混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)

趙繼民，王麗媛

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

混凝土作為常用建筑材料，其耐久性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn).據(jù)調(diào)查，我國東北、華北以及西北地區(qū)的混凝土建筑物受凍融破壞影響嚴(yán)重，抗凍性成為衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)[1].為此，在施工前要對(duì)混凝土進(jìn)行抗凍性實(shí)驗(yàn)，檢測其是否達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn).

目前，抗凍性實(shí)驗(yàn)方法主要有快凍法和慢凍法.慢凍法由于實(shí)驗(yàn)誤差大、周期長、工作量大，已逐漸被國內(nèi)外相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)取消.快凍法選取相對(duì)動(dòng)彈性模量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其誤差小、周期短，已被多數(shù)國家采用[2].快凍法需利用混凝土快速凍融試驗(yàn)設(shè)備完成.凍融試驗(yàn)機(jī)是對(duì)凍融破壞過程進(jìn)行模擬的試驗(yàn)設(shè)備，通過反復(fù)凍融循環(huán)對(duì)混凝土試件進(jìn)行破壞，以確定其抗凍等級(jí)[3].市售凍融試驗(yàn)設(shè)備的價(jià)格昂貴[4].國內(nèi)部分凍融試驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化程度較低，在數(shù)據(jù)傳輸和智能控制方面存在不足，較多采用人工操作，且無法實(shí)時(shí)采集、通信，性能較不穩(wěn)定[5].

本文依據(jù)凍融實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]設(shè)計(jì)了混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)，采用LabWindows/CVI 平臺(tái)開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)凍融實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 凍融試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

采用水凍水融法進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn).凍融試驗(yàn)機(jī)包括試件箱和凍融控制箱2 部分，如圖1 所示.試件箱用于放置待檢測的混凝土試件，凍融控制箱內(nèi)配置水泵、制冷機(jī)、加熱器，在上位機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)試件箱中混凝土試件的凍融循環(huán).

圖1 凍融試驗(yàn)機(jī)模型Fig.1 Model of concrete freeze-thaw testing machine

實(shí)驗(yàn)時(shí)將混凝土試件放置于左側(cè)的試件箱中，試件箱中注入防凍液，試件中心的通孔內(nèi)及試件箱內(nèi)四角分別放置溫度傳感器以采集溫度信息，傳感器位置如圖2 所示.傳感器5 負(fù)責(zé)采集試件溫度信息，傳感器1—4 負(fù)責(zé)采集防凍液溫度信息.

圖2 溫度傳感器位置分布Fig.2 Location of temperature sensor in the machine

凍融控制箱負(fù)責(zé)防凍液的制冷及加熱，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中制冷機(jī)、加熱器不與防凍液直接接觸，以避免水質(zhì)結(jié)垢和腐蝕影響.

圖3 凍融控制箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of freeze-thaw control box

在制冷機(jī)的作用下，混凝土內(nèi)部孔隙水凍結(jié)、毛細(xì)孔膨脹.然后，加熱器對(duì)防凍液進(jìn)行加熱，使混凝土凍結(jié)孔隙水融化.在水泵的驅(qū)動(dòng)下，防凍液在試件箱和凍融箱之間循環(huán)流動(dòng)，對(duì)浸泡于其中的混凝土試件進(jìn)行反復(fù)凍融破壞，混凝土試件內(nèi)部毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，逐漸出現(xiàn)開裂、剝落等現(xiàn)象.當(dāng)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%,或質(zhì)量損失率達(dá)5%,時(shí)即認(rèn)為試件已經(jīng)破壞，并以相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)作為該混凝土的抗凍等級(jí)(F)[3].

1.2 系統(tǒng)工作原理

下位機(jī)控制器ATmega32 負(fù)責(zé)采集溫度信息，控制水泵開關(guān)、制冷機(jī)開關(guān)、加熱器開關(guān)，監(jiān)視交流電源狀況，并與上位機(jī)通信，凍融試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示.

圖4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the whole system

系統(tǒng)選用Carlyle SM120S4VAC 型壓縮機(jī)、F22制冷劑進(jìn)行制冷；選用瑞泰RT-DRG 型電加熱器，并附加電流監(jiān)視功能，若不能正常運(yùn)行將自動(dòng)斷電.同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)水泵電流和電源相電壓、線電壓進(jìn)行監(jiān)控.

2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集

標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定：降溫和升溫終了時(shí)，試件中心溫度應(yīng)分別控制在-17,℃±2,℃和8,℃±2,℃，防凍液的溫度要控制在-25～+20,℃.據(jù)此，選用DS18B20型數(shù)字溫度傳感器，量程為-55～+125,℃，分辨率為0.5,℃，最高12 位的A/D 轉(zhuǎn)換精度為0.062,5 ℃，滿足溫度測量范圍和精度(±0.5,℃)要求.

where r is the radial mode number, nr=n1/n2, n1 and n2 are the refractive indices of microcavity and ambient materials, respectively, η(r) is the Airy function solution and equals 2.338 if r=1, L is the polarization characteristic coefficient and L=1/nr for TM modes and L=nr for TE modes.

利用 8 通道模擬多路復(fù)用器/多路分解器M74HC4051 進(jìn)行通道選擇，為芯片使能端，A、B、C 為數(shù)字選擇輸入端.當(dāng)為低電平時(shí)，根據(jù)A、B、C 端口的狀態(tài)選通X0—X7中的某一個(gè)通道.當(dāng)為高電平時(shí)，所有通道都處于高阻關(guān)斷狀態(tài)[6].溫度采集電路如圖5 所示.

圖5 溫度采集電路原理圖Fig.5 Diagram of temperature acquisition

2.2 開關(guān)控制

系統(tǒng)利用光耦合器MOC3041 與小功率雙向晶閘管MAC97A6 實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)開關(guān)、加熱器開關(guān)、水泵開關(guān)的控制，開關(guān)控制電路如圖6 所示.

圖6 開關(guān)控制電路原理圖Fig.6 Diagram of switching control

光耦合器MOC3041 利用發(fā)光二級(jí)管把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，而后光敏二極管將光信號(hào)再次轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，控制其所對(duì)應(yīng)的雙向晶閘管MAC97A6，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制.由于沒有直接的電氣連接，可以隔離部分干擾.光電隔離方法常用于測控裝置與現(xiàn)場信號(hào)之間、弱電和強(qiáng)電之間，其目的是從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號(hào)聯(lián)系，實(shí)質(zhì)是把干擾通道切斷，從而隔離現(xiàn)場干擾.

2.3 電源監(jiān)控

為了增強(qiáng)裝置的安全性能，對(duì)交流電源進(jìn)行監(jiān)控.交流信號(hào)通過電壓互感器HPT304 和電流互感器HCT215 傳送給電能測量芯片CS5463，該集成芯片是專門為住宅用單相電能表或工業(yè)用三相電能表設(shè)計(jì)的，可精確測量瞬間電流和電壓.

2.4 控制器

下位機(jī)控制器選用ATmega32，各引腳分配如圖7 所示.PD2—PD4 端口連接74HC4051，負(fù)責(zé)采集溫度信息；PC0—PC3、PD7 端口用于開關(guān)控制；PB3—PB7、PC4—PC7 端口用于監(jiān)控交流電，采集電流和電壓信息；PB5—PB7 端口及RESET 用于單片機(jī)程序的下載；PD0—PD1 端口用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信.

圖7 引腳分配圖Fig.7 Pin assignment

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用C 語言編程，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)溫度以及電源運(yùn)行狀況信息，控制水泵、制冷機(jī)、加熱器運(yùn)行，并通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，其程序流程圖見圖8.首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始化并將各個(gè)端口寄存器清零，隨后采集溫度信息數(shù)據(jù)以及制冷機(jī)、加熱器的電流、電壓信息數(shù)據(jù)，通過串口通信將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，并根據(jù)上位機(jī)的控制信息對(duì)制冷機(jī)、加熱器進(jìn)行開關(guān)控制，從而實(shí)現(xiàn)凍融循環(huán).

圖8 下位機(jī)程序流程圖Fig.8 Program flow chart of MCU

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

采用LabWindows/CVI 平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)軟件開發(fā)[7].上位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和界面顯示.系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)界面如圖9 所示.

圖9 上位機(jī)界面Fig.9 Interface of PC

通過上位機(jī)軟件可設(shè)定測試小時(shí)數(shù)、上限溫度、下限溫度、小測設(shè)計(jì)數(shù)量、小測設(shè)計(jì)循環(huán)量，顯示相電壓、線電壓、加熱電流、水泵電流、防凍液溫度及試件溫度，方便操作人員了解下位機(jī)運(yùn)行狀況.同時(shí)，上位機(jī)軟件可以在測試過程中顯示數(shù)據(jù)曲線并生成數(shù)據(jù)報(bào)表.

4 實(shí) 驗(yàn)

為檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際性能，采用系統(tǒng)進(jìn)行混凝土凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)測試后的混凝土進(jìn)行抗凍等級(jí)的評(píng)定，實(shí)驗(yàn)步驟[3]如下：

(1)選用抗凍等級(jí)為F200 的混凝土試件進(jìn)行測試前養(yǎng)護(hù).

(2)稱量試件的初始質(zhì)量，測量初始自振頻率，作為評(píng)定抗凍等級(jí)的起始值，作必要的外觀描述并拍照.

(3)將經(jīng)過養(yǎng)護(hù)的混凝土試件放入凍融箱內(nèi)，倒入防凍液，使其高出試件上表面至少5,mm.

(4)每循環(huán)50 次后，稱量試件的質(zhì)量，測量自振頻率，計(jì)算出質(zhì)量損失率以及相對(duì)動(dòng)彈性模量，作必要的外觀描述并拍照.

(5)凍融n 次循環(huán)后出現(xiàn)以下3 種情況之一時(shí)即可停止實(shí)驗(yàn)：凍融至預(yù)定的循環(huán)次數(shù)；相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%,；質(zhì)量損失率達(dá)5%,.

水灰比是影響混凝土抗凍性能的重要指標(biāo)[8].因此，固定水泥用量為305 kg/m3，水灰比選取0.32 和0.40，分別驗(yàn)證抗凍等級(jí).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.在水泥用量相同、水灰比不同的情況下，在凍融循環(huán)200 次之后的相對(duì)動(dòng)彈性模量均未小于60%,，質(zhì)量損失也均未超過5%,，符合抗凍200 次的標(biāo)準(zhǔn).

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)測試系統(tǒng)，基于LabWindows/CVI 平臺(tái)開發(fā)上位機(jī)軟件，采用C 語言編寫了下位機(jī)軟件，最后通過凍融實(shí)驗(yàn)測試了系統(tǒng)性能.系統(tǒng)能夠按上位機(jī)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)完成凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，上位機(jī)界面簡明，便于操控，可為工程提供可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).目前，系統(tǒng)只能完成凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，不能自動(dòng)評(píng)定抗凍等級(jí)，在后續(xù)研究中還可將抗凍等級(jí)評(píng)定功能嵌入到系統(tǒng)中.

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