CN1740790A - 一种混凝土温度线性变形自动化测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土制造技术领域。其特征在于：该系统由温度传感器、位移传感器、数据采集卡、模/数转换器、数/模转换器、可控硅控制的加热电路及加热器组成，计算机通过其内的测控软件根据温度传感器采集到的温度数据以及设定的加热制度进行目标温度的计算，再通过加热控制温度对被测试块进行加热或冷却。本发明提出了在试验过程中如何区分温度变形和混凝土本身的收缩变形的两种方式，解决了这一难点。本发明同样适用于测定轻质混凝土、保温材料、金属等固体材料，还可测量混凝土在恒温或变温条件下的收缩或膨胀，具有精度高、操作简便、测试周期短、外观体积小、初投资少、自动化程度高及适应性强的优点。

Description

一种混凝土温度线性变形自动化测量系统

技术领域

本发明涉及一种温度线性变形系数测量系统，特别适用于测量混凝土在升温、降温或者升降温过程中的温度变形，并对温度变形系数进行计算。本发明同样可以用于测定轻质混凝土、保温材料、金属等固体材料的温度变形系数，并且可以测量混凝土的在恒温或者变温条件下的收缩。

背景技术

混凝土等固体材料的温度变形系数是重要的物理性能指标，对于工程技术应用与科学研究有着非常重要的意义。

目前在测量混凝土的温度变形系数方面国内还缺少专门的测定仪器，而传统测量方法存在以下几个问题：

1.加热系统固定，不能灵活地设定各种加热制度参数。对于不同的试验规范与标准，难以灵活地适应。

2.自动化程度不高，在试验过程中需要大量的人员操作。由于材料本身性质，整个试验历时较长，浪费了大量的人力，并且很难保证测量精度。

3.对于加热过程中混凝土的收缩变形与温度变形难以区分。

虚拟仪器技术是以计算机作为仪器的软硬件平台，其最大特点是可以充分地利用计算机资源，突破传统仪器的概念，省去了仪器面板、机箱和大量硬件；虚拟仪器可以发挥计算机强大的计算能力和友好的用户交互能力，这是传统仪器所无法比拟的。

从专利数据库中查到如下专利：

《混凝土变形测量仪》(申请号：02239211.4，公告号：CN2551970Y)只是测量混凝土在常温自然条件下的变形发展。

《陶瓷及其同类材料的热变形测量系统》(申请号：85103687，公告号：1004833)利用光学放大系统对陶瓷的热变形进行测量，而且只能测量尺寸比较小(5mm×5mm×45mm左右)的样品，不适合混凝土类材料的测量。

《X射线粉末衍射仪测定材料热膨胀的方法》(申请号：94115018.6，公告号：CN1040250C)是利用X射线的衍射原理对粉末类材料进行热膨胀的测量，同样不适合混凝土材料。

《钢轨温度变形测量装置》(申请号：96249243.4，公告号：CN2274757Y)利用位移和温度传感器专门测量钢轨的温度与变形，测量对象只能是钢轨，而且没有相应的温度控制措施。

因此，要测量混凝土等材料的温度变形系数，必须有完善的加热控制体系和温度位移测量系统。虚拟仪器技术以及传感器技术为解决上述问题提供了依据。采用虚拟仪器技术和传感器技术的混凝土自动温度变形测量仪，国内未见相同的报道。

发明内容

为了克服混凝土等固体材料温度线变形系数测量的困难，本发明的目的在于提供一种操作简捷、自动化程度高、开放性好、性能可靠的混凝土温度变形系数测定仪。

本发明的特征在于：该系统含有：温度传感器、位移传感器、模/数转换器、数据采集卡、计算机、数/模转换器、电压阀线路、可控硅控制的加热电路、加热器、以及被测试块。其中：

(1)、温度传感器，输入信号是被测试块的温度；

(2)、位移传感器，输入信号是被测试块的变形；

(3)、两个模/数转换器，该两个转换器的输入端分别与所达温度传感器及位移传感器的输出端相连；

(4)、数据采集卡，两个输入端分别与转换器的两个输入端分别与所达转换器的两个输入端分别与所达两个转换器的输出端相连；

(5)、计算机，通过PCI接口与所达数据采集卡的输出端相连；用于预先通过用于操作界面在该计算机中设定试块参数、传感器参数，下述是混凝土线性温度变形采集测量的基本公式：

α＝ΔL/(L_q·Δt)

其中：α为混凝土的温度变形系数，

Δt为设定的温度变化区间，

ΔL为在设定的温度变化区间内混凝土的线性温度变形，

L_q加热或冷却前被测试块的长度初始值。

还要在上述计算机中设定加热制度如下：

被测试块在20℃下恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度，设L₂₀为被测试块在20℃下的长度，L₀为温度平衡即室温下之长度，其线性温度系数α₀＝(L₀-L₂₀)/[(20-室温)·L₂₀]，得到α₀；

被测试块降温至5℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L_L，其线性温度系数α_L为：α_L＝(L_L-L₀)/[(5-室温)·L₀]，为收缩变形，α_L为负值；

被测试块升温至20℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L₁，其线性温度系数α₁为：α₁＝(L₁-L_L)/[(20-5)·L_L]，为温度膨胀系数，α₁为正值；

被测试块升温至30℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L_H，其线性温度系数为α_H，α_H＝(L_H-L_L)/[(30-20)·L_L]，α_H为正值；

被测试块降温至20℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L₂，其线性温度系数为α₂，α₂＝(L₂-L_H)/[(20-30)·L_H]，α₂为收缩变形，为负值。

计算机按下式混凝土线性变形，用∑L表示：

∑L＝L₀(1+Δt₀·α₀)+L_L(1+Δt_L·α_L)+L₁(1+Δt₁·α₁)+L_H(1+Δt_H·α_H)+L₂(1+Δt₂·α₂)；

(6)、数/模转换器，该转换器的输入端与所述计算机输出端相连；

(7)、电压调温电路，该电路的输入端与所述数/模转换器的输出端相连；

(8)、可控硅控制的加热电路，该电路的输入端与所述电压调温电路的输出端相连；

(9)、加热器，该加热器的电流输入端与所述可控硅控制的加热电路电流输出端相连；所述加热器控制被测试块进行加热或冷却。

本发明的特征还在于：计算预存以下参数：被测试块保持在下述各恒温温度时的长度：20℃、5℃、30℃以及被测试块在到达被测试块内外温度平衡时的长度，计算机在所达加热制度的各阶段内，以上述两个长度之差，去修正各相应阶段所测得的被测试块内外温度平衡时所测量到的长度。本发明可以同时精确地测量试块的温度和变形数据，并且通过可靠的反馈程序准确的控制水温，另外通过设定特定的加热制度可以很方便区分试验过程中的温度变形和试块本身的收缩变形，据此来对被测试块的温度变形系数进行准确的测量。与此同时本发明还可以对轻质混凝土、保温材料、金属等固体材料的温度变形系数进行测量，而且通过程序设定，还可以对混凝土的收缩进行测量。本发明的实施方案无论在分辨率、精确度、可靠性和自动化程度方面都是传统测量仪器和其他测量方案所无法比拟的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的软件实施方案图；

图3是本发明的具体实施方案图；

图4是一种常用的加热制度示意图。

具体实施方式

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：基于计算机虚拟仪器技术、传感器技术以及自动控制技术的混凝土温度变形系数测定仪，主要由测控软件以及传感器、加热器(制冷器)、数据采集卡、PC机、加热箱和变形测量部分等组成。其特征是：在数据采集部分传感器的输出端与变送器的输入端相连接，变送器的输出端与数据采集卡的输入通道相连接，数据采集卡与PC机的PCI口连接，传感器将测量的非电信号转换为电信号，通过变送器的处理放大，输入数据采集卡后转变为数字信号输入PC机；加热控制部分是数据变换器的输出通道与调理板和可控硅组件信号输入端相接，可控硅组件的功率输出端与加热器(制冷器)相连接，测量软件根据设定的加热制度和测量结果计算出加热或降温功率，将数字信号通过变换器转换为模拟信号，通过可控硅电路的放大和处理，将工作电压施加到加热器(制冷器)，通过加热介质最终控制测量试块的温度。所述的传感器主要包括温度传感器与位移传感器，其数量根据用户测量的试块数目来选择。所述的数据采集卡(DAQ卡)采用满足设计精度要求的采集卡，包括模拟量输入和至少1路模拟量输出。本发明由于采用了多个传感器(温度传感器、位移传感器)可以同时测量温度与变形数据，同时通过温控电路控制加热器和制冷器的运转，从而准确地控制加热介质的升温或降温，满足测量要求。实现了高度自动化和准确可靠的混凝土温度变形系数的测量。

所述的加热介质为流体，包括如水、油等液体或者空气等气体。

所述的PC机装有测量控制软件组件，采用美国NI公司的产品Labview构造的虚拟仪器，测量控制软件组件主要包括用户操作界面、数据采集组件、加热控制组件和分析处理组件四部分，用户通过用户操作界面设定试块参数、传感器参数、加热制度等参数后启动软件测量和加热组件；测量控制软件根据设定的时间间隔通过数据采集卡巡回采集各传感器的信号，并且根据测量结果和设定的加热制度确定加热器(制冷器)的工作电压；测量的数据和计算的线性温度变形系数等结果以图表的形式显示在计算机屏幕上，并且记录在数据文件当中。

混凝土线性温度变形系数测量的基本公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δl}}{l_0\·\mathrm{\Δt}}$

式中α为混凝土的温度变形系数，Δt为温度变化区间，Δl为温度变化区间Δt上的变形，l₀为试件的基本长度。

对于试验过程中如何区分温度变形和混凝土本身的收缩变形一直是一个难点，本发明可以通过两种方式进行区分：一种是通过同步测量恒温试块的长度发展，从而进行扣除；另外一种通过设定特定加热制度，进行收缩变形的扣除。

加热制度可以在控制软件中灵活设定，其中一种常用的加热制度如下：

1)试块在20℃下恒温至试块内外温度平衡，测量试块长度l₀；

2)试块降温至5℃并恒温至试块内外温度平衡，测量试块长度l_L；

3)试块升温至20℃并恒温至试块内外温度平衡，测量试块长度l₁；

4)试块升温至30℃并恒温至试块内外温度平衡，测量试块长度l_H；

5)试块降温至20℃并恒温至试块内外温度平衡，测量试块长度l₂；

试验通过5℃～30℃温度区间上的变形来计算线膨胀系数，并且利用在20℃的三次测量结果(L₀，L₁，L₂)获得的收缩数据对结果进行修正。

本发明的实施方案参照图1进行说明，温度传感器1和位移传感器2，分别通过模/数转换电路2和4与数据采集卡5相连；数据采集卡5与计算机6相连。然后计算机6的信号通过数/模转换电路7与可控硅与加热组件8相连，从而控制被测试块9的温度。

本发明的软件采用美国NI公司的产品Labview平台进行开发，实施方案参照图2进行说明：系统启动以后，首先进行初始化1，主要对传感器、加热器等设备进行初始化；然后进行设定参数2，主要设定试块参数、传感器参数、加热制度等参数；然后是测量与控制操作3，测控软件采集到温度和变形数据，并且按照设定的加热制度要求通过控温组件对试块加热温度进行控制；最后由计算与显示系统4，将计算的结果以图形和表格方式显示在计算机屏幕上，并且保存到数据文件中。

图3是本发明的一种实现形式。试块采用立式固定的方式，水浴加热，可以测量混凝土的温度变形系数。在图中，通过温度传感器1采集测量水温，根据设定的加热制度，控制程序将加热的工作电压施加到加热器2，从而控制水浴加热箱3中的水温，最终控制被测试块4的温度(必要时可以在试块4的内部布置温度传感器)；同时系统通过由位移传感器5和支架系统6组成的变形测量组件对试块4的变形进行测量；最终计算程序根据测量到的温度和变形对试块4的温度变形系数进行计算。

本发明由于采用了位移和温度传感器，可以同时测量两种信号，并且通过灵活的温度控制系统实现了可靠的温度控制，从而能够准确方便的测量混凝土的线性温度变形系数。同时利用本发明，还可以测量轻质混凝土、保温材料、金属等其他固体材料的温度变形系数，并且可以测量混凝土在恒温或者变温条件下的收缩的发展等。

Claims (2)

1.一种混凝土温度线性变形自动化测量系统，其特征在于：

该系统含有：温度传感器、位移传感器、模/数转换器、数据采集卡、计算机、数/模转换器、电压阀线路、可控硅控制的加热电路、加热器、以及被测试块。其中：

(1)、温度传感器，输入信号是被测试块的温度；

(2)、位移传感器，输入信号是被测试块的变形；

(3)、两个模/数转换器，该两个转换器的输入端分别与所达温度传感器及位移传感器的输出端相连；

(4)、数据采集卡，两个输入端分别与转换器的两个输入端分别与所达转换器的两个输入端分别与所达两个转换器的输出端相连；

(5)、计算机，通过PCI接口与所达数据采集卡的输出端相连；用于预先通过用于操作界面在该计算机中设定试块参数、传感器参数，下述是混凝土线性温度变形采集测量的基本公式：

α＝ΔL/(L_q·Δt)

其中：α为混凝土的温度变形系数，

Δt为设定的温度变化区间，

ΔL为在设定的温度变化区间内混凝土的线性温度变形，

L_q加热或冷却前被测试块的长度初始值。

还要在上述计算机中设定加热制度如下：

被测试块在20℃下恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度，设L₂₀为被测试块在20℃下的长度，L₀为温度平衡即室温下之长度，其线性温度系数α₀＝(L₀-L₂₀)/[(20-室温)·L₂₀]，得到α₀；

被测试块降温至5℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L_L，其线性温度系数α_L为：α_L＝(L_L-L₀)/[(5-室温)·L₀]，为收缩变形，α_L为负值；

被测试块升温至20℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L₁，其线性温度系数α₁为：α₁＝(L₁-L_L)/[(20-5)·L_L]，为温度膨胀系数，α₁为正值；

被测试块升温至30℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L_H，其线性温度系数为α_H，α_H＝(L_H-L_L)/[(30-20)·L_L]，α_H为正值；

被测试块降温至20℃，并恒温至被测试块内外温度平衡，测量被测试块长度L₂，其线性温度系数为α₂，α₂＝(L₂-L_H)/[(20-30)·L_H]，α₂为收缩变形，为负值。

计算机按下式混凝土线性变形，用∑L表示：

∑L＝L₀(1+Δt₀·α₀)+L_L(1+Δt_L·α_L)+L₁(1+Δt₁·α₁)+L_H(1+Δt_H·α_H)+L₂(1+Δt₂·α₂)；

(6)、数/模转换器，该转换器的输入端与所述计算机输出端相连；

(7)、电压调温电路，该电路的输入端与所述数/模转换器的输出端相连；

(8)、可控硅控制的加热电路，该电路的输入端与所述电压调温电路的输出端相连；

(9)、加热器，该加热器的电流输入端与所述可控硅控制的加热电路，电流输出端相连；所述加热器控制被测试块进行加热或冷却。

2、根据权利要求1所述的一种混凝土温度线性变形自动化测量系统，其特征在于：

计算预存以下参数：被测试块保持在下述各恒温温度时的长度：20℃、5℃、30℃以及被测试块在到达被测试块内外温度平衡时的长度，计算机在所达加热制度的各阶段内，以上述两个长度之差，去修正各相应阶段所测得的被测试块内外温度平衡时所测量到的长度。

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