CN1220317A - 一种拉伸应力松弛实验机测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于预应力钢材制品拉伸应力松弛性能测试设备的自动控制系统。预应力钢材制品拉伸应力松弛性能的检测设备,基本上属于人工操作,如意大利TL型立式拉伸应力松弛试验机,虽作了些自动化改进,但仍存在试验过程、试验数据的读取、记录及大量试验数据的分析计算靠人工的缺点,为此,本发明设计一种应用计算机过程控制和数据处理技术通过光电传感器、工控机、测控仪等自动化手段,实现试验的加荷,初始力保持时间、恒标距保持时间、试验时间和试验数据的分析计算自动完成系统,从根本上克服了人工操作缺点。

Description

一种拉伸应力松弛试验机测控系统

本发明属于预应力钢材制品拉伸应力松弛性能测试设备的自动控制系统。

随着建筑行业的高速发展，预应力钢材制品在金属建材中已居主导地位，而预应力钢材制品松弛性能是其关键指标。为满足该种钢材的检测需要，先后从国外引进拉伸应力松弛试验设备数十台套，主要来自意大利、英国、德国、日本等发达国家。这些设备基本代表了当今国际预应力钢材制品拉伸应力松弛试验设备的总体水平。但从这些设备的功能和使用情况上看，存在如下问题。

一是一些品牌的设备自动化水平低，基本上属于人工操作，随机性很大，既便是同一人操作，对试验条件的掌握也或多或少存在着差异。不利于检测数据的准确性和稳定性。

二是有些设备虽然配置了现代化的装备，并且可用于多项金属力学性能的测试，但对于拉伸应力性能检测功能结构牵强。如德国ZWICK-1494-500KN型试验机，也可做松弛试验机，并且有自动加荷过程，但没有初始试验力保持环节和恒标距保持环节，不符合预应力钢材拉伸应力松弛试验方法标准要求。另外，其结构也不符合试标距应大于4倍捻距的标准要求。

意大利METRO COM-TL系列立式拉伸应力松弛试验机(以下称：TL型松弛试验机)作为预应力钢材制品松弛性能的测试设备，在国际上使用较广泛，该设备机械结构合理、系统力值传递精度高且稳定，综合性能较好。但同时存在如下几项缺点：

(1)试验全过程各环节都需要试验员操作、控制完成，人为因素对试验效果影响较大。如：加荷过程中，不能等速加荷；加荷过程与初始试验力保持过程混淆、超规范过加荷等。可以说，即便同一人操作，对试验条件的掌握也或多或少存在差异。

(2)试验过程、记录、显示方式落后，试验全程要试验员定时观察、记录。松弛试验为长时序试验，短则10小时，长则1000小时，人工定时记录试验数据即耗费人力又极易产生读记错误。

(3)大量的试验数据分析、计算都要试验员手工计算，一般需要两个试验员计算、校核；即浪费人力和时间，又易算错、写错。

九十年代意大利对其TL型拉伸应力松弛试验机进行了改进，一是变机械调速变为频调速，二是增添试验数值液晶显示。但没有克服上述的缺点。

上述的缺点直接影响到检测数据的准确性、稳定性，影响到检测部门的权威性，也不符合试验过程的控制、数据处理、检测报告全部自动化的国际先进标准要求。

本发明的目的在于克服TL型松弛试验机存在的试验全过程操作、试验数据的读取、记录及大量试验数据的分析计算均采用人工方法的缺点，设计一种应用计算机过程控制和数据处理技术，使TL型松弛试验机的试验过程、试验数据的显示、记录、分析、计算、试验报告、图表的提供全部实现自动化，从根本上消除了人为的误差甚至错误。

本发明主要靠如下方法实现

它由立式拉伸应力松弛试验机、测控仪、工业控制计算机、接口电路、光控传感器组成。其主要控制过程为，启动工业控制计算机，进入系统试验程序，输入试验参数后运行程序，程序发出加荷即加初始试验力的指令，通过接口电路、测控仅驱动试验机的加荷电机对试样加荷，同时计时。根据光控传感器的光控信号，试验程序停止计时，并通过测控仪使试验机停止加荷，并开始定时，保持初始试验力到给定时间。初始试验力保持时间结束，试验程序发出按给定恒标距保持时间的定时指令，并通过测控仪使试验机根据光控信号自动减荷，该减荷值不作记录，保持标距恒定。恒标距保持时间结束，系统进入试验状态，记录下试验零时刻，并开始定时，试验机自动减荷，系统自动记录试验的减荷时刻和减荷值，形成试验数据文件。试验到时，试验程序发出指令，通过测控仪驱动加荷电机卸荷并定时，使卸荷时间等于加荷时间。试验完成，启动系统分析程序，并将试验数据文件调入该程序进行运算，输出试验报告图表。

在上述的系统中，在试验程序中，输入的参数包括初始试验力保持时间、恒标距保持时间、试验时间及试验机每减荷一次的减荷量。在初始试验力保持时间定时其间，出现的磅尺失衡，由手动调谐试验机微调装置加荷补偿。在分析程序中，设置一个断电分析程序，若试验进行了0-24小时断电，试验重做；来电后，若断电时间达0-24小时，调出数据继续做。

在上述的系统中，其中工业控制计算机，由计算机和接口电路构成；测控仪由控制电路和电源开关电路构成；控制电路主要由驱动放大电路和继电器电路组成；光电传感器采用对射式槽形光电开关，安装于试验机测力磅尺动端。安装在工业控制计算机扩展槽上的接口电路采用HY-6060或6070接口板，TEST试验程序、ANAL分析程序采用《C》语言编程。

下面详细说明本发明的自动控制过程。

启动试验程序，将测控仪上主回路电源开关置“自动”挡，加荷光电控制开关得电。由于此时试验机测力磅尺动端在未加满荷时处于低位，不遮挡光电开关，使加荷回路供电开关继电器吸合。进入系统试验程序，输入试验条件参数后运行程序，试验程序发出：向试验机供电和试验机加荷指令，通过接口电路和测控仪、控制电路使主回路开关接触器吸合，试验机得电。并使试验机加荷接触器吸合，加荷电机运行对试样加初始试验力同时，试验程序进行加荷过程计时。当加至给定初始试验力时，试验机测力磅尺动端抬起挡住加荷光电控制开关，使加荷回路供电开关继电器释放，试验机停止加荷，同时，通过测控仪和接口电路，试验程序收到停止加荷计时信号，计时停止。试验机加荷过程结束。试验程序立即发出：按给定初始试验力保持时间定时指令。系统开始初始试验力保持时间定时过程，其间出现的试验机测力磅尺下降失衡由手动调谐试验机负荷微调装置补偿。初始试验力保持时间到时，试验程序立即发出：按给定恒标距保持时间定时指令，同时，通过接口电路和测控仪控制电路接通试验机自动工作开关，断开试验机加荷、卸荷供电线路，自动减荷开始。当试样有力的下降，测力磅尺动端下沉遮挡试验机自动减荷光电开关，试验机自动减荷。试验程序对该过程的减荷值不做记录。恒标距保持时间到时，系统进入试验过程，记录、显示，试验开始零时刻并开始按给定时间定时，试验程序读试验机通过测控仪和接口电路传来的减荷信号，记录、显示减荷时刻和减荷时刻的试样松弛力累计值，形成试验数据文件。试验到时，试验程序发出：试验到时、试验机卸荷指令，通过接口电路和测控仪断开试验机自动减荷电路电源，接通卸荷电路电源并使卸荷接触器吸合，加荷电机逆转卸荷，定卸荷时间等于加荷时间。试验完成后，进入系统分析程序，输入试验报告表头信息和试样原始数据及试验参数，将试验数据文件调入该程序进行运算，输出试验报告图、表。如试验过程中发生非正常断电，UPS电源仍提供计算机十分钟的工作时间，根据测控仪发来的断电信号，试验程序，记录断电时刻并判断试验进行了多长时间：若小于24小时，则程序清除试验数据，试验重做；若大于24小时，程序记录当前全部试验数据等待来电。来电后，记录来电时刻并判断断电时间；若大于24小时，则程序清除试验数据，试验重做；若小于24小时，可调出试验数据继续做试验。

下面结合附图说明

附图1是本发明系统总体框图。附图2是系统按时间顺序控制过程图。图3是近似推算松弛率随时间发展单对数坐标曲线图。图4是近似推算松弛率随时间发展双对数坐标曲线图。图5应力松弛试验曲线图。表1是预应力钢材应力松弛试验报告书。

如附图1所示，本发明由TL型立式拉伸应力松弛试验机、工控机、光电传感器和测控仪四部分组成。工控机包括计算机和装于其扩展槽上的接口电路，计算机内装试验程序和分析程序。试验程序通过接口电路向控制电路发送指令，分析程序对试验数据进行分析运算，从打印机输出。为防止意外断电计算机丢失试验数据增加一台UPS电源。测控仪包括控制电路和主回路电源开关电路。控制电路按试验程序指令驱动主回路电源开关电路和光电传感装置控制试验加荷过程。控制电路按试验程序指令，控制记录试验过程。

如图2所示，第Ⅰ阶段，试验机开机，加荷过程。启动计算机进入试验程序，在试验参数栏目中给定试验在参数如初始试验力保持时间、恒标距保持时间、试验时间及试验机每减荷一次的减荷量。开始执行试验程序。程序发出，合主回路电源开关和试验机加荷指令。系统合主回路电源开关，试验机得电，试验机加荷，程序进行加荷计时。当加荷重给定初始试验力时，试验机测力磅尺抬起遮挡加力光电开关，试验机加荷完成且系统停止加荷计时。

第Ⅱ阶段，初始试验力保持过程。这是本发明特点之一，是其它系统或试验过程所没有真正具备的过程。是消除由于预应力钢材结构松弛对试验结果产生误差的重要过程。随着加荷结束，试验程序立即发出，“按给定初始试验力保持时间”定时指令。系统开始初始试验力保持定时过程。在此期间，如果出现磅尺失衡即由于预应力钢材结构松弛造成的磅尺失衡，采用手动加荷微调补偿。

第Ⅲ阶段，恒标距保持过程。该过程也是本发明的特点，也是其它系统或试验过程所没有真正具备的过程。初始试验力保持时间结束，试验程序立即发出按给定“恒标距保持时间”定时指令，系统开始恒标距保持时间定时，同时合试验机自动工作开关，试验机自动减荷开始，但该过程的减荷值不作为试验数据，不记录。

第Ⅳ阶段，系统试验过程。这是预应力钢材松弛值测试的核心过程，是记录试验参数的关键过程。恒标距保持时间结束，系统进入试验状态，记录下试验零时刻，并开始按给定试验时间定时。试验机自动减荷，每次减荷量是相同的是开机后输入的参数，如每次减荷20N。系统自动记录试验减荷时刻和减荷时刻试样累计松弛力值。形成试验数据文件。试验时间一般为100-120小时，短的有10小时，长的有1000小时。试验机自动减荷过程是指在试验中，当试样出现松弛，试验机磅尺动端失衡，挡住减荷光电开关的红外线发送和接收时，使试验光控电路发出信号，驱动减荷步进电机，使试验机磅尺游码移动，实现减荷。

第Ⅴ阶段，系统卸荷过程。试验到时，试验程序发出试验机卸荷指令。经控制电路驱动加荷电机开始卸荷。并按加荷时间控制卸荷时间。整个试验过程结束。

另外，系统还设置了非正常断电处理系统。当发生非正常断电时，测控仪，试验机断电，但UPS电源仍供工控机工作约十分钟，此时判断试验做了多长时间，若小于24小时，则程序清除试验数据，重做；若大于24小时，程序记录当前全部数据，等待来电。来电后，判断断电时间，若大于24小时，则程序清除试验数据，试验重做，若小于24小时，可调出试验数据继续做。

第Ⅵ阶段，分析计算过程。试验完成，启动系统分析程序将试验的数据文件调入分析程序进行运算分析、编排中、英文对照试验报告，绘制试验记录、试验过程曲线、试验过程分段放大曲线及试验数据外推计算数据和曲线。

如根据100小时或120小时的试验数据结果，用一元线性回归方法近似推算1000小时试样松弛结果。

方法一：采用时间对数方法推算(单对数法)按照推算公式R=A+BLgT其中：R——推算的松弛率

  T——推算时间

  A、B——回归系数回归系数

其中：令Yi=Ri  Xi=Lgti

Ri——对应各采点时刻的试验松弛率

ti——试验中的采点时间间隔

i=1、2、3……n

求出回归系数A、B后，将其与所取的推算时间T代入前述公式，求出推算时间点的R值，然后制图表。

方法二：采用时间幂函数法(双对数法)推算，由推算公式：

R=C(T)^K

公式两边取对数得：

LgR=LgC+KLgT

其中：R——推算的松弛率

      T——推算时间

      LgC、K——回归系数

求回归系数

令：Yi=LgRi    Xi=Lgti

Ri——对应各采点时刻的试验松弛率

ti——试验中的采点时间间隔

i=1、2、3……n

求出回归系数后，将其与所取的推算时间T一起代入推算公式，求出LgR值，再求其反对数R值。

通过求上述两算法的样本相关系数r，并比较两个r值，判断取哪种算法的R值推算结果。 $r=\frac{\underset{I=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Xi}\·\mathrm{Yi}-n\stackrel{-}{X}\stackrel{-}{Y}}{\sqrt{(\underset{I=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Xi}}^2-n\stackrel{-}{X^2})(\underset{I=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Xi}}^2-n\stackrel{-}{X^2})}}$

本发明的测控系统既适用于TL型拉伸应力松弛试验机，其系统控制过程原理也适用于其它立式或卧式拉伸应力松弛试验机。

本发明的系统具备两套试验操作方式，在实现计算机自动测控操作方式同时仍保留原手动操作方式。原手动操作方式完成的试验仍可利用该系统的分析程序对试验数据进行分析、运算、制作报告图表。如图3、4、5，表1所示。

本发明的系统经实际应用考核使用方便、试验精度高、稳定性强。系统控制精度达100％，采集精度达100％,1000小时试验，系统最大定时误差10毫秒级。文件输出规范、详尽。从根本上克服了原手动操作存在的缺点。

表1    预应力钢材应力松弛试验报告书

Table     THE REPORT ON STRESS RELAXATION TEST FOR PRE-STRESSED STELL委托部门：YX-1B系统应用试验    来样日期：1997.9.3．   报告日期：1997.10.2．     试验单位：天钢钢研所(Consigner)                    (Receiving Date)       (Reporting Date)          (Undertaker)样品名称：270级铜绞线          数    量：3            试验标准：ASTMA416-90A    报告编号：KY1(Name of Sample)               (Quantity)             (Tegt Standard)           (Report No.)

试验编号(Test No．)	来样编号(Sample No．)	规    格(Specification)φ(axb)mm	面积(Area)mm^2	机械性能(Mechanical Property)		标距(GaugeLength)mm	加力时间(Force-Applying Time)min	保持时间(Hold Time)		试验温度(Test Tem-perature)℃	初始试验力(InitialForce)N	试验时间(Test Time)h	松弛率(PercentageRelaxation)％
														6b(Fb)	60.2(F0.2)	初始试验力(Initial Force)	标距恒定(Constant Gau-uge Length)
				N/mm^2(N)				min
														1	1	15.24	140	(260700)	-	1240	4.33	1	0	28-30	182500	120	1.40
2	2	15.24	140	(260700)	-	1200	4.25	1	0	28-30	182500	100	1.81
														3	3	15.24	140	(260700)	-	1220	4.3	1	0	19-21	182500	100	1.94
														备注(Note)

负贵人：                审核：            试验员：(Person in Charge)    (Checker)          (Tester)

Claims (6)

1．一种拉伸应力松弛试验机测控系统，由立式拉伸应力松弛试验机、测控仪、工业控制计算机、接口电路、光控传感器组成，其特征在于：

——启动工控机进入系统试验程序，输入试验参数后运行程序，程序发出加荷指令，通过接口电路、测控仪驱动试验机的电荷电机对试样加荷，同时计时；

——根据光控信号，试验程序停止计时，并通过测控仪使试验机停止加荷，并开始定时，保持初始试验力到给定时间；

——初始试验力保持时间结束，试验程序发出按给定恒标距保持时间的定时指令，并通过测控仪使试验机根据光控信号自动减荷，该减荷值不作记录，保持标距恒定；

——恒标距保持时间结束，系统进入试验状态，记录下试验零时刻，并开始定时，试验机自动减荷，系统自动记录试验的减荷时刻和减荷值，形成试验数据文件；

——试验到时，试验程序发出指令，通过测控仪驱动加荷电机卸荷并定时，使卸荷时间等于加荷时间；

——试验完成，启动系统分析程序，并将试验数据文件调入该程序进行运算，输出试验报告图、表。

2．如权利要求1所述的测控系统，其特征在于在试验程序中，输入的参数包括初始试验力保持时间、恒标距保持时间、试验时间及试验机每减荷一次的减荷量。

3．如权利要求1所述的测控系统，其特征在于在初始试验力保持时间定时其间，出现的磅尺失衡，由手动微调装置加荷补偿。

4．如权利要求1所述的测控系统，其特征在于在系统分析程序中，设置一个断电分析程序，若试验进行了0～24小时断电，试验重做；来电后，若断电时间达0～24小时，调出数据继续做。

5．如权利要求1所述的测控系统，其特征在于所述的工业控制机由计算机和接口电路构成；测控仪由控制电路和电源开关电路构成；控制电路主要由驱动放大电路和继电器电路组成。

6．如权利要求1所述的测控系统，其特征在于光电传感器安装于试验机测力磅尺动端。

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