1、大体积混凝土冷却通水数据自动化采集系统研制与应用谭恺炎1 陈军琪1 马金刚2 鄢江平21葛洲坝集团试验检测有限公司 2葛洲坝集团第二工程有限公司摘要：研制混凝土冷却通水流量、温度传感器以及自动化采集系统，并应用于锦屏水电站混凝土大坝，实现了对混凝土冷却通水的流量和水温进行自动测试和数据传输，具有适应恶劣环境条件、测量精度高、省时省力、反馈迅速、节约成本、节水等特点，系统具有通水计划辅助设计功能，可为调整混凝土温控措施提供及时准确的依据，有效保证混凝土工程质量和进度；该系统是水利水电工程施工信息化的重要组成部分，也是我国水利信息化的必要手段，将对我国水电工程建设和节水事业的发展产生深远的影响。关
2、键词：冷却通水 信息化 传感器 采集系统 通水计划1 前言为防止大体积混凝土产生温度裂缝，在混凝土施工中需要对其温度和温差进行控制与调节。混凝土温度控制措施一般有：降低热源，缩小温差。如选用低热或中热水泥、搭盖骨料凉棚、加高成品料堆、从廊道取料、降低原材料温度、水冷或风冷骨料、加冰或加冷水拌和、缩短运输时间并加遮阳措施、仓面喷雾、用以防范外界高气温影响等。进行表面防护。延期脱模或脱模后覆盖防护材料，以防因气温骤降造成冷击。强迫冷却。可在坝块内部埋设冷却水管，通水冷却，削减温峰，迫使提前达到稳定温度。冷却通水作为大体积混凝土温控的重要措施，可以快速降低混凝土内部温度，调节混凝土温度在时空上的分布
3、，有效控制混凝土裂缝，但同时也是一把双刃剑，如果控制不好，不但不能控制混凝土裂缝，反而会使混凝土受到冷击而损害混凝土结构。随着混凝土施工质量要求越来越高，冷却通水技术得到不断发展。通过对混凝土浇筑的初期、中期和后期过程中混凝土不同龄期水化热的发展特点、不同季节内外温差的不同要求以及混凝土块体间接缝灌浆施工的温度需要，在通水冷却过程中，需根据坝体内混凝土温度变化情况，采取个性化通水方法，减小混凝土内的拉应力，达到防止混凝土出现裂缝的目的。个性化通水需要对流量和温度进行及时、准确的测试，以便达到最佳控制效果；另一方面，随着一批高坝大库的开工建设，工程施工条件越来越复杂，尤其在一些大型、特大型工程施
4、工中，机械化、立体化施工环境中由人工开展冷却通水工作的风险加大，开展混凝土冷却通水数据自动化采集系统研究与应用将有利于提高效率、降低安全风险，也是水利水电工程施工信息化建设的需要。2 系统设计混凝土冷却通水参数一般包括流量、进水温度、出水温度、气温、混凝土温度，其中混凝土温度可采用水管闷温资料间接获得，也有采用埋入式温度计或测温管直接测试。现有技术对于流量测试一般采用超声波流量计、水表等仪表进行测试，或者直接采用容积法进行测试，也有利用供水系统总流量平均分配进行支管流量计算的；对于温度测试则采用便携式温度计如玻璃温度计、电子温度计、非接触式测温仪（如红外激光测温仪）等进行测试，但上述方法和手段
5、均存在测试误差大、效率低等缺点，对于个性化通水技术而言，很难做到及时准确的采集实测数据，也就不易做到实时的真正意义上的个性化通水。所以设计一套混凝土冷却通水数据的自动化采集系统对于实现个性化通水具有重要的现实意义。通过大量比选分析和试验研究，设计出一套混凝土冷却通水数据自动化采集系统1，它包括安装在每组冷却水管进水管和出水管的遥测温度计、安装在每组冷却水管上的遥测流量计以及智能数据采集仪，采集遥测温度计和遥测流量计的数据并存储和显示，并能将采集的数据通过GPRS或局域网上传至数据库服务器，可增加2个温度测试通道实现对气温和混凝土温度的同步采集。通过传感器内部的编码模块自动识别冷却水管的位置信息
6、，实现了对混凝土冷却通水的流量和水温进行自动测试和数据传输，解决了人工测试记录需要耗费大量人工、信息反馈慢且精度不高的缺点，省时省力、测量精度高且反馈迅速，能及时调整混凝土温控措施、避免混凝土裂缝，实现及时调整混凝土施工措施、保证工程质量和进度。几种常用的冷却通水数据采集测试系统对照情况详见表1。表1 几种冷却通水数据测试系统特征对照情况表Tab.1 Comparison the features of several cooling watering acquisition systems测试参数测试仪器测试方法特点温度玻璃温度计打开水管插入温度计测试。易损、损失水量、读数麻烦、工效低。电子
7、温度计打开水管插入温度计测试。损失水量、工效低。红外激光测温仪人工近距离扫描水管外壁。准确度受环境影响大。流量超声波流量计仪器与水管接触并耦合测试。双人操作、准确度低、工效低。水表打开水管连接水表放水测试。损失水量、工效低。容积法测量打开水管放水用容量筒测试体积和时间计算流量。损失水量、工效低。机组自身仪表抄读冷水机组自身流量传感器数据平均计算各支管流量。受管路损失影响差异大。温度、流量砼冷却通水自动化采集系统通过一次安装的仪器设备实现自动采集和数据无线传输，采样频率可调。精确度高、工效高、成本低、节水。3 系统组成砼冷却通水自动化采集系统由流量传感装置、温度传感装置、智能采集仪、通水数据处理
8、软件四部分组成。系统结构组成见图1。专利技术：201020250558.2图1 砼冷却通水自动化采集系统结构示意图Fig.1 Schematic structural drawing of cooling watering acquisition system其中，流量传感装置由定制的流量传感器、内置温度传感器和连接头组成；温度传感装置由温度计和连接头组成；智能采集仪由流量测量电路、温度测量电路、PDA以及内置电源组成；通水数据处理软件由数据库、数据管理、报告生成、图表展示、辅助通水计划五部分组成。3.1温度传感器选型与装配通常现场多采用便携式温度计直接测试水温，常用的有自显示电子温度计、红外
9、激光测温仪、玻璃温度计等，其中只有红外激光测温仪是非接触测量，这种测温方法快捷方便，但由于激光扫描部位通常为水管外壁，与实际水温会有一些差距，尤其是在阳光直射比较强烈的位置，测温误差较大。其他温度计则需要打开水管，将温度计直接插入水管中进行测温，这种测温方法操作起来比较麻烦，需要打开水管，将温度计插入一定时间待其稳定方可读数，对于进水温度测温误差一般较小，对于出水温度，由于测试位置与被测试水管有一定距离，中间可能还会有其他出水影响，测温误差较大，有时达到2-3。而且这种便携式温度计在现场使用时容易丢失和损坏，需要定期检定，也会给现场应用带来许多不便。需要寻找一种价格低廉、测温方便且精度满足要求
10、的温度计，目前用于在线测温的温度计常用的有：电阻温度计，如铜电阻、铂电阻温度计；热敏电阻；热电偶；半导体温度计；集成电路测温模块等，电阻式温度计性能稳定但价格较高，而且测温受电路的影响较大。热电偶在水工建筑物中应用存在较多问题，如接线长度变化问题、低温测试精度问题等。半导体温度计则精度偏低，经过全面综合考虑，最后选用集成电路测温模块。为了准确测试冷却水管中水的温度，需要将测温模块进行封装并与水流接触，为此设计了几种测温装置进行对比研究。一是将温度模块直接绑缚在水管上，外包保温材料进行保温和保护；二是将测温模块封装在小螺钉中，然后将螺钉通过钻孔固定在金属水管上；三是将测温模块封装在小螺钉中，然后
11、将螺钉通过钻孔固定在通用标准件三通的闷头上。第一种虽然安装方便，但测试的仍然是管壁温度，与水温会有一定的差异，而且这种安装也不牢固，易松脱。后两种基本一致，采用三通方式使温度计对管内水流的影响更小，属于通用器件也便于获得和安装，所以最后选用三通型测温装置2。3.2流量传感器选型与研制流量计的种类很多，按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。按照目前最流行、最广泛的分类法，即按流量计机构原理分有容积式流量计、叶轮式流量计、差压式流量计、变面积式流量计、动量式流量计、冲量式流量计、电磁流量计、超声波流量计、质量流量计、流体振荡式流量计等。如何选择一种价格便
12、宜、环境适应性强、结构简单且稳定性好便于自动采集的传感器，对本项目研究至关重要，经过全面比较，确定选用叶轮式流量传感器，这种传感器结构简单，通过水流带动叶轮转动，叶轮转动产生电脉冲信号，通过记录一定时间内的脉冲数获得流量，其流量与该脉冲数的线性很好，所以测试的稳定性和长期性能比较好；通常采用塑料浇铸成型，由于结构简单，其费用比较便宜，但该型产品市场上一般都是小口径小流量的，没有适合于水电工程冷却通水常用口径的产品，需要进行定制，且一般为单向测流型，在口径加大后对流量测试的准确性有较大影响。通过优化内部结构，使流道双向对称，保证叶轮的灵活性减少各种流量下的流态稳定3，同时将测温模块加装在流量传感
13、器中，使流量计同时具备测流量和测温功能，形成一款兼测温度的新型流量传感器4。3.3智能采集仪混凝土冷却通水数据智能采集仪5，它由带蓝牙通信模块的便携式数据采集器和掌上电脑组成，便携式数据采集器和掌上电脑之间通过蓝牙通信模块进行数据连接。能自动识别冷却水管的位置信息，实现了对混凝土冷却通水的流量和水温的信号进行采集和数据传输，解决了人工测试记录需要耗费大量人工、信息反馈慢的缺点，省时省力且反馈迅速，能及时调整混凝土温控措施、避免混凝土裂缝，实现及时调整混凝土施工措施、保证工程质量和进度。3.4数据处理系统大坝混凝土冷却通水数据处理系统6主要处理两种数据，一是混凝土内部温度数据，二是冷却水数据。混
14、凝土内部温度数据，指的是在浇筑时预埋设在坝块内部的用于观测大坝混凝土内部温度的永久温度计按规定时间间隔所采集的数据，这些数据可用于指导给坝块通水降温的流量控制。混凝土内部温度数据主要包括采集时间和温度值。冷却水数据指的是按规定时间间隔采集的冷却水主管的通水数据，主要包括采集时间、进出水温度和水流量。软件中包含了冷却通水控制方法和数据分析功能，该模块可以为通水控制管理人员提供数据分析和辅助设计7，减少通水管理人员的手工计算和抄写。软件系统按CS模式设计，采用VBA和SQL语言编程，是基于MS Office Access和MS SQL Server的数据处理和分析软件，主要用于大型混凝土工程冷却通
15、水数据的管理和分析，可以配合大坝混凝土冷却通水数据采集系统工作，也可以单独使用。软件具有界面简洁友好，操作方便快捷，数据存储可靠，报表采用灵活的Excel表格，可多用户并行操作，功能易扩展性等优点，同时设计有用户管理和权限管理模块，可以分配各个操作界面的访问权限，将各个模块的功能分配给指定的人员来录入和操作，有利于系统的管理。软件操作界面参见图2。图2 大坝混凝土冷却通水数据处理软件部分界面截图Fig.2 Interface screenshot of partial cooling watering data processing software4 现场试验雅砻江锦屏一级大坝是目前世界第一
16、高拱坝，混凝土双曲拱坝坝高305米，其冷却通水系统的设计具有典型性和示范效应，本系统选择在锦屏一级右岸大坝进行现场试验，主要考核系统的准确性、适应性、可靠性。现场试验选择正在通水的管组进行试验，试验内容包括：传感器的安装与拆卸、温度和流量测试的准确性对比试验、耐候性试验、稳定性试验、数据传输与数据整理试验等，现场采用标准容积桶容积法测试流量作为基准，应用本系统和常规测试方法进行平行比对试验。现场试验表明，采用简约实用设计方案研制的流量传感器和温度传感器安装方便、成本低、经久耐用、适应现场恶劣环境条件。砼冷却通水自动化采集系统与现有人工测量相比，具有“一精、二快、三节约”的特点，即准确性高、测试
17、效率高、成本低、节水。现场安装及测试情况见图3。流量传感器温度传感器图3 砼冷却通水自动化采集系统在锦屏一级右岸大坝应用情况Fig.3 Application of cooling watering acquisition system in the right bank of the dam in Jinping hydroelectric power station与超声波流量计相比，其准确性有较大的提高，超声波流量计在较大流量时读数偏小很多，误差达到了10以上，在小流量时则读数偏大，因此超声波流量计的读数线性较差，造成这种问题的原因可能是超声波流量计不适用于在施工现场这样的复杂条件下应用
18、。其流量对比测试结果见表2：表2 流量对比测试结果Tab.2 Comparison results of watering current capacity项 目平均偏差最大偏差超声波流量计12.3%63.8%本系统2.6%4.8%注：表中偏差均指与容积法的偏差。玻璃温度计和笔式电子温度计的准确度一般控制在0.5，现场测温时需要打开水管进行测温，如果选择通水管组附近空闲管组来测温，测温误差主要来自部位偏差，误差可达2以上。手持式红外测温仪的分辨率和精确度分别为0.1和1，是通过测试水管外壁温度来代表水温的，这种非接触测温受管壁反射性能、环境条件如蒸汽、尘土、烟雾 以及阳光照射的影响较大，测温失
19、真较大，可达2 以上。本测温装置采用高精度电子温度计，直接安装在水管中与冷却水直接接触，经过标定测温误差在0.3以内。在测试速度方面，采集仪的响应速度要远远好于超声波流量计，通常超声波流量计每点测试时间30s，而采集仪每点测试时间8s（采集仪的采样周期为4s），且超声波流量计的读数受测试条件变化易波动，需要很长的稳定读数时间，而采集仪的读数非常稳定，读数波动在0.03m3/h以内。同时也节省了温度采集时间，本系统是进、出水温度和流量一并同步采集的，并可通过局域网或者GPRS网直接将数据上传服务器数据库或暂存在采集仪的PDA内，相比传统测试方法至少可以减少一半的人工，测试效率大大提高，如：采用笔
20、式电子温度计和超声波流量计进行温度和流量测试，测试一组水管约需150s，而采用本系统最多只需15s，按100组水管计算则每次观测可节约3.75h。如采用自动采集系统，则可完全取代人工巡检，经上位机设定自动巡检时间，由自动采集装置按设定时间自动采集数据并上传，其测试效率将更高。综上所述，大体积混凝土冷却通水数据自动采集系统的设计思路是正确的，研制的采集系统适应于水电工程恶劣的环境条件、准确度高、工作效率高、节约用水，为混凝土温控数据的快速准确收集提供了手段，也为大坝冷却通水智能控制和混凝土施工智能温控技术奠定了基础。4 结语冷却通水作为一项强制降温措施，对于大体积混凝土温控具有十分重要的意义，但
21、若控制不好也容易造成对混凝土的损伤而产生不利影响。研制通水数据自动化采集系统实现通水数据的实时、准确收集，是实施冷却通水控制管理的基础，也是实现个性化智能通水的先决条件，必将有力推动混凝土智能温控技术的快速发展。该成果研制的混凝土冷却通水数据自动化采集系统也可用于其他类似管道流量与温度的自动化采集，为水利信息化的基础数据自动采集提供了手段，必将对我国节水事业的发展产生深远的影响。参考文献：1陈军琪.等，混凝土冷却通水数据自动化采集系统，中国，ZL201020250558.2，2011-1-122谭恺炎.等，混凝土冷却通水测温装置，中国，ZL201020250543.6，2011-1-123陈军
22、琪.等，大口径叶轮式脉冲信号流量传感器，中国，ZL201020287403.6，2011-3-164谭恺炎.等，测温型叶轮式脉冲信号流量传感器，中国，ZL201020262495.2，2011-1-195陈军琪.等， 混凝土冷却通水数据智能采集仪，中国，ZL201020279715.2，2011-1-196葛洲坝集团试验检测有限公司，大坝混凝土冷却通水数据处理系统，中国，2011SR039709，2011-6-227周厚贵.等，一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，中国，201110318693.5，2011-10-19Development and application of coolin
23、g watering automated data acquisition system in mass concreteTan kaiyan1，chen junqi1 , Ma jingang2, Yan jiangping2（1. Gezhouba group Testing co.,Ltd，Yichang 443002，China；2. Gezhouba group No.2 engineering co.,Ltd，Yichang 443002，China）Abstract:The development involves in cooling watering current capa
24、city, temperature sensor and automated acquisition system in mass concrete. The system has been used in dam concrete of Jinping hydroelectric power station. It realized automated acquisition and transmission of the cooling watering current capacity and the water temperature. This system has the char
25、acteristics of adapting adverse circumstance condition，high accuracy, time-saving to reduce effort, feedback rapidly, cost saving, water saving and aided designing for watering plan. It can provids timely and accurate basis for the concrete temperature control and guarantees quality and progres of o
26、ncrete project. This system is the important components of water conservancy and hydropower project construction. It is also the essential method of water conservancy informationization in our country.It will profound influence to water conservancy and hydropower project construction and water saving in our country. Key words: cooling watering；informationization；sensor；acquisition system；watering plan作者简介： 谭恺炎（1968-），湖南望城人，葛洲坝集团试验检测有限公司总工程师，教授级高工，长期从事工程安全监测与试验检测管理工作，E-mail：gzbtky。
