基于虚拟仪器技术构建冻土测温系统

摘要：针对哈大铁路客运专线的实际情况，为缓解施工周期短、工期要求紧的矛盾，进行冬期施工是非常必要的。从保证混凝土工程全面质量出发，对施工过程以及环境温度变化进行温度监测是非常重要的。本文以冬期施工钻孔灌注桩混凝土温度测试研究为背景，为了解土壤温度变化情况，利用虚拟仪器技术构建了冻土测温系统，并利用该测温系统对不同深度的土壤温度的变化情况进行了整个冬季的连续观测。

关键词：客运专线；冬期施工；虚拟仪器；LabVIEW；测温系统

1 引言

针对哈大铁路客运专线的实际情况，为缓解施工周期短、工期要求紧的矛盾，因此必须制定相应的冬期施工质量保证措施，延长施工周期。从保证混凝土工程全面质量出发，对施工过程以及环境温度变化进行温度监测是非常重要的。

从原理上讲，测温仪器基本上由三部分组成：传感器，测温电路，数据显示或记录。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，通过虚拟仪器应用软件将计算机与标准化虚拟仪器硬件结合起来，以达到自动测试与分析的目的，并能实现高速、实时、无人值守的数据采集及记录。

正是由于虚拟仪器在测量和测试方面的巨大优势，因此采用先进的虚拟仪器技术来搭建简便高效的测温系统。在该测温系统中，选用Pt100热敏铂电阻作为温度传感器，选用研华的ADAM-4015作为温度采集模块，选用研华的ADAM-4561作为数据传输通信模块，软件采用美国国家仪器公司的图形化编程软件LabVIEW 8.6，利用OPC Server作为数据交换服务软件，配以高性能的计算机，实现温度的自动采集和自动记录，并以数字或温度曲线等多种方式进行数据显示。

整个温度测试系统的原理，系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括Pt100热敏铂电阻温度传感器，研华的ADAM-4015温度采集模块和研华的ADAM-4561（USB to 232/485串行通信模块）。软件部分采用美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件平台，通过OPC Server完成对温度信号的采集、数据分析和显示。本系统结果显示形象直观，操作方便，并且通过修改软件还可以容易地扩展功能。

2 硬件系统

2.1 温度传感器的选择

温度传感器选用Pt100热敏铂电阻，其在O℃时具有100欧姆的标准阻值，且电阻值随温度的变化而变化。这样，可以通过测量电阻值就可以反映出热敏电阻所在位置的温度及变化。本系统利用研华的ADAM-4015温度采集模块的功能，采用的是直接测量法。

根据测试的需要，在土壤中不同深度处埋设Pt100热敏铂电阻温度传感器，用以观测不同深度处土壤温度随时间的变化情况。温度传感器埋设布置图如图所示。

图 土壤温度测试传感器布置图

2.2 温度信号采集模块

温度信号采集选用研华的ADAM-4015热电阻测量模块，它是16位A/D、6通道的热电阻输入测量模块。它为所有通道都提供了可编程的输入范围，同时具有断线检测功能。本系统采用Modbus通信协议与OPC Server进行数据通信。波特率可在1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200中选择，传输距离为1200m；信号光电隔离，隔离电压大于2500V；具有过压、过流、突波、隔离、雷击保护功能；使用10~30V直流电源；电源功耗为1.5W。

ADAM-4015热电阻输入模块主要性能指标如下：

通道：六通道差分输入

热电阻类型：Pt100，Pt1000，BALCO500，Ni

温度范围：Pt100：-50~150℃，0~100℃，0~200℃，0~400℃，-200~200℃

IEC RTD 100欧姆（a=0.00385） JIS RTD 100欧姆（a=0.00392）

采样速率：10采样点/秒（所有通道）

输入阻抗：10兆欧

精度：+/-0.1％或更高

本测温系统中，ADAM-4015热电阻输入模块与温度传感器（Pt100热敏铂电阻）的连接采用三线制。

ADAM-4015热电阻输入模块与上位机和通信模块的连接控制线如图所示。

图 ADAM-4015模块通信连接控制接线图

2.3 温度数据传输通信模块

ADAM-4561是一款隔离端口转换器，它可以让PC用户将串行设备连接到使用USB接口的系统中。将ADAM-4561连接到PC后，您无须再打开机箱或关掉PC电源来安装集线器，您立即可以得到一个或两个额外的高速RS-232/422/485端口。ADAM-4561的电源来自USB端口，无须使用电源适配器。

ADAM-4561通信模块主要性能指标如下：

与USB v1.1规格完全兼容

支持RS-232/422/485端口

传输速率可达115.2 Kbps

提供3000 V DC隔离保护

自动RS-485数据流控制

无须外部电压，集线器即可从USB端口驱动

驱动程序支持：Widows 98/ME/2000/XP, Linux

即插即用

无须额外的IRQ或I/O端口

支持热插拔功能

3 软件系统

在测温系统的硬件确定后，系统的主要功能还是要靠软件来实现，而软件正是虚拟仪器测试技术的核心。采用LabVIEW 开发了整个温度测试系统，以LabVIEW 8.6为编程开发平台，为增加软件的灵活性和提高软件的整体效率，程序本身采用如下方面的技术。

3.1 模块化设计

在该软件中，系统分4个模块，即:文件配置、数据采集、数据显示及数据存盘。

3.2 多线程技术

系统由两个相对独立的子系统组成:文件操作子系统和数据的采集与分析子系统。文件操作子系统包括:文件的打开、写入文件数据、关闭文件。数据采集与分析子系统包括:

(1) OPC Server通信设置；

(2) 采集通道配置的设置;

(3) 温度数据的采集;

(4) 温度的实时显示:

(5) 关闭测量任务，清除资源。

由于编程的高度灵活性，该系统被设计为自动采集和自动记录，而无须人工监测。观测者设定好"采样保存间隔时间"，程序运行后，系统会每经历一个时间间隔就进行一次采样，送到“温度实时趋势图”中去显示，并自动把温度数据记录到数据文件中。

4 实际应用结果

该系统于2008年11月底开始，在哈大铁路客运专线进行了现场应用，2008年11月底至2009年2月份期间观测的土壤温度变化数据见表1所示。测试结果表明，该测温系统性能可靠，达到了预期的目的。

表1 土壤温度变化数据表

时间 测点 1 测点 2 测点 3 测点 4 测点 5 测点 6

环境平均温度 埋深20cm平均温度 埋深50cm平均温度 埋深100cm平均温度 埋深200cm平均温度 埋深300cm平均温度

2008年11月27日 -1.46 -1.01 2.07 4.24 10.34 11.13

2008年12月4日 -4.57 -1.05 1.56 3.23 8.84 10.41

2008年12月13日 -3.76 -6.18 0.28 2.02 7.97 9.84

2008年12月20日 -9.33 -5.64 -0.60 1.21 7.25 9.30

2008年12月27日 -5.01 -8.46 -2.69 0.04 6.58 8.82

2009年1月3日 -6.51 -7.80 -3.81 -1.43 5.62 8.10

2009年1月10日 -14.06 -10.77 -5.36 -2.67 5.09 7.75

2009年1月17日 -7.65 -8.51 -5.39 -3.29 4.42 7.31

2009年1月25日 -8.64 -8.04 -4.78 -2.98 3.68 6.71

2009年2月1日 -1.94 -8.24 -4.62 -3.13 3.11 6.14

2009年2月8日 5.02 -6.18 -3.93 -3.09 2.68 5.67

5 结束语

从上述软硬件系统及测量结果可以看出，以计算机为主控单元，利用虚拟仪器技术构建的冻土测温系统具有硬件设计十分简单、经济实用、抗干扰性强、可靠性高；软件设计界面友好，编程灵活等特点。通过虚拟仪器技术将计算机硬件、软件，仪器技术，计算机通信技术完美的结合，实现了自动数据采集、分析、记录的目的，具有较强的实用性。

注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看