CN113588723B

CN113588723B - 一种地下空间湿度的计算方法及其在物联网电子防渗系统中的应用

Info

Publication number: CN113588723B
Application number: CN202111029303.2A
Authority: CN
Inventors: 李伟; 韩子建; 吴向辉; 闫冬; 邰伟鹏; 周建平
Original assignee: Anhui Gongda Information Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Gongda Information Technology Co ltd
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2024-03-15
Anticipated expiration: 2041-09-03
Also published as: CN113588723A

Abstract

本发明公开了一种地下空间湿度的计算方法及其在物联网电子防渗系统中的应用，属于除湿防渗控制技术领域。针对现有设备的采集湿度不准确的问题，本发明对地下墙体和岩土各向异性响应特征进行研究，提出采用电阻率法计算地下墙体和岩土的含水率和湿度值，从而获得全面而准确的岩土层和混凝土的湿度的空间分布。传统的湿度测量方法只能测量墙体的表面湿度，而基于电阻率法可以测量墙体和外层岩土的空间体的电阻率，进而得到含水率和湿度值。该方法应用于物联网电子防渗系统，从而对地下墙体和岩土进行探测，获取更准确的含水率和湿度值，能及时地修改防渗设备电压值对墙体除湿，从而更有效地降低地下室内空间的湿度。

Description

一种地下空间湿度的计算方法及其在物联网电子防渗系统中的应用

技术领域

本发明属于地下建筑防潮除湿领域，具体涉及到一种基于电阻率的地下空间湿度的计算方法及系统。

背景技术

电渗透防渗除湿是一项防渗除湿防霉技术，主要用于地下工程、隧道、发电站、水库大坝、军工、建筑等工程中的防水、防渗、防潮和除湿领域。该技术打破了传统防水理念，“以水治水”，根据电渗透原理，通过一系列的低压多脉冲正负电荷工作而发展的新型防渗防潮防霉技术，它能彻底地永久地解决结构中渗漏潮湿和发霉问题。

随着对地球电各向异性特征的深入认识，各向同性假设下的电阻率标量观测具有局限性，针对真实的电各向异性介质开展测量已经成为一种必然趋势。20世纪80年代末至90年代初地下电阻率法的大规模使用使得地球物理勘探技术有了很大的提升，目前电阻率法和瞬变电磁法成为地球物理勘探的主要方法。传统的电阻率法存在以下缺陷：

水渗透至地下墙体裂缝时，局部电阻率将显著降低。裂隙表面的微观粗糙度和宏观开度直接对整体导电性产生影响。无法全面客观地反映地下墙体各向异性特征及时空演变规律，不利于电性异常的区域的精准定位，更影响了地下墙体除湿的宝贵时间。

经过检索，中国专利，一种除湿防渗设备的湿度控制方法，公开号CN108388284A，公开日2018-02-14，其公开了一种除湿防渗设备的湿度控制方法，属于除湿防渗设备控制技术领域。该专利存在以下缺陷：只是测量墙体湿度而忽视了墙体岩土本身电阻率与湿度的关系，湿度的探测也只是墙体表面湿度测量。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有除湿防渗设备的测量不准确和控制的精度不足，本发明提供一种地下空间湿度的计算方法，通过电阻率法，合理设置采集节点，获得墙体和岩土层的空间体的全面而准确的数据，进而推算整个地下空间墙体和室外岩土的湿度分布。同时结合物联网电子防渗系统，系统计算出地下空间湿度，以便判断是否继续除湿，使得地下室内空间达到期望湿度。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

针对现有除湿防渗设备的控制精度不高和电阻率相比于电阻率法不精确的问题，本发明通过数值模拟方法，合理对地下墙体各向异性响应特征进行研究，获得全面而准确的数据，从而可以测出土层和混凝土的含水率的分布。传统的湿度测量方法只能测量点和线，而基于电阻率法可以测量面的电阻率。该方法可以用于物联网电子防渗透设备，从而对地下墙体进行探测，降低湿度。

一种地下空间湿度的计算方法，包括以下步骤：

S1、确定待测空间的位置节点：位置节点包括发射节点和采集节点，每面墙设有一个发射节点，同时每面墙设有若干个采集节点；

S2、确定XYZ轴方向：以待测空间每面墙的墙面上水平方向为X轴方向，以待测空间每面墙的墙面上竖直方向为Y轴方向，以待测空间每面墙的墙体内部朝向为Z轴方向，X轴、Y轴、Z轴两两相互垂直；

S3、布置供电电极：以发射节点为XYZ轴的原点，分别等距离设置A1、A2、A3三个供电电极，其中，所述A1供电电极位于发射节点的X轴方向上，所述A2供电电极位于发射节点的Y轴方向上；所述A3供电电极位于发射节点的Z轴方向上；

S4、布置测量电极：以各个采集节点为XYZ轴的原点，在每个采集节点处及XYZ轴方向上分别设置M1、M2、M3、N四个测量电极，其中，所述测量电极M1位于各采集节点的X轴方向上，所述测量电极M2位于各采集节点的Y轴方向上，所述测量电极M3位于各采集节点的Z轴方向上，所述测量电极N位于各采集节点处；

S5、计算待测空间的地下空间湿度：

分别对A1、A2、A3供电，逐一测量M1、M2、M3与N间的电位差，得到电场强度分量分别为E₁、E₂、E₃；

获取各所述采集节点的电场强度分量，并根据欧姆定律的微分形式计算得到采集节点电阻率；

根据采集节点X轴和Y轴方向的电阻率，计算墙体电阻率，并取墙体电阻率的最大值，计算墙体湿度；

根据采集节点Z轴方向的电阻率，并取采集节点Z轴方向的电阻率的最大值，计算岩土湿度；

测量待测空间的空气湿度；

根据墙体湿度、岩土湿度、空气湿度，计算得到待测空间的地下空间湿度：

待测空间的地下空间湿度＝K₁×墙体湿度+K₂×岩土湿度+K₃×空气湿度，0＜K₁＜1，0＜K₂＜1，0＜K₃＜1。

进一步地，步骤S1中，所述发射节点布置在待测空间每面墙的中心点；待测空间每个墙体内侧划分成P×Q个区域，其中，P为行数，Q为列数，所述采集节点布置在每个区域内；每面墙的中心点布置一个发射点，每个区域布置一个采集节点，各发射点处分别设置供电电极A1、A2、A3，对供电电极进行通电，测出测量电极M1、M2、M3与N之间的电位差E₁、E₂、E₃，即电场强度分量，计算墙体和岩土的含水量分布。

本发明的接收点通过网格优化布置方法，减少了采集设备布置不合理导致的误差，从而用最少的采集设备数量，获得全面而准确的数据。先找出墙壁内表面的中心点，然后在中心点处开槽，将A1、A2电极埋入墙体内部，A3电极埋入墙外岩土中。对墙体采集节点的设置进行了网格优化，对测量电极M1、M2、M3与N进行网格化布置，能准确的测量整个墙体和岩土的电位差。

进一步地，P、Q划分的区域宽度和高度优选为100厘米*100厘米。

进一步地，所述步骤S3中，A1、A2、A3分别距离发射节点50厘米。

进一步地，所述步骤S4中，由于墙体厚度的存在，M3的设置需要位于岩土内，故M1、M2、M3分别与其相应的采集节点之间距离分别为50厘米、50厘米、200厘米。

进一步地，步骤S5具体为：

(1)电场强度分量微分形式为：

E_i＝ρJ_i

E_i为电场强度矢量，J_i为电流密度矢量，i＝1，2，ρ为电阻率；E1为M1与N间的电场强度矢量；E₂为M2与N间电场强度矢量；J₁为M1与N间的电流密度矢量；J₂为M2与N间的电流密度矢量。

(2)将步骤(1)中的公式扩展两个分量：

E₁₁和E₁₂分别为E₁的两个分量，E₂₁和E₂₂分别为E2的两个分量，ρ₁₁和ρ₁₂分别为E₁的两个分量方向上的电阻率分量，ρ₂₁和ρ₂₂分别为E₂的两个分量方向上的电阻率分量，J₁₁和J₁₂分别为E1的两个分量方向上的电流密度分量，J₂₁和J₂₂分别为E₂的两个分量方向上的电流密度分量；其中，E₁ ²＝E₁₁ ²+E₁₂ ²，E₂ ²＝E₂₁ ²+E₂₂ ²。

(3)计算墙体的电流分量：

设供电电极A_i的矢径r_Ai＝(x_Ai，y_Ai)，全平面任意场点M的矢径为r＝(x_r，y_r)，则M处的电流密度分量为：

式中，I为供电电流的强度，x_r为测点到测量原点X方向上的距离，y_r为测点到测量原点Y方向上的距离，x_Ai为测点到Ai的X方向上的距离，y_Ai为测点到Ai的Y方向上的距离，J_iX和J_iY为X、Y方向的电流密度分量，i＝1、2；

(4)反推出墙体电阻率：

得出测量点的电阻率为ρ_s，循环测量P×Q个测量点的电阻率，得出一面墙体的空间电阻率分布情况，取最大值

ρ_max＝MAX{ρ₁，ρ₂……，ρ_P×Q}

(5)根据电阻率计算墙体湿度方法为：

式中，W为墙体湿度；b为墙体土性参数；k为墙体综合结构参数；T为墙体温度；α为试验常数，为0.025℃^-1；

(6)计算岩土的电阻率：

计算Z轴方向的岩土的电流分量方法为：

式中，I为供电电流的强度；z_r为测点到测量原点Z方向上的距离，z_Ai为测点到Ai的Z方向上的距离，i＝1、2；根据Z轴的电流密度分量，计算出电阻率；根据Z轴的电流密度分量，计算出电阻率，J_iZ为Z轴方向的电流密度分量计算出综合电阻率；根据E_i＝ρJ_i，得出岩土的电阻率ρ′＝E₃/J_iZ，取最大值

ρ′max＝MAX{ρ₁’，ρ₂’……，ρ_P×Q’}

(7)根据岩土的种类、泥沙松软程度，确定对应的岩土的土性参数和土综合结构参数；用温度传感器确定岩土的温度，再用岩土电阻率ρ′_max代入湿度公式，算出地下岩土的湿度W′：

(8)测量待测空间的空气湿度，计算得到待测空间的地下空间湿度：

待测空间的地下空间湿度＝K₁×墙体湿度+K₂×岩土湿度+K₃×空气湿度，

0＜K₁＜1，0＜K₂＜1，0＜K₃＜1。

一种上述所述地下空间湿度的计算方法在物联网电子防渗系统中的应用，物联网电子防渗系统包括主控设备、电极采集和发射装置，所述主控设备包括无线发射/接收模块A、微控制模块、电压输出模块和GPRS通讯模块，所述电极采集和发射装置包括无线发射/接收模块B、微控制单元模块、发射电极和采集电极，所述发射电极包括供电电极，所述采集电极包括测量电极和环境电极，采集电极用于采集电场强度分量以及待测空间的空气湿度；无线发射/接收模块B接收采集电极的数据并将数据发送至微控制单元模块处理为可读数据，处理后的数据被至无线发射/接收模块A接收并发送到微控制模块，微控制模块用于数据处理计算得到待测空间的地下空间湿度，电压输出模块根据待测空间的地下空间湿度数值大小调控电压大小，以使湿度在正常范围内，GPRS通讯模块以实现数据的无线传输。

本发明的物联网电子防渗系统根据地下空间湿度变化可以修改设备的电压等参数，定时测量湿度，达到防渗除湿目的；同时地下空间湿度计算与物联网电子防渗系统是一体的系统，系统计算出地下墙体含水量，调整物联网电子防渗系统输出功率。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用电阻率法，减少了电阻率的误差，在地下探测墙体时考虑多个位置的问题，有效的减少了传统地下墙体湿度测量存在的误差；

(2)本发明为保证待检测空间的空气综合湿度、岩土综合湿度、墙体综合湿度的有效性和准确性，对发射点和采集节点的布置进行了优化，能准确的反映待检测空间的真实湿度；

(3)本发明的待检测空间的墙体采集节点设置，通过网格划分，对墙体采集节点的设置进行了优化，减少了墙体采集节点的数量，又能准确的反映墙体的电阻率；

(4)本发明的发射点设置在墙体的中心处，采集节点围绕发射点均匀布置，获得全面而准确的数据；

(5)本发明的防渗系统为了保证防渗设备的可靠性和有效性，物联网电子防渗设备由主控设备和电极采集发射装置构成，GPRS无线通讯能稳定的传输数据，实现多级电源选择、耐高压全桥电极转换、脉冲波形可调、双模式网络通信选择，功能比较完善；适用于地下10-20米的空间探测湿度，多方位采集多种数据；

(6)本发明结合云服务器和Web系统，实现远程数据存储、分析和展示，用户可以远程实时监测和控制设备，浏览设备实时工作状况。根据综合湿度变化，系统自动或手动改变设备工作参数，增加或降低功耗，达到防渗除湿目的。

附图说明

图1为本发明物联网电子防渗系统的结构框图；

图2为本发明地下空间电极布置图；

图3为本发明探测地下空间电阻率设备工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，物联网电子防渗系统包括主控设备、电极采集和发射装置，所述主控设备包括无线发射/接收模块A、微控制模块、电压输出模块和GPRS通讯模块，所述电极采集和发射装置包括无线发射/接收模块B、微控制单元模块、发射电极和采集电极，所述发射电极包括供电电极，所述采集电极包括测量电极和环境电极，采集电极用于采集电场强度分量以及待测空间的空气湿度；无线发射/接收模块B接收采集电极的数据并将数据发送至微控制单元模块处理为可读数据，处理后的数据被至无线发射/接收模块A接收并发送到微控制模块，微控制模块用于数据处理计算得到待测空间的地下空间湿度，电压输出模块根据待测空间的地下空间湿度数值大小调控电压大小，以使湿度在正常范围内，GPRS通讯模块以实现数据的无线传输。

主控设备稳定工作状态下的输出电压与所处的室内空气湿度、墙体的湿度、岩土湿度直接相关。

如图2和图3所示，本发明的实施例提供的除湿防渗设备的湿度计算方法，其中，包括以下步骤：

(1)布置待检测空间的采集节点；

首先布置墙体用电极。在发射点处分别设置两组第一供电电极，设置为A1、A2，A1沿着墙体的横向布置，即X轴；A2发射电极沿着墙体的纵向布置，即Y轴；在各采集节点处分别设置三组第一测量电极，每点的三组测量电极设置为M1、M2、N，以N为测量原点，M1位于采集节点沿着建筑物的横向方向，即X轴；M2位于采集节点沿着建筑物外部的方向，即Y轴。

然后布置岩土用电极。在发射点处设置一组第二供电电极，设置为A3，A3位于发射点沿着建筑物的纵向方向，即Z轴。在各采集节点处分别设置一组第二测量电极，每点的一组测量电极设置为M3，以N为测量原点，M3位于采集节点沿着建筑物的纵向方向，即Z轴。

(2)对A1、A2、A3分别供电，逐一测量M1、M2、M3与N间的电位差，得到电场强度分量，主控设备获取各所述采集节点电场强度分量，并根据欧姆定律的微分形式进行计算得到所有采集节点电阻率。根据最大电阻率与湿度的公式计算出湿度。根据墙体湿度、岩土湿度、空气湿度得到综合湿度值。

实施例2

实施例1步骤(1)中确定待检测空间的墙壁内表面的发射点和采集节点做出如下选择：

(1)为保证待检测空间的空气湿度、墙体湿度、岩土湿度的有效性和准确性，对发射点和采集节点的布置进行了网格优化，某地下墙体的宽度为1000厘米、高度400厘米，每个区域优选宽度和高度分别为100厘米、100厘米，则将待检测空间每个墙体表面划分成1000/100×400/100＝40个区域；

(2)每面墙的中心点布置一个发射点，每个区域布置一个采集节点，各发射点处分别设置供电电极A1、A2、A3；

(3)发射点处分别对电极A1、A2、A3通电，测出40个采集节点测量电极M1、M2、M3与N之间的电位差E₁、E₂、E₃，即电场强度分量。

实施例3

根据稳恒电流场的电场强度与电流密度间的关系满足欧姆定律，其微分形式公式为：

E_i＝ρJ_i

E_i为电场强度矢量；J_i为电流密度矢量；i＝1，2。ρ为电阻率。

将公式扩展两个分量公式：

进一步，计算得到地下墙体的电流分量：

设供电电极A_i的矢径r_Ai＝(x_Ai，y_Ai)，则全平面任意场点M(矢径为r＝(x_r，y_r))处的电流密度分量公式为：

进一步，反推出地下墙体电阻率公式：

实际计算中，E₁₁大约为251.4，E₁₂大约为328.9，E₂₁大约为253.1，E₂₂大约为344.7；J₁₁大约为2.33，J₁₂大约为5.22，J₂₁大约为4.42，J₂₂大约为4.19。计算出对应的四个电阻率ρ₁₁、ρ₁₂、ρ₂₁、ρ₂₂分别为2.22、2.47、3.12、2.49。

得出测量点的电阻率为ρ_s，循环测量40个测量点的电阻率，得出一面墙体的空间电阻率分布情况，取最大值ρ_max＝MAX{ρ₁，ρ₂……，ρ₄₀}。该墙体最大的电阻率约为3.0Ω·cm。

进一步，计算地下墙体外侧岩土的电阻率：

主控设备计算Z轴方向岩土的电流分量公式为：

式中，I为供电电流的强度；z_r为测点到测量原点Z方向上的距离，z_Ai为测点到Ai的Z方向上的距离，i＝1、2。根据Z轴的电流密度分量，计算出电阻率。根据E_i＝ρJ_i，得出岩土的电阻率ρ′＝E₃/J_iz，取最大值

ρ′_max＝MAX{ρ1’，ρ2’…，ρ₁₀₀′}。本次实验得出的具体电阻率最大值为477.54Ω·cm。

实施例4

通过得出的墙体的电阻率ρ_max和岩土电阻率ρ′_max，计算出墙体的湿度W和岩土的湿度W’。在根据W、W’、和空气湿度W_空气得到综合湿度，作为除湿防渗设备调参的输入参数。

通过计算出的电阻率，结合确定的土性参数、土综合结构参数，通过温度传感器获取岩土温度，进行计算测得该测点的湿度。墙体电阻率与墙体湿度的关系如下：

式中，W为墙体湿度；b为墙体土性参数；k为墙体综合结构参数；T为墙体温度；ρ为墙体的电阻率；α为试验常数，约为0.025℃^-1。计算得出墙体湿度为80％。

根据岩土的种类、泥沙松软程度，确定对应的岩土的土性参数和土综合结构参数；本次实验中的粘土土性参数大约为18，墙体综合结构参数为35.6，电阻率约为477.54。用温度传感器确定岩土的温度，约为12℃，再用岩土电阻率ρ′_max＝1.29Ω·cm代入湿度公式，算出地下岩土的湿度W’＝95％。

综合湿度由墙体湿度W、岩土湿度W′、空气湿度W_空气确定，根据综合湿度变化修改设备的电压等参数，定时测量湿度，达到防渗除湿目的。空气湿度实地测量为70％。其中Kl＝0.5、K2＝0.25、K3＝0.25。计算得出本次实验综合湿度(即待测空间的地下空间湿度)为81.25％。物联网电子防渗系统根据湿度调整输出电压、功率，降低墙体的湿度，进而降低地下空间的空气湿度。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims

1.一种地下空间湿度的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S5、计算待测空间的地下空间湿度：

测量待测空间的空气湿度；

2.根据权利要求1所述的一种地下空间湿度的计算方法，其特征在于：步骤S1中，所述发射节点布置在待测空间每面墙的中心点；待测空间每个墙体内侧划分成P×Q个区域，其中，P为行数，Q为列数，所述采集节点布置在每个区域中心点处。

3.根据权利要求2所述的一种地下空间湿度的计算方法，其特征在于：P×Q个区域中，每个区域宽度和高度均为100厘米。

4.根据权利要求1所述的一种地下空间湿度的计算方法，其特征在于：所述步骤S3中，A1、A2、A3分别距离发射节点50厘米。

5.根据权利要求1所述的一种地下空间湿度的计算方法，其特征在于：所述步骤S4中，M1、M2、M3分别与其相应的采集节点之间距离分别为50厘米、50厘米、200厘米。

6.根据权利要求2所述的一种地下空间湿度的计算方法，其特征在于：步骤S5具体为：

(1)电场强度分量微分形式为：

E_i＝ρJ_i

E_i为电场强度矢量，J_i为电流密度矢量，i＝1，2，ρ为电阻率；E₁为M1与N间的电场强度矢量；E₂为M2与N间电场强度矢量；J₁为M1与N间的电流密度矢量；J₂为M2与N间的电流密度矢量；

(2)将步骤(1)中的公式扩展两个分量：

E₁₁和E₁₂分别为E₁的两个分量，E₂₁和E₂₂分别为E₂的两个分量，ρ₁₁和ρ₁₂分别为E₁的两个分量方向上的电阻率分量，ρ₂₁和ρ₂₂分别为E₂的两个分量方向上的电阻率分量，J₁₁和J₁₂分别为E₁的两个分量方向上的电流密度分量，J₂₁和J₂₂分别为E₂的两个分量方向上的电流密度分量；

(3)计算墙体的电流分量：

设供电电极A_i的矢径r_Ai＝(x_Ai，y_Ai)，全平面任意场点M的矢径为r＝(x_r,y_r)，则M处的电流密度分量为：

(4)反推出墙体电阻率：

ρ_max＝MAX{ρ₁，ρ₂……,ρ_P×Q}

(5)根据电阻率计算墙体湿度方法为：

(6)计算岩土的电阻率：

计算Z轴方向的岩土的电流分量方法为：

式中，I为供电电流的强度；z_r为测点到测量原点Z方向上的距离，z_Ai为测点到Ai的Z方向上的距离，i＝1、2；根据Z轴的电流密度分量，计算出电阻率；根据E_i＝ρJ_i，得出岩土的电阻率ρ′＝E₃/J_iZ，取最大值：

ρ′max＝MAX{ρ₁’，ρ₂’……,ρ_P×Q’}

(7)根据岩土的种类、泥沙松软程度，确定对应的岩土的土性参数和土综合结构参数；用温度传感器确定岩土的温度，再用岩土电阻率ρ′_max代入湿度公式，算出地下岩土的湿度W'：

7.一种权利要求1-6任意一项所述地下空间湿度的计算方法在物联网电子防渗系统中的应用，其特征在于：物联网电子防渗系统包括主控设备、电极采集和发射装置，所述主控设备包括无线发射/接收模块A、微控制模块、电压输出模块和GPRS通讯模块，所述电极采集和发射装置包括无线发射/接收模块B、微控制单元模块、发射电极和采集电极，所述发射电极包括供电电极，所述采集电极包括测量电极和环境电极，采集电极用于采集电场强度分量以及待测空间的空气湿度；无线发射/接收模块B接收采集电极的数据并将数据发送至微控制单元模块处理为可读数据，处理后的数据被至无线发射/接收模块A接收并发送到微控制模块，微控制模块用于数据处理计算得到待测空间的地下空间湿度，电压输出模块根据待测空间的地下空间湿度数值大小调控电压大小，以使湿度在正常范围内，GPRS通讯模块以实现数据的无线传输。