基于OFDR光纖傳感的大體積混凝土智能溫控系統的制作方法

基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫控系統
技術領域
1.本發明屬于大體積混凝土智能溫控技術領域，具體涉及一種基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫系統和方法。


背景技術：

2.目前，對大體積混凝土是這樣定義的：混凝土結構實體最小幾何尺寸不小于1m大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土。大體積混凝土結構設計中通常要求不出現拉應力或出現很小的拉應力，但混凝土是脆性材料，其抗拉強度只有抗壓強度的1/10左右。大體積混凝土拉伸變形能力也很小，工程試驗資料統計表明：短期加載作用下，其極限拉伸變形值為(0.6～1.0)
×
10-4m；長期加載時的極限拉伸變形也只有(1.2～2.0)
×
10-4m。大體積混凝土在施工和運營階段由于溫度變化會產生很大的拉應力，要把這種由于溫度變化而引起的拉應力控制在允許范圍內頗不容易的，因此，大體積混凝土結構往往容易出現溫度裂縫。另外，大體積混凝土結構斷面尺寸比較大，一般都是超長、超寬、超厚。由于體積龐大，水泥在水化過程中將釋放出大量的水化熱，而混凝土自身的導熱性能差，聚集在內部的大量水化熱不易散發，導致大體積混凝土內部中心溫度很高，此時混凝土彈性模量并不大，徐變較大，升溫主要引起是壓應力；隨著時間推移出現了降溫，混凝土彈性模量變得比較大，而徐變仍較小，當混凝土內部溫度與外界溫度相差較大，出現較大的溫差(即溫度梯度很陡時)，內外約束會造成大體積混凝土產生很大的溫度應力，很容易造成大體積混凝土開裂。設計中，大體積混凝土配筋率偏低，像大壩、水工結構等大體積混凝土通常不配筋，或只在表面配置少量鋼筋，溫度裂縫產生的巨大拉應力主要靠混凝土承擔，抗拉性能差的混凝土很容易產生裂縫。在土木建筑領域，承臺、筏板等大體積混凝土基礎雖然配置了鋼筋，與大體積混凝土結構的巨大斷面相比，配筋率是極低的，且鋼筋分布不均勻。而大體積混凝土短期內產生水化熱巨大，溫度應力還是主要依靠混凝土來承擔，土木建筑領域的大體積混凝土開裂問題依然嚴重，隨著大體積混凝土強度等級提高，裂縫問題愈演愈烈?？梢?，大體積混凝土配筋率偏低，像大壩、水工結構等大體積混凝土通常不配筋，或只在表面配置少量鋼筋，溫度裂縫產生的巨大拉應力主要靠混凝土承擔，抗拉性能差的混凝土很容易產生裂縫。在土木建筑領域，承臺、筏板等大體積混凝土基礎雖然配置了鋼筋，與大體積混凝土結構的巨大斷面相比，配筋率是極低的，且鋼筋分布不均勻。而大體積混凝土短期內產生水化熱巨大，溫度應力還是主要依靠混凝土來承擔，土木建筑領域的大體積混凝土開裂問題依然嚴重，隨著大體積混凝土強度等級提高，裂縫問題愈演愈烈。
3.為了有效預防大體積混凝土結構危害性裂縫的產生，施工期間，在混凝土中預埋冷卻水管，用循環冷卻水帶走混凝土硬化過程中產生的水化熱，降低大體積混凝土的溫升，是目前最為常用的一項關鍵混凝土溫控防裂措施。然而現有大體積混凝土通水冷卻技術目前存在以下一些問題：
4.(1)冷卻水管降溫法主要是在大體積砼內布置腳手管，以水循環作為溫控措施，后
在腳手管內灌注同標號砂漿。由于腳手管不能拐彎，通?？v橫向貫穿設置，水經過大體積砼的流量縱橫向均勻。而大體積砼的中心最需進行降溫，均勻分部的水流難以提高大體積砼中心降溫效率。
5.(2)大體積砼的溫控措施為水循環，但是何時、以何種水流量、何種溫度的水流去進行溫控，一直是困擾大家的難題。為了進行溫控，大體積砼通常進行常流量、常溫度水循環降溫，即在前期溫度未上升乃至后期溫度上升至最大絕熱溫度時一以貫之，溫控效率極低。
6.(3)傳統的溫度監控方法是通過人工進行溫度測量和采集，通過對數據的記錄分析發現溫度超標時再采取應對措施。這種方法存在記錄不準確，無法實時掌控溫度變化情況，無法對質量事件預警,缺乏異常工況分析處理能力等問題。
7.(4)現有通水冷卻控制系統精度不高、效率低，沒有實現溫控信息采集、傳輸、流量動態調節的閉環控制，調控工作沒有實現智能化。


技術實現要素：

8.解決的技術問題：本發明公開了一種基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫系統和方法，利用ofdr光纖傳感后數據的信息化處理，可以實時控制冷卻循環水的通斷、制冷器的開關；并且，由于大體積混凝土內部的冷卻循環水的雙向流向，可以使大體積混凝土降溫達到精確控制的效果。
9.技術方案：
10.一種基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫控系統，所述智能溫控系統包括冷卻子系統、第一分布式光纖溫度傳感器、第二分布式光纖溫度傳感器、第一ofdr光纖數據自動化采集裝置、第二ofdr光纖數據自動化采集裝置、路面基站信息顯示與傳輸子系統、5g信號傳輸子系統和光纖數據處理與分析子系統；
11.所述冷卻子系統包括依次連接形成冷卻水流通回路的第一水箱、第一冷卻水流動通道、第二水箱、第二冷卻水流動通道、雙向冷卻通道、第三冷卻水流動通道；所述雙向冷卻通道分層鋪設在大體積混凝土內；所述第一冷卻水流動通道上設置有第一水泵，用于將第二水箱中的冷卻水抽取至第一水箱；第二冷卻水流動通道上設置有第二水泵，用于將第一水箱中的冷卻水抽取至雙向冷卻通道；第三冷卻水流動通道用于將雙向冷卻通道中的冷卻水導通回第二水箱；第二水箱內設置有制冷器和攪拌裝置，制冷器用于對第二水箱內的水進行冷卻，攪拌裝置用于攪拌第二水箱內的冷卻水以均勻冷卻水溫度；
12.所述光纖數據處理與分析子系統位于遠端控制室內，所述路面基站信息顯示與傳輸子系統位于路面基站內，光纖數據處理與分析子系統與路面基站信息顯示與傳輸子系統通過5g信號傳輸子系統建立通訊鏈路；
13.所述第一分布式光纖溫度傳感器以螺旋形式固定敷設在大體積混凝土豎向筋側面，所述第二分布式光纖溫度傳感器以直線形式固定敷設在第二水箱內側；所述第一ofdr光纖數據自動化采集裝置對大體積混凝土豎向筋側面的溫度進行采集，所述第二ofdr光纖數據自動化采集裝置對第二水箱內的冷卻水的溫度進行采集；所述第一ofdr光纖數據自動化采集裝置和第二ofdr光纖數據自動化采集裝置將采集到的溫度數據發送至路面基站信息顯示與傳輸子系統，經由路面基站信息顯示與傳輸子系統發送至光纖數據處理與分析子
系統，所述光纖數據處理與分析子系統對溫度數據進行分析，下發相應的控制指令至第一水泵、第二水泵、制冷器和攪拌裝置，調整第一水泵、第二水泵、制冷器和攪拌裝置的工作狀態。
14.進一步地，所述智能溫控系統包括mcc直流供電子系統，mcc直流供電子系統分別與ofdr光纖數據自動化采集裝置、路面基站信息顯示與傳輸子系統連接，提供正常工作所需電壓。
15.進一步地，所述智能溫控系統包括顯示控制子系統，顯示控制子系統位于遠端控制室內，與光纖數據處理與分析子系統連接，用于對光纖數據處理與分析子系統接收到的溫度數據進行去噪、平滑處理后以圖表形式顯示。
16.進一步地，所述光纖數據處理與分析子系統對溫度數據進行分析：
17.當大體積混凝土豎向筋側面的溫度t1高于大氣溫度t0，且與大氣溫度t0之間的差值大于第一溫差閾值時，啟動第一水泵、第二水泵和攪拌裝置，對大體積混凝土進行冷卻，直至大體積混凝土豎向筋側面的溫度t1與大氣溫度t0之間的差值小于第二溫差閾值；
18.當大體積混凝土豎向筋側面的溫度t1與第二水箱的溫度t2之間的差值t1-t2大于第三溫差閾值時，開啟制冷器對第二水箱中的冷卻水進行降溫，第三溫差閾值為負值。
19.進一步地，所述第一溫差閾值為25攝氏度；所述第二溫差閾值為5攝氏度；所述第三溫差閾值為-20度。
20.進一步地，所述雙向冷卻通道包括分層埋設在大體積混凝土內部且水流方向完全相反的第一冷卻通道和第二冷卻通道；在同一層，第一冷卻通道和第二冷卻通道均由大體積混凝土的同一個側邊進出，呈折線型，再由該側邊所在側面延伸至下一層或者上一層。
21.進一步地，所述雙向冷卻通道通過槽組件固定在大體積混凝土內；
22.所述槽組件包括冷卻水管固定槽、冷卻水管固定裝置螺母、墊片和螺桿；所述第一冷卻通道和第二冷卻通道穿過冷卻水管固定槽的圓槽，冷卻水管固定槽的兩側各設置有一個通孔，螺桿自一側穿過通孔，冷卻水管固定裝置螺母自另一側旋緊在螺桿上，將第一冷卻通道和第二冷卻通道緊固在冷卻水管固定槽的圓槽內；墊片設置在冷卻水管固定裝置螺母與冷卻水管固定槽之間。
23.本發明還提及一種基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫控方法，所述智能溫控方法采用如前所述智能溫控系統對大體積混凝土進行溫度監控和智能冷卻；
24.所述智能溫控方法包括以下步驟：
25.采用第一ofdr光纖數據自動化采集裝置和第二ofdr光纖數據自動化采集裝置分別對大體積混凝土豎向筋側面和第二水箱內的冷卻水的溫度進行采集；將采集到的溫度數據發送至路面基站信息顯示與傳輸子系統，經由路面基站信息顯示與傳輸子系統發送至光纖數據處理與分析子系統；
26.驅使光纖數據處理與分析子系統對溫度數據進行分析，根據分析結果下發相應的控制指令至第一水泵、第二水泵、制冷器和攪拌裝置，調整第一水泵、第二水泵、制冷器和攪拌裝置的工作狀態。
27.進一步地，所述根據分析結果下發相應的控制指令至第一水泵、第二水泵、制冷器和攪拌裝置的過程包括以下步驟：
28.計算大體積混凝土豎向筋側面的溫度t1與大氣溫度t0之間的差值，如果計算得到
的差值t1-t0大于第一溫差閾值時，啟動第一水泵、第二水泵和攪拌裝置，對大體積混凝土進行冷卻，直至大體積混凝土豎向筋側面的溫度t1與大氣溫度t0之間的差值小于第二溫差閾值；
29.計算大體積混凝土豎向筋側面的溫度t1與第二水箱的溫度t2之間的差值t1-t2，如果差值t1-t2大于第三溫差閾值時，開啟制冷器對第二水箱中的冷卻水進行降溫，第三溫差閾值為負值。
30.有益效果：
31.與現有的大體積混凝土溫控技術相比，本發明具有以下優點：
32.第一，冷卻水管降溫法主要是在大體積砼內布置腳手管，以水循環作為溫控措施，后在腳手管內灌注同標號砂漿；由于腳手管不能拐彎，通?？v橫向貫穿設置，水經過大體積砼的流量縱橫向均勻；而大體積砼的中心最需進行降溫，均勻分部的水流難以提高大體積砼中心降溫效率；本發明通過雙向通冷卻循環水，可以有效避免水流沿一個方向流動造成的中心及出口段降溫效果差的問題。
33.第二，大體積砼的溫控措施為水循環，但是何時、以何種水流量、何種溫度的水流去進行溫控，一直是困擾大家的難題。為了進行溫控，大體積砼通常進行常流量、常溫度水循環降溫，即在前期溫度未上升乃至后期溫度上升至最大絕熱溫度時一以貫之，溫控效率極低。本發明在大體積混凝土澆筑前期，對大體積混凝土進行實時測溫，當大體積混凝土內部溫度超出大氣溫度25℃后即開始通水，當冷卻循環水與混凝土內部的溫差減少時實時開啟制冷器，保證降溫效果，當溫差過大時關閉制冷器，保證混凝土內部不會開裂；當大體積混凝土內部溫度趨于大氣溫度時，關閉所有冷卻循環水泵、制冷器、攪拌裝置，本發明可以提高大體積混凝土溫控效率，避免了電能和水的浪費。
34.第三，傳統的溫度監控方法是通過人工進行溫度測量和采集，通過對數據的記錄分析發現溫度超標時再采取應對措施。這種方法存在記錄不準確，無法實時掌控溫度變化情況，無法對質量事件預警,缺乏異常工況分析處理能力等問題。本發明可以實時檢測溫度數據并能采取應對措施，可以節省人力資源。
35.第四，現有通水冷卻控制系統精度不高、效率低，沒有實現溫控信息采集、傳輸、流量動態調節的閉環控制，調控工作沒有實現智能化。本發明實現了溫控信息采集、傳輸、流量動態調節的閉環控制，調控工作實現了智能化。
附圖說明
36.圖1為基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫系統的結構示意圖；
37.圖2為第一分布式光纖溫度傳感器的固定方式示意圖；
38.圖3為雙向冷卻通道的走向示意圖；
39.圖4為雙向冷卻通道的固定結構示意圖。
具體實施方式
40.下面的實施例可使本專業技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。
41.參見圖1，本發明實施例公開了一種基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫控
系統，包括第一分布式光纖溫度傳感器101、第二分布式光纖溫度傳感器102、第一ofdr光纖數據自動化采集裝置103、第二ofdr光纖數據自動化采集裝置104、路面基站信息顯示與傳輸子系統105、5g信號傳輸子系統106、光纖數據處理與分析子系統107和顯示控制子系統108、分布式光纖固定裝置109。光纖數據處理與分析子系統107和顯示控制子系統108位于遠端控制室內。
42.所述冷卻子系統包括依次連接形成冷卻水流通回路的第一水箱、第一冷卻水流動通道、第二水箱、第二冷卻水流動通道、雙向冷卻通道、第三冷卻水流動通道；所述雙向冷卻通道分層鋪設在大體積混凝土內；所述第一冷卻水流動通道上設置有第一水泵，用于將第二水箱中的冷卻水抽取至第一水箱；第二冷卻水流動通道上設置有第二水泵，用于將第一水箱中的冷卻水抽取至雙向冷卻通道；第三冷卻水流動通道用于將雙向冷卻通道中的冷卻水導通回第二水箱；第二水箱內設置有制冷器和攪拌裝置，制冷器用于對第二水箱內的水進行冷卻，攪拌裝置用于攪拌第二水箱內的冷卻水以均勻冷卻水溫度。
43.參見圖3，所述雙向冷卻通道包括分層埋設在大體積混凝土內部且水流方向完全相反的第一冷卻通道和第二冷卻通道；在同一層，第一冷卻通道和第二冷卻通道均由大體積混凝土的同一個側邊進出，呈折線型，再由該側邊所在側面延伸至下一層或者上一層。冷卻循環水管上進口201和冷卻循環水管下出口204對應第一冷卻通道，冷卻循環水管上出口202、冷卻循環水管下進口203對應第二冷卻通道，兩個冷卻通道的水經由冷卻循環水出口三通205匯合后流回第二水箱。
44.參見圖4，所述雙向冷卻通道通過槽組件固定在大體積混凝土內。
45.以圖3中的冷卻循環水管206部分為例，所述槽組件包括冷卻水管固定槽207、冷卻水管固定裝置螺母208、墊片209和螺桿210；所述第一冷卻通道和第二冷卻通道穿過冷卻水管固定槽207的圓槽，冷卻水管固定槽207的兩側各設置有一個通孔，螺桿210自一側穿過通孔，冷卻水管固定裝置螺母208自另一側旋緊在螺桿210上，將第一冷卻通道和第二冷卻通道緊固在冷卻水管固定槽207的圓槽內；墊片209設置在冷卻水管固定裝置螺母208與冷卻水管固定槽207之間。
46.所述智能溫控系統包括mcc直流供電子系統，mcc直流供電子系統分別與ofdr光纖數據自動化采集裝置、路面基站信息顯示與傳輸子系統連接，提供正常工作所需電壓。需要說明的是，本技術方案中隱匿了部分與冷卻過程無直接關聯，只作為冷卻各個部件的器件的具體原理說明，例如，mcc直流供電子系統301、dcs 302、交流電源303、繼電器304、繼電器305、冷卻循環水泵306、冷卻循環水泵307、交流電源308、繼電器309、繼電器310、繼電器311等等。
47.本實施例的分布式光纖溫度傳感器分為2路布設：(1)第一分布式光纖溫度傳感器101以螺旋形式固定敷設在大體積混凝土豎向筋211側面，(2)第二分布式光纖溫度傳感器102以直線形式固定敷設在第二水箱內側。圖2為第一分布式光纖溫度傳感器采用分布式光纖固定裝置109固定在大體積混凝土豎向筋211側面的固定方式示意圖。第一分布式光纖溫度傳感器101和第二分布式光纖溫度傳感器102接入路面基站中對應的ofdr光纖數據自動化采集裝置，ofdr光纖數據自動化采集裝置與mcc直流供電子系統301和路面基站信息顯示與傳輸子系統105連接；ofdr光纖數據自動化采集裝置103、104將數據發至路面基站信息顯示與傳輸子系統105，路面基站信息顯示與傳輸子系統105通過5g信號傳輸子系統106將(1)
和(2)兩路的溫度數據傳輸至光纖數據處理與分析子系統107，(1)和(2)兩路的溫度數據經去噪、平滑后以圖表形式在顯示控制子系統108中顯示。
48.本實施例還提及一種基于ofdr光纖傳感的大體積混凝土智能溫控方法，所述智能溫控方法采用如前所述智能溫控系統對大體積混凝土進行溫度監控和智能冷卻；
49.所述智能溫控方法包括以下步驟：
50.采用第一ofdr光纖數據自動化采集裝置和第二ofdr光纖數據自動化采集裝置分別對大體積混凝土豎向筋側面和第二水箱內的冷卻水的溫度進行采集；將采集到的溫度數據發送至路面基站信息顯示與傳輸子系統，經由路面基站信息顯示與傳輸子系統發送至光纖數據處理與分析子系統。
51.驅使光纖數據處理與分析子系統對溫度數據進行分析，根據分析結果下發相應的控制指令至第一水泵、第二水泵、制冷器和攪拌裝置，調整第一水泵、第二水泵、制冷器和攪拌裝置的工作狀態。
52.示例性地，將(1)路的溫度最高值設定為t1，將(2)路的溫度最高值設定為t2，將大氣溫度設定為t0，當t1＞t0+25℃時，通過dcs 302發出脈沖信號，將第一水箱和第二水箱的冷卻循環水泵306、307、312開啟并開啟攪拌裝置313；當-20℃＜t2-t1＜0℃，通過dcs302發出脈沖信號將第二水箱的制冷器314開啟；當t2-t1＜-20℃時，通過dcs 302發出脈沖信號將第二水箱的制冷器314關閉；當t2-t1＞-20℃時，通過dcs 302發出脈沖信號將第二水箱的制冷器314開啟；當t1-t0＜5℃時，通過dcs 302發出脈沖信號將第一水箱和第二水箱的冷卻循環水泵306、307、312關閉并關閉攪拌裝置313和制冷器314。