CN113756177A - 一种桥塔横梁智能融雪化冰系统及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种桥塔横梁智能融雪化冰系统及其施工方法，该系统包括不锈钢板、安装于不锈钢板的碳纤维发热电缆、隔热膜，隔热膜贴敷于不锈钢板上安装有碳纤维发热电缆的一面，不锈钢板安装于桥塔横梁表面；智能融雪化冰系统包括温云数据库、云服务器、智能控制器、电路检测模块、终端系统、布置在不锈钢板的表面的温度传感器、结冰探测传感器、湿度传感器、布置在桥塔横梁上方的高清摄像头，温度传感器、结冰探测器、湿度传感器、高清摄像头分别与云数据库连接，云数据库通过云服务器与智能控制器连接，电路检测模块与碳纤维发热线串联。本发明可实现全自动化的主动式和预防式的精准、节能、高效的融雪化冰，以解决桥塔横梁结冰问题。
Description
技术领域
本发明涉及市政工程融雪化冰技术领域，具体是一种桥塔横梁智能融雪化冰系统及其施工方法。
背景技术
冬季我国中部和北部大部分地区常常被冰雪覆盖且气温过低，由于水面上的湿度相对较大，跨江、跨海大桥的桥塔横梁结冰问题成为了目前广泛关注的话题，相比于传统的道路、桥梁、机场融雪化冰技术而言，桥塔横梁无法通过预埋碳纤维发热线的方式进行融雪化冰，而外置碳纤维发热线则会受到高风速、强降雨的影响，使得碳纤维发热线给构件传热效率大大降低，无法达到融雪化冰的效果；同时，由于桥塔横梁在桥面上空较高的位置，以往的融雪化冰技术，是在已结冰之后再进行除冰，如用于桥塔横梁上，冰柱与横梁的接触面融化以后，冰柱仍然会从高空掉落下来，给桥面的行人和车辆造成威胁，这种方法往往存在着被动性与事后性。
发明内容
本发明的目的是克服现有融雪化冰技术的缺陷和不足，提供一种桥塔横梁智能融雪化冰系统及其施工方法，可实现全自动化的主动式和预防式的精准、节能、高效的融雪化冰，以解决桥塔横梁结冰问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种桥塔横梁智能融雪化冰系统，包括电加热装置及智能控制系统；
所述电加热装置包括不锈钢板、安装于不锈钢板的碳纤维发热电缆、隔热膜，隔热膜贴敷于不锈钢板上安装有碳纤维发热电缆的一面，不锈钢板安装于桥塔横梁表面上部和下部边缘结冰处；
所述智能融雪化冰系统包括温度传感器、结冰探测传感器、湿度传感器、高清摄像头、云数据库、云服务器、智能控制器、电路检测模块、终端系统，温度传感器、结冰探测传感器、湿度传感器布置在不锈钢板的表面，高清摄像头布置在桥塔横梁上方，温度传感器、结冰探测器、湿度传感器、高清摄像头分别与云数据库连接，云数据库通过云服务器与智能控制器连接；
云服务器用于自动提取云数据库的数据进行机器学习，预测出碳纤维发热线的供应电压、电流和时长，输出碳纤维发热线的工作指令给智能控制器，所述智能控制器用于对云服务器输出的碳纤维发热线工作指令进行解码，从而控制碳纤维发热线的工作状态；所述电路检测模块与碳纤维发热线串联，用于在监测到碳纤维发热线中有线路断路或者损坏导致无法正常工作时通对终端系统发出报警指令。
进一步的，所述终端系统通过HTTP协议访问云数据库和控制智能控制器。
进一步的，所述不锈钢板开设有凹槽，用来放置碳纤维发热电缆。
进一步的，还包括卡扣，用来将碳纤维发热电缆固定在不锈钢板凹槽中。
进一步的，所述隔热膜为双层隔热铝膜。
进一步的，所述不锈钢板和隔热膜之间采用耐高温绝缘胶水进行粘接。
进一步的，所述湿度传感器用于实时监测桥塔表面的温度变化，结冰探测器用于根据气体、液体和固体的固有频率进行探测结冰，探测桥塔横梁表面3种状态，分别为：干燥、潮湿、结冰，布置在最易形成冰柱的横梁下边缘的不锈钢板上；湿度传感器用于实时监测不锈钢板表面的湿度变化；高清摄像头用于采集不锈钢表面的具体结冰状况。
一种桥塔横梁智能融雪化冰系统的施工方法，包括如下步骤：
第一步、制作电加热装置：在不锈钢板上制作直径凹槽，将碳纤维发热电缆均匀布置在凹槽中，用卡扣卡住碳纤维发热电缆，用第一螺栓将卡扣和不锈钢板固定在一起，用耐高温绝缘胶水将隔热膜和不锈钢板粘在一起，即可得到电加热装置，最后将电加热装置用第二螺栓固定在桥塔横梁表面上部和下部边缘结冰处；
第二步、装配智能控制系统：布置温度传感器、湿度传感器在不锈钢板表面下边缘易结冰处，实时监测不锈钢板下边缘处的温度和湿度变化；布置结冰探测器在不锈钢板上，根据气体、液体和固体的固有频率探测不锈钢板表面状态；布置高清摄像头在桥塔横梁上，采集不锈钢表面的具体结冰状况；以上采集到的数据通过TCP/IP协议自动储存到云数据库；云服务器内置有数据分析模块，通过TCP/IP协议自动提取云数据库的数据进行机器学习，预测出碳纤维发热线的供应电压、电流和时长，输出碳纤维发热线的工作指令，并将指令通过Modbus协议传输到智能控制器；智能控制器用于对云服务器输出的碳纤维发热线工作指令进行解码，从而控制碳纤维发热线的工作状态；
第三步、设置报警装置：将电路检测模块与碳纤维发热线串联，如有线路断路或者损坏导致无法正常工作，则通过GSM通信系统自动对终端系统发出报警指令；终端系统通过HTTP协议访问云数据库和控制智能控制器，实现数据的可视化，同时人为干预智能控制器实现应急需求。
进一步的，还包括第四步、对电加热装置进行防锈蚀处理：防锈蚀处理分为3小步：
4.1：在电加热装置中的不锈钢板表面进行二次表面清理和喷砂除锈，去除不锈钢板表面的金属氧化皮、绣、污垢、焊渣杂质；
4.2：对不锈钢板表面进行电弧喷涂，在不锈钢板表面采用电弧喷铝伪合金，电弧喷涂在相对湿度小于85％环境下进行，喷砂后在8小时内进行电弧喷涂工作；电弧喷涂电流在40～400A，喷涂电压在28～36V，喷涂气压在0.5Mpa以上，喷涂距离在100～300㎜，喷涂角度在60～90°范围内进行控制，喷涂轨迹搭接范围1/4～1/3；
4.3：在开口处进行封闭处理，封闭处理分别进行预涂和封闭涂装两部分，对边角和死角地方采用手工提前进行刷涂，封闭时采用高压无气喷涂设备进行，第一道封闭涂层采用刷涂。
进一步的，还包括第五步、进行焊缝处理和封闭处理：对于钢结构横梁，在电弧喷涂防腐施工时应预留出焊接部位，将不锈钢板与桥塔横梁接触处进行焊缝处理，再涂上密封橡胶；对于混凝土结构横梁，在不锈钢板与横梁接触部分糊上水泥，再铺设PVC自粘型防水卷材
本发明的有益效果：
1、通过电加热装置解决了碳纤维发热电缆在高风速、强降雨低温环境下传热不理想的问题，使得碳纤维发热电缆不需要通过预埋也可以高效的传递热量；同时不锈钢板的存在改变了桥塔横梁的结冰面，由原本碳纤维发热电缆给混凝土传热变成了给导热性更好的不锈钢板传热，极大提升了碳纤维发热电缆的传热效率，增强了融雪化冰效果，同时也对碳纤维发热电缆起到了优良的保护作用，延长碳纤维发热电缆的使用寿命；
2、通过智能控制系统中温度传感器、结冰探测器、湿度传感器、高清摄像头等设备，可以精确探测和采集不锈钢板表面的实时状态，采集数据自动上传至云数据库；通过云服务器、智能控制器、终端系统共同作用下可全部实现整套智能系统的运转，解决了以往融雪化冰技术通过人工操作带来的延时性、低效性、高能耗等诸多弊端，从而实现实时、精准、节能、安全的预防式和主动式桥塔横梁融雪化冰自动化；
3、通过与电加热装置串联电路监测模块，可做到在有线路断路或损坏的情况下，通过GSM通信系统自动对终端系统17发出报警指令，起到对碳纤维发热电缆的即使保护作用，为后续检查维修也提供了便利。
4、通过对电加热装置的不锈钢板防锈蚀处理和焊缝封闭处理，可做到与桥塔横梁紧密贴合，防止雨水进入电加热装置中而造成电路损坏。
附图说明
图1为本发明桥塔横梁智能融雪化冰系统中电加热装置的组装结构示意图；
图2为本发明桥塔横梁智能融雪化冰系统中电加热装置的分解结构示意图；
图3为本发明桥塔横梁智能融雪化冰系统中电加热装置的侧面剖视图；
图4为本发明桥塔横梁智能融雪化冰系统中智能融雪化冰控制系统的结构示意图；
图5为本发明桥塔横梁智能融雪化冰系统安装于桥塔横梁时的结构示意图。
图中：1—不锈钢板，2—碳纤维发热电缆，3—隔热膜3，4—凹槽，5—卡扣，6—第一螺栓，7—耐高温绝缘胶水，8—第二螺栓，9—温度传感器，10—结冰探测传感器，11—湿度传感器，12—高清摄像头，13—云数据库，14—云服务器，15—智能控制器，16—电路检测模块，17—终端系统，100—电加热装置，200—桥塔横梁。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明实施例提供一种桥塔横梁智能融雪化冰系统，包括电加热装置100及智能控制系统，所述电加热装置100安装在桥塔横梁200表面上部和下部结冰处，起到保护碳纤维发热电缆和改变桥塔横梁结冰面的作用，智能控制系统用于为电加热装置100中的碳纤维发热电缆提供精准的供电功率。
所述电加热装置100包括不锈钢板1、碳纤维发热电缆2、隔热膜3、凹槽4、卡扣5、第一螺栓6、耐高温绝缘胶水7、第二螺栓8。
所述不锈钢板1为403型号不锈钢板，厚度为0.4mm，起到充当传热介质并均匀的分布，同时具有保护碳纤维发热电缆2的作用；碳纤维发热电缆2为48K碳纤维发热电缆，具有发热稳定、热效率高等优点，为桥塔横梁融雪化冰提供热源；所述不锈钢板1开设有凹槽4，用来放置碳纤维发热电缆2；隔热膜3为双层隔热铝膜，贴敷于不锈钢板1上安装有碳纤维发热电缆2的一面，可以使碳纤维发热电缆2产生的热量以最大程度向不锈钢板1传热；卡扣5用来将碳纤维发热电缆2固定在不锈钢板1凹槽4中；第一螺栓6用来固定卡扣5；耐高温绝缘胶水7为S523耐高温无机胶，用来粘贴不锈钢板1和隔热膜3，使碳纤维发热电缆2紧密处于不锈钢板1和隔热膜3之间；第二螺栓8用来将上述形成的整体装置固定在桥塔横梁200上。
请继续参阅图4，所述智能融雪化冰系统包括温度传感器9、结冰探测传感器10、湿度传感器11、高清摄像头12、云数据库13、云服务器14、智能控制器15、电路检测模块16、终端系统17。
所述温度传感器9、结冰探测器10和湿度传感器11布置在不锈钢板1的表面。湿度传感器11用于实时监测桥塔表面的温度变化；结冰探测器10是根据气体、液体和固体的固有频率进行探测结冰，具有高灵敏性，可探测桥塔横梁表面3种状态，分别为：干燥、潮湿、结冰，布置在最易形成冰柱的横梁下边缘的不锈钢板上；湿度传感器11用于实时监测不锈钢板1表面的湿度变化。高清摄像头12布置在桥塔横梁上方，用于采集不锈钢表面的具体结冰状况；温度传感器9、结冰探测器10、湿度传感器11、高清摄像头12采集到的数据通过TCP/IP协议自动储存到云数据库13；云服务器14内置有数据分析模块，通过TCP/IP协议自动提取云数据库13的数据进行机器学习，预测出碳纤维发热线2的供应电压、电流和时长，输出碳纤维发热线2的工作指令，并将指令通过Modbus协议传输到智能控制器15；智能控制器15对云服务器14输出的碳纤维发热线2工作指令进行解码，从而控制碳纤维发热线2的工作状态。
所述电路检测模块16与碳纤维发热线2串联，用于在监测到碳纤维发热线2中有线路断路或者损坏导致无法正常工作，通过GSM通信系统自动对终端系统17发出报警指令；终端系统17可通过HTTP协议访问云数据库13和控制智能控制器15，终端系统17是一个人机交互的Web界面，实现数据的可视化，同时人为干预智能控制器15，可实现应急需求。智能融雪化冰系统和电加热装置100的共同工作可保证不锈钢板表面的温度一直在4℃±0.5℃，能有效地防止桥塔横梁结冰。
本发明实施例还提供一种桥塔横梁智能融雪化冰系统的施工方法，包括如下步骤：
第一步、制作电加热装置100：在不锈钢板1上制作直径1cm的U形凹槽4，将碳纤维发热电缆2均匀布置在凹槽4中，用卡扣3卡住碳纤维发热电缆2，用螺栓4将卡扣3和不锈钢板1固定在一起，用耐高温绝缘胶水7将隔热膜3和不锈钢板1粘在一起，紧密贴合，即可得到电加热装置100。最后将整套装置用第二螺栓8固定在桥塔横梁表面上部和下部边缘结冰处。
第二步、装配智能控制系统：布置温度传感器9、湿度传感器11在不锈钢板1表面下边缘易结冰处，实时监测不锈钢板1下边缘处的温度和湿度变化；布置结冰探测器10在不锈钢板1上，据气体、液体和固体的固有频率探测不锈钢板1表面状态；布置高清摄像头12在桥塔横梁上，采集不锈钢表面的具体结冰状况；以上采集到的数据通过TCP/IP协议自动储存到云数据库13；云服务器14内置有数据分析模块，通过TCP/IP协议自动提取云数据库13的数据进行机器学习，预测出碳纤维发热线2的供应电压、电流和时长，输出碳纤维发热线2的工作指令，并将指令通过Modbus协议传输到智能控制器15；智能控制器15对云服务器14输出的碳纤维发热线2工作指令进行解码，从而控制碳纤维发热线2的工作状态、
第三步、设置报警装置：将电路检测模块16与碳纤维发热线2串联，如有线路断路或者损坏导致无法正常工作，则会通过GSM通信系统自动对终端系统17发出报警指令；终端系统17可通过HTTP协议访问云数据库13和控制智能控制器15，是一个人机交互的Web界面，实现数据的可视化，同时人为干预智能控制器15可实现应急需求。智能融雪化冰系统和电加热装置100的共同工作可保证不锈钢板表面的温度一直在4℃±0.5℃，能有效地防止桥塔横梁结冰。
第四步、对电加热装置100进行防锈蚀处理：防锈蚀处理可分为3小步：
4.1：在电加热装置100中的不锈钢板表面进行二次表面清理和喷砂除锈，去除不锈钢板表面的金属氧化皮、绣、污垢、焊渣等杂质；
4.2：对不锈钢板表面进行电弧喷涂，在不锈钢板表面采用电弧喷铝伪合金，可做到长效防腐。电弧喷涂应在相对湿度小于85％环境下进行，喷砂后应在8小时内进行电弧喷涂工作。相对湿度增大时，应进一步减少喷砂和电弧喷涂的时间间隔。电弧喷涂电流在40～400A，喷涂电压在28～36V，喷涂气压在0.5Mpa以上，喷涂距离在100～300㎜，喷涂角度在60～90°范围内进行控制，喷涂轨迹搭接范围1/4～1/3。
4.3：在开口处进行封闭处理，封闭处理应分别进行预涂和封闭涂装两部分，对边角和死角地方采用手工提前进行刷涂，封闭时采用高压无气喷涂设备进行，第一道封闭涂层最好采用刷涂，以便于封闭剂能更好地渗入锌铝伪合金涂层孔隙内。
第五步、进行焊缝处理和封闭处理：对于钢结构横梁，可在电弧喷涂防腐施工时应预留出焊接部位，将不锈钢板1与桥塔横梁接触处进行焊缝处理，再涂上密封橡胶，由于密封橡胶本身是优良的防腐蚀材料，抗老化性能优良，具有良好的变形能力，它能防止雨水流落到装置缝隙内，起到双重密封防腐蚀保护作用。对于混凝土结构横梁，可在不锈钢板与横梁接触部分糊上水泥，再铺设PVC自粘型防水卷材，以弥补水泥抗渗性不足的问题，起到充分防水作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种桥塔横梁智能融雪化冰系统，其特征在于：包括电加热装置及智能控制系统；
所述电加热装置包括不锈钢板、安装于不锈钢板的碳纤维发热电缆、隔热膜，隔热膜贴敷于不锈钢板上安装有碳纤维发热电缆的一面，不锈钢板安装于桥塔横梁表面上部和下部边缘结冰处；
所述智能融雪化冰系统包括温度传感器、结冰探测传感器、湿度传感器、高清摄像头、云数据库、云服务器、智能控制器、电路检测模块、终端系统，温度传感器、结冰探测传感器、湿度传感器布置在不锈钢板的表面，高清摄像头布置在桥塔横梁上方，温度传感器、结冰探测器、湿度传感器、高清摄像头分别与云数据库连接，云数据库通过云服务器与智能控制器连接；
云服务器用于自动提取云数据库的数据进行机器学习，预测出碳纤维发热线的供应电压、电流和时长，输出碳纤维发热线的工作指令给智能控制器，所述智能控制器用于对云服务器输出的碳纤维发热线工作指令进行解码，从而控制碳纤维发热线的工作状态；所述电路检测模块与碳纤维发热线串联，用于在监测到碳纤维发热线中有线路断路或者损坏导致无法正常工作时通对终端系统发出报警指令。
2.如权利要求1所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统，其特征在于：所述终端系统通过HTTP协议访问云数据库和控制智能控制器。
3.如权利要求1所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统，其特征在于：所述不锈钢板开设有凹槽，用来放置碳纤维发热电缆。
4.如权利要求3所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统，其特征在于：还包括卡扣，用来将碳纤维发热电缆固定在不锈钢板凹槽中。
5.如权利要求1所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统，其特征在于：所述隔热膜为双层隔热铝膜。
6.如权利要求1所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统，其特征在于：所述不锈钢板和隔热膜之间采用耐高温绝缘胶水进行粘接。
7.如权利要求1所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统，其特征在于：所述湿度传感器用于实时监测桥塔表面的温度变化，结冰探测器用于根据气体、液体和固体的固有频率进行探测结冰，探测桥塔横梁表面3种状态，分别为：干燥、潮湿、结冰，布置在最易形成冰柱的横梁下边缘的不锈钢板上；湿度传感器用于实时监测不锈钢板表面的湿度变化；高清摄像头用于采集不锈钢表面的具体结冰状况。
8.一种桥塔横梁智能融雪化冰系统的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步、制作电加热装置：在不锈钢板上制作直径凹槽，将碳纤维发热电缆均匀布置在凹槽中，用卡扣卡住碳纤维发热电缆，用第一螺栓将卡扣和不锈钢板固定在一起，用耐高温绝缘胶水将隔热膜和不锈钢板粘在一起，即可得到电加热装置，最后将电加热装置用第二螺栓固定在桥塔横梁表面上部和下部边缘结冰处；
第二步、装配智能控制系统：布置温度传感器、湿度传感器在不锈钢板表面下边缘易结冰处，实时监测不锈钢板下边缘处的温度和湿度变化；布置结冰探测器在不锈钢板上，根据气体、液体和固体的固有频率探测不锈钢板表面状态；布置高清摄像头在桥塔横梁上，采集不锈钢表面的具体结冰状况；以上采集到的数据通过TCP/IP协议自动储存到云数据库；云服务器内置有数据分析模块，通过TCP/IP协议自动提取云数据库的数据进行机器学习，预测出碳纤维发热线的供应电压、电流和时长，输出碳纤维发热线的工作指令，并将指令通过Modbus协议传输到智能控制器；智能控制器用于对云服务器输出的碳纤维发热线工作指令进行解码，从而控制碳纤维发热线的工作状态；
第三步、设置报警装置：将电路检测模块与碳纤维发热线串联，如有线路断路或者损坏导致无法正常工作，则通过GSM通信系统自动对终端系统发出报警指令；终端系统通过HTTP协议访问云数据库和控制智能控制器，实现数据的可视化，同时人为干预智能控制器实现应急需求。
9.如权利要求8所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统的施工方法，其特征在于：还包括第四步、对电加热装置进行防锈蚀处理：防锈蚀处理分为3小步：
4.1：在电加热装置中的不锈钢板表面进行二次表面清理和喷砂除锈，去除不锈钢板表面的金属氧化皮、绣、污垢、焊渣杂质；
4.2：对不锈钢板表面进行电弧喷涂，在不锈钢板表面采用电弧喷铝伪合金，电弧喷涂在相对湿度小于85％环境下进行，喷砂后在8小时内进行电弧喷涂工作；电弧喷涂电流在40～400A，喷涂电压在28～36V，喷涂气压在0.5Mpa以上，喷涂距离在100～300㎜，喷涂角度在60～90°范围内进行控制，喷涂轨迹搭接范围1/4～1/3；
4.3：在开口处进行封闭处理，封闭处理分别进行预涂和封闭涂装两部分，对边角和死角地方采用手工提前进行刷涂，封闭时采用高压无气喷涂设备进行，第一道封闭涂层采用刷涂。
10.如权利要求9所述的桥塔横梁智能融雪化冰系统的施工方法，其特征在于：还包括第五步、进行焊缝处理和封闭处理：对于钢结构横梁，在电弧喷涂防腐施工时应预留出焊接部位，将不锈钢板与桥塔横梁接触处进行焊缝处理，再涂上密封橡胶；对于混凝土结构横梁，在不锈钢板与横梁接触部分糊上水泥，再铺设PVC自粘型防水卷材。
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| CN202110982412.XA CN113756177A (zh) | 2021-08-25 | 2021-08-25 | 一种桥塔横梁智能融雪化冰系统及其施工方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2021-08-25 CN CN202110982412.XA patent/CN113756177A/zh active Pending
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