的电路示意图；
图12为实施例中校准通道的电路示意图；
图13为单片机U1的连接示意图；
图14为电源模块的示意图；
图15为电源模块中隔离电源的示意图；
图16为RS232通信单元的示意图；
图17为RS485通信单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种拱顶浇灌液位检测系统，包括液位检测传感器探头A、液位检测装置B，其中，每n个液位检测传感器探头A组成一组液位检测组合，所述液位检测组合的n个液位检测传感器探头A根据空间高度分别固定安装在拱顶内部结构的n个安装位，如图1所示；
所述液位检测装置B对应每组液位检测组合设有一个采集通道，每个采集通道设有n个AD采集单元，所述AD采集单元的采集接收端组与所述液位检测传感器探头A的二根电极柱A3经导线C连接。
由图2-4示意的实施例，所述液位检测传感器探头A包括安装底板A1，该安装底板A1上固定有探头外壳A2，所述探头外壳A2顶部伸出有二根电极柱A3，所述电极柱A3的底部固定在探头外壳A2内，且所述电极柱A3底部连接有导线C的一端，所述导线C的另一端伸出探头外壳A2并连接所述AD采集单元的采集接收端组。
所述探头外壳A2底部开有电极安装槽A21，如图4、5，该电极安装槽A21槽口向下，所述探头外壳A2上部设有二个电极通道A22，所述电极通道A22贯穿所述探头外壳A2的上壁；
所述电极柱A3的下部伸入所述电极通道A22，且电极柱A3的底面与电极安装槽A21的顶面相接，所述电极柱A3的底面开有螺纹盲孔A31，如图6，所述螺纹盲孔A31内套装有螺钉A32，螺钉A32令所述电极柱A3的下部与所述电极通道A22过盈配合，且螺钉A32的头部直径大于所述电极通道A22的内径；
所述探头外壳A2的侧壁开有引线孔A25，该引线孔A25贯穿所述电极安装槽A21的侧壁。
所述探头外壳A2两侧的底部分别设有固定台A23，所述固定台A23开有上下贯通的螺纹通孔A24，所述安装底板A1上开有螺纹安装孔A11，该螺纹安装孔A11正对所述螺纹通孔A24。
本实施例中所述液位检测装置B如图7所示，包括信号采集模块B1、信号处理单元B2、检测结果显示屏B3、电源模块B4；
所述信号处理单元B2的信号输入端组连接所述信号采集模块B1的信号输出端组，所述信号处理单元B2的结果输出端组连接所述检测结果显示屏B3的显示输入端组，所述电源模块B4为所述信号采集模块B1、信号处理单元B2、检测结果显示屏B3适配工作电压。
本实施例以拱顶分设4个区间检测段，每个区间检测段分别安装3个所述液位检测传感器探头A为例，所述信号采集模块B1对应设有4组区间采集通道，每组区间采集通道设置3个AD采集单元，所述AD采集单元与液位检测传感器探头A一一对应连接。
如图8-11所示，所述AD采集单元的两端分别连接液位检测传感器探头A的二个电极柱，其中，AD采集单元的输电端还连接采集端供电VAA+3.3V，AD采集单元的信号输出端还连接所述信号处理单元B2的一个信号输入脚，该信号输出端还串接一个电阻后接地，所述电阻的两端并联有一个保护电容。
本实施例的所述信号采集模块B1还包括校准通道，如图12，该校准通道的输电端连接采集端供电VAA+3.3V，所述校准通道的校准端连接单片机U1的校准输入脚，该校准端还串接一个电阻后接地，所述电阻的两端并联有一个保护电容；
所述校准通道的输电端与校准端分别连接标准传感器探头的二根电极柱。
所述信号处理单元B2包括单片机U1，该单片机U1如图13所示，设有12个脚为信号输入脚，分别连接12个AD采集单元的信号输出端，所述单片机U1的主供电电源脚连接电源VDD+3.3V，所述单片机U1的模拟电源脚连接基准电源REF+2.5V。
所述电源模块B4的电路如图14、15所示，输入直流电压12V，可以提供VCC12V、VCC5V、VDD+3.3V、VAA+3.3V、VDDPCI和REF+2.5V。
所述信号处理单元B2还包括RS232通信单元，该RS232通信单元如图16，包括RS232芯片U4，所述RS232芯片U4的发送端输入脚T2IN连接单片机U1的RS232发送端，所述RS232芯片U4的发送端输出脚T2OUT经RS232串口P6连接检测结果显示屏B3的RS232接收端；
所述RS232芯片U4的接收端输出脚R2OUT连接单片机U1的RS232接收端，所述RS232芯片U4的接收端输入脚R2IN经RS232串口P6连接检测结果显示屏B3的RS232发送端；
所述RS232芯片U4的外接电容脚C1+与C1-之间串联有第二零电容C20，所述RS232芯片U4的外接电容脚C2+与C2-之间串联有第二一电容C21，所述RS232芯片U4的正电压脚V+串接第一六电容C16后接隔离电压VDD-PCI，所述RS232芯片U4的负电压脚V-串接第一七电容C17后接地，所述RS232芯片U4的电源脚VCC连接所述隔离电压VDD-PCI，该电源脚VCC还串接第一九电容C19后接地，所述RS232芯片U4的地脚接地；
所述信号处理单元B2还包括RS485通信单元，该RS485通信单元如图17，包括RS485芯片U5，所述RS485芯片U5的接收器输出端RO连接单片机U1的RS485接收端，所述RS485芯片U5的驱动器输入端DI连接单片机U1的RS485输出端，所述RS485芯片U5的接收器使能脚驱动器使能脚DE均连接单片机U1的RS485控制脚，所述RS485芯片U5的同相脚A经RS485串口P5连接检测结果显示屏B3的RS485高电端，所述RS485芯片U5的反向脚B经RS485串口P5连接检测结果显示屏B3的RS485低电端，该反向脚B还串接第八电阻R8后接地；
所述RS485芯片U5的电源脚VCC连接电源VDD+3.3V，该电源脚VCC还串接第一八电容C18后接地，所述RS485芯片U5的地脚接地。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，包括液位检测传感器探头(A)、液位检测装置(B)，其中，每n个液位检测传感器探头(A)组成一组液位检测组合，所述液位检测组合的n个液位检测传感器探头(A)根据空间高度分别固定安装在拱顶内部结构的n个安装位，所述液位检测装置(B)对应每组液位检测组合设有一个采集通道，每个采集通道设有n个AD采集单元，所述AD采集单元的采集接收端组与所述液位检测传感器探头(A)的二根电极柱(A3)经导线(C)连接。
2.根据权利要求1所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述液位检测传感器探头(A)包括安装底板(A1)，该安装底板(A1)上固定有探头外壳(A2)，所述探头外壳(A2)顶部伸出有二根电极柱(A3)，所述电极柱(A3)的底部固定在探头外壳(A2)内，且所述电极柱(A3)底部连接有导线(C)的一端，所述导线(C)的另一端伸出探头外壳(A2)并连接所述AD采集单元的采集接收端组。
3.根据权利要求2所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述探头外壳(A2)底部开有电极安装槽(A21)，该电极安装槽(A21)槽口向下，所述探头外壳(A2)上部设有二个电极通道(A22)，所述电极通道(A22)贯穿所述探头外壳(A2)的上壁；
所述电极柱(A3)的下部伸入所述电极通道(A22)，且电极柱(A3)的底面与电极安装槽(A21)的顶面相接，所述电极柱(A3)的底面开有螺纹盲孔(A31)，所述螺纹盲孔(A31)内套装有螺钉(A32)，螺钉(A32)令所述电极柱(A3)的下部与所述电极通道(A22)过盈配合，且螺钉(A32)的头部直径大于所述电极通道(A22)的内径；
所述探头外壳(A2)的侧壁开有引线孔(A25)，该引线孔(A25)贯穿所述电极安装槽(A21)的侧壁。
4.根据权利要求2所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述探头外壳(A2)两侧的底部分别设有固定台(A23)，所述固定台(A23)开有上下贯通的螺纹通孔(A24)，所述安装底板(A1)上开有螺纹安装孔(A11)，该螺纹安装孔(A11)正对所述螺纹通孔(A24)。
5.根据权利要求1所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述液位检测装置(B)包括信号采集模块(B1)、信号处理单元(B2)、检测结果显示屏(B3)、电源模块(B4)；
所述信号处理单元(B2)的信号输入端组连接所述信号采集模块(B1)的信号输出端组，所述信号处理单元(B2)的结果输出端组连接所述检测结果显示屏(B3)的显示输入端组，所述电源模块(B4)为所述信号采集模块(B1)、信号处理单元(B2)、检测结果显示屏(B3)适配工作电压。
6.根据权利要求5所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，拱顶分设有m个区间检测段，每个区间检测段分别安装n个所述液位检测传感器探头(A)，所述信号采集模块(B1)对应设有m组区间采集通道，每组区间采集通道设置n个AD采集单元，所述AD采集单元与液位检测传感器探头(A)一一对应连接。
7.根据权利要求6所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述AD采集单元的两端分别连接液位检测传感器探头(A)的二个电极柱，其中，AD采集单元的输电端还连接采集端供电VAA+3.3V，AD采集单元的信号输出端还连接所述信号处理单元(B2)的一个信号输入脚，该信号输出端还串接一个电阻后接地，所述电阻的两端并联有一个保护电容。
8.根据权利要求6所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述信号处理单元(B2)包括单片机U1，该单片机U1设有m×n个脚为信号输入脚，每个信号输入脚分别连接一个AD采集单元的信号输出端，所述单片机U1的主供电电源脚连接电源VDD+3.3V，所述单片机U1的模拟电源脚连接基准电源REF+2.5V。
9.根据权利要求8所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述信号处理单元(B2)还包括RS232通信单元，该RS232通信单元包括RS232芯片U4，所述RS232芯片U4的发送端输入脚T2IN连接单片机U1的RS232发送端，所述RS232芯片U4的发送端输出脚T2OUT经RS232串口P6连接检测结果显示屏(B3)的RS232接收端；
所述RS232芯片U4的接收端输出脚R2OUT连接单片机U1的RS232接收端，所述RS232芯片U4的接收端输入脚R2IN经RS232串口P6连接检测结果显示屏(B3)的RS232发送端；
所述RS232芯片U4的外接电容脚C1+与C1-之间串联有第二零电容C20，所述RS232芯片U4的外接电容脚C2+与C2-之间串联有第二一电容C21，所述RS232芯片U4的正电压脚V+串接第一六电容C16后接隔离电压VDD-PCI，所述RS232芯片U4的负电压脚V-串接第一七电容C17后接地，所述RS232芯片U4的电源脚VCC连接所述隔离电压VDD-PCI，该电源脚VCC还串接第一九电容C19后接地，所述RS232芯片U4的地脚接地；
所述信号处理单元(B2)还包括RS485通信单元，该RS485通信单元包括RS485芯片U5，所述RS485芯片U5的接收器输出端RO连接单片机U1的RS485接收端，所述RS485芯片U5的驱动器输入端DI连接单片机U1的RS485输出端，所述RS485芯片U5的接收器使能脚驱动器使能脚DE均连接单片机U1的RS485控制脚，所述RS485芯片U5的同相脚A经RS485串口P5连接检测结果显示屏(B3)的RS485高电端，所述RS485芯片U5的反向脚B经RS485串口P5连接检测结果显示屏(B3)的RS485低电端，该反向脚B还串接第八电阻R8后接地；
所述RS485芯片U5的电源脚VCC连接电源VDD+3.3V，该电源脚VCC还串接第一八电容C18后接地，所述RS485芯片U5的地脚接地。
10.根据权利要求6所述的拱顶浇灌液位检测系统，特征在于，所述信号采集模块(B1)还包括校准通道，该校准通道的输电端连接采集端供电VAA+3.3V，所述校准通道的校准端连接单片机U1的校准输入脚，该校准端还串接一个电阻后接地，所述电阻的两端并联有一个保护电容；
所述校准通道的输电端与校准端分别连接标准传感器探头的二根电极柱。
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