一种手持式水底灌桩顶面高程控制预警装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种手持式水底灌桩顶面高程控制预警装置及方法，包括：依次串联连接的手持式报警仪、防水导线以及水下密闭探头；手持式报警仪内部设有主控制器以及与主控制器分别连接的供电电源、信号处理电路和报警电路；水下密闭探头内部设有电动机，当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，水下密闭探头内部电动机阻转，所述电动机阻转产生的激增电流信号通过防水导线连接到手持式报警仪，产生报警信号；本发明有益效果：本装置结构简单，操作方便，能够为现场施工人员所接受；经过施工现场检验，本装置能够准确的控制水下灌注桩的桩顶高程，精度在5cm之内，相比传统杆探法的控制精度有明显的改善。
【专利说明】
一种手持式水底灌桩顶面高程控制预警装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及建筑工程设备相关技术领域，特别是涉及一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置及方法。
【背景技术】
[0002]混凝土是土木工程施工中最常见的一种施工材料，用途非常广泛，在建筑物等的施工中扮演着重要的角色。在建筑物的建设之中，下部基础的建设是最重要的，直接决定着上部结构物的安全性和稳定性。下部混凝土基础多为粧基工程，且都为隐蔽式粧基，即粧顶设计标高在地面以下且钻孔中充满泥浆，人的肉眼无法直接判断基粧顶面的高程。
[0003]国内现有的最常用的探测方法为杆探法和重锤法，杆探法即用一根长竹竿在混凝土即将达到灌注高度的时候伸入泥浆之中，凭借现场工作人员的经验来判断粗骨料所在的高度。重锤法即用一根带有刻度的线，一端连接有重物，下探泥浆之中，原理和杆探法类似。然而现有的方法存在非常大的缺陷:
[0004]I)体积过于笨重。
[0005]2)需要每隔一定的时间进行探测工作，极大地拖延施工进度。
[0006]3)完全依赖施工人员的经验，极易造成严重的超灌现象。
[0007]4)超灌造成混凝土的浪费，凿除粧头浪费了大量的人力和财力。
[0008]5)混凝土废料对环境污染非常严重。
[0009]现有技术中，已经存在部分关于粧基顶面高程控制设备的研究。例如:
[0010]现有技术公开了在装置下端设置比重介于泥浆和混凝土之间的振动块，当混凝土接触到振动块以后会将振动块托起，触碰到上方开关以后闭合电路，报警器报警。该装置存在如下不足:I)每个地区泥浆比重不一样，混凝土不同标号的比重也存在很大的差异。所以必然会造成该装置的错误报警，进而影响到整个粧身的质量，可能会造成经济损失。2)在灌注过程中，混凝土上涌面是不规则的，即将达设计标高时的上涌面会高于标高面，同样也会造成误报。
[0011]现有技术公开了通过取样桶探测钻孔中混凝土的高度，该方法与已有的杆探法一样费时费力，并不能解决实际的问题。
[0012]现有技术公开了利用抓斗下探泥浆中抓取混凝土。由于施工现场环境复杂，该装置无疑会增加现场工作人员的工作量，且该装置的抓斗大量的利用了螺栓结构，泥浆中的砂粒在进入螺栓之后会卡住螺栓，从而导致该装置无法工作。
[0013]综上所述，如何设计一种装置，既能在水下灌注粧的过程中能够快速、准确的控制混凝土的高度，也能有效的提高施工效率降低凿粧成本，是本领域技术人员亟需解决的问题。
【发明内容】
[0014]本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置及方法，该装置反应迅速，能及时的传递报警信息，有效的提高施工效率降低凿粧成本。体积小巧，操作方便，结实耐用，能够被广大的现场技术人员接受。
[0015]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:
[0016]—种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，包括:依次串联连接的手持式报警仪、防水导线以及水下密闭探头；
[0017]所述手持式报警仪内部设有主控制器以及与主控制器分别连接的供电电源、信号处理电路和报警电路；
[0018]所述水下密闭探头内部设有电动机，当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，水下密闭探头内部电动机阻转，所述电动机阻转产生的激增电流信号通过防水导线连接到手持式报警仪，所述激增电流信号经过信号处理电路后，产生报警信号;所述电动机阻转后，主控制器控制断开水下密闭探头的供电。
[0019]进一步地，所述水下密闭探头包括:依次连接的导线串口、电动机和桨叶；在电动机转轴上设有橡胶环;所述电动机的运转电流和堵转电流差异明显。
[0020]进一步地，所述信号处理电路包括依次串联连接的采样电路、信号放大电路和数模转换电路;所述采样电路包括:串联连接的双路隔离单元和采样电组。
[0021]进一步地，所述双路隔离单元包括:
[0022]一路探头输出信号依次串联电阻R28和三极管Q2后接入继电器U9的第一输入端；继电器U9的第二输入端经过二极管D5连接采样电阻；继电器U9的第三输入端接地;在继电器U9的第一输入端和第三输入端之间串联连接二极管D6;
[0023]另一路探头输出信号依次串联电阻R33和三极管Q3后接入继电器Ull的第一输入端;继电器Ul I的第二输入端和第三输入端接地，在继电器Ul I的第一输入端和第三输入端之间串联连接二极管D7;
[0024]继电器U9和继电器Ul I的输出端分别连接DCl。
[0025]进一步地，所述采样电阻包括:电阻R26和电阻R27串联组成串联支路一，电阻R30、电阻R34和电阻R31依次串联连接组成串联支路二 ；串联支路一和串联支路二并联连接；串联支路一和串联支路二的一端分别连接电源，另一端分别接地。
[0026]进一步地，所述数模转换电路具有两路通道，一路通道接收经过采样电阻分压并放大后的采样电压信号;另一路通道接收经过分压后电源电压。
[0027]进一步地，手持式报警仪包括:显示屏、操作面板以及导线插槽;所述操作面板上设有操作按键;在所述手持式报警仪的底部设有导线插槽。
[0028]—种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置的工作方法，包括:
[0029](I)水下密闭探头通过防水导线与手持式报警仪连接;将采样电阻与电机串联连接，通过采样电阻测量电机的采样电流；
[0030](2)当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，密闭探头内部电机停转；
[0031](3)直流电机被阻转时内阻极小，直流电机与采样电阻的串联网络内阻变小，采样电流增大测量电阻上分得的电压变大;该电阻上的电压经过放大以后进行模数转换，经过主控制器调控以后输出到报警电路中发出警报；
[0032](4)主控制器控制断开水下密闭探头的供电；
[0033](5)停止混凝土的灌注。
[0034]进一步地，电机采样电流流经采样电组产生压降；采样电阻上压降的大小与采样电流的关系为欧姆定率关系；采样电阻上的电压经过放大后由模数转换器转为数字量，与预先设定好的阀值进行比较，根据比较结果判定是否报警。
[0035]本发明有益效果:
[0036](I)本装置结构简单，操作方便，能够为现场施工人员所接受；
[0037](2)经过施工现场检验，本装置能够准确的控制水下灌注粧的粧顶高程，精度在5 cm之内，相比传统杆探法3 O cm-5 O cm的控制精度有明显的改善；
[0038](3)本装置应用于粧基施工的过程中，能明显的提高施工效率降低施工成本；
[0039](4)本装置能有力的控制水下灌注粧的超灌高度，后期处理粧头的长度缩短，能有效的减少混凝土废料排放，降低甚至消除了对生态环境的污染。
【附图说明】
[0040]图1为本发明产品的总体效果图；
[0041]图2为本发明中手持报警仪内部电路的采样电路图；
[0042]图3为本发明中手持报警仪内部电路的报警器控制电路图；
[0043]图4为本发明中手持报警仪内部电路的电源电路图；
[0044]图5为本发明中手持报警仪内部电路的负电源电路图；
[0045]图6为本发明中水下密闭探头结构示意图；
[0046]图7为本发明中手持报警仪结构示意图；
[0047]其中:1-1、手持报警仪，1-2、防水导线，1-3、水下密闭探头；
[0048]8-1、导线串口，8-2、密封后盖，8-3、电动机，8-4、橡胶环，8-5、塑封壳，8-6、桨叶；
[0049]9-l、LED显示屏，9-2、扬声口，9_3、操作面板，9_4、电源开关，9_5、导线插槽。
【具体实施方式】
:
[0050]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0051 ]如图1所示，一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，包括:手持式报警仪、防水导线1-2以及水下密闭探头1-3;其中，手持式报警仪上的导线插槽9-5与防水导线1-2的一端连接，防水导线1-2的另一端与水下密闭探头1-3的DC电机的正负极相连，并做好防水处理。
[0052]如图7所示，手持式报警仪包括显示屏、内部电路、电源及开关、操作面板9-3以及导线插槽9-5。操作面板9-3上有三个按键，扬声口 9-2，电源开关9-4及导线插槽9-5位于手持报警仪1-1的底端。电源为11.1V锂电池，位于操作面板9-3背面的空腔内。
[0053]防水导线1-2为Φ6πιπι的加强芯防水导线1-2，考虑到施工现场可能会用到长数十米的导线，导线的重力会将导线拉断造成损失，经过多次试验以及现场使用，决定采用定制加强芯导线。防水导线1-2—端直接与所述水下密闭探头1-3的电动机8-3正负接线柱相连，另一端接有插头，插头可直接插入所述手持式报警仪的导线插槽9-5中。
[0054]如图6所示，水下密闭探头1-3内部设有电动机8-3，当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，水下密闭探头1-3内部电动机8-3阻转，电动机8-3阻转产生的激增电流信号通过防水导线1-2连接到手持式报警仪，激增电流信号经过信号处理电路后，产生报警信号；电动机8-3阻转后，主控制器控制断开水下密闭探头1-3的供电。防水导线1-2通过设置在电动机8-3密封后盖8-2上的导线串口 8-1与电动机8-3连接。
[0055]水下密闭探头1-3包括:桨叶8-6、橡胶环8-4、塑封壳8-5、电动机8-3。桨叶8-6以及塑封壳8-5均为PVC材质。橡胶环8-4为丁腈橡胶，橡胶环8-4套在电动机8-3转轴上，压在电动机8-3和密封壳之间，主要起防水功能。电动机8-3为DC12V直流有刷电动机8-3，运转电流
0.6A-0.7A之间，堵转电流为1.873A，该电动机8_3的运转电流和堵转电流之间的落差巨大，能够明显的区分，所以采用该种型号的电动机8-3。
[0056]手持式报警仪内部设有主控制器以及与主控制器分别连接的供电电源、信号处理电路和报警电路；
[0057]信号处理电路包括:采样电路、信号放大电路和数模转换电路；
[0058]如图2所示，采样电路包括:双路隔离单元和采样电组;采样电路采用两只继电器对探头输出进行电源地的双重隔离以防外部高压等因素影响内部电路工作和使用者的安全。
[0059]双路隔离单元包括:
[0060]一路探头输出信号依次串联电阻R28和三极管Q2后接入继电器U9的第一输入端；继电器U9的第二输入端经过二极管D5连接采样电阻；继电器U9的第三输入端接地;在继电器U9的第一输入端和第三输入端之间串联连接二极管D6。
[0061 ]另一路探头输出信号依次串联电阻R33和三极管Q3后接入继电器Ull的第一输入端;继电器Ul I的第二输入端和第三输入端接地，在继电器Ul I的第一输入端和第三输入端之间串联连接二极管D7。
[0062 ] 继电器U9和继电器Ul I的输出端分别连接DCl。
[0063]采样电阻包括:电阻R26和电阻R27串联组成串联支路一，电阻R30、电阻R34和电阻
R31依次串联连接组成串联支路一.；串联支路一和串联支路一■并联连接；串联支路一和串联支路二的一端分别连接电源，另一端分别接地。
[0064]电阻1?26，1?27，1?31，1?34，1?0为采样隔离电阻，起到保护放大器和电流电压转换的作用，电阻R30为采样电阻。
[0065]采样电路考虑到电机阻转保护，采样电路保护，电池保护，安全性的要求采用了两只继电器对探头输出进行电源地的双重隔离以防外部高压等因素影响内部电路工作和使用者的安全。在电机阻转时控制器会主动断开探头供电以保护电池不被过度放电提高电池寿命。串接的I欧姆电阻采用1w功率电阻。
[0066]信号放大电路选用Ad620集成仪表放大器，具有极高的增益准确度和稳定性，放大倍数为50倍。输出端添加了低通滤波器以减少干扰。
[0067]模数转换电路被配置为两路独立工作。一号通道采样经过放大的电阻电压。二号通道用于保护电池和计算电量，为电池电压(经过分压)。
[0068]电路工作原理为:
[0069]—号通道:采样电流流经采样电阻R30，在电阻R30上产生压降，由信号放大电路放大后传送至模数转换电路，当转换后的数值大于设置的阀值时测量仪开始报警。
[0070]二号通道:电源电压经过电池电压监测电路对电源电压分压后输入模数转换电路，当转换后的数值大于设置的阀值时测量仪开始报警。[0071 ] 电池电压监测电路由R22，R23，C18组成，电阻R22—端接电源，另一端分成两路，其中一路串联电阻R23后接地，另一路串联电容Cl 8后接地。
[0072]作为一种实施方式，模数转换电路考虑到89c51的控制精度能力，所以模拟数字转换部分采用德州仪器推出的adslll5集成模拟数字转换器。Adslll5最大16位精度的模拟数字转换能力。具有结构简单、稳定性高、采样精度高的优势。
[0073]89c51单片机为所述手持报警仪1-1的主控制器，89c51具有稳定性高受工作环境影响小的优势。
[0074]报警电路如图3所示，报警电路的设计考虑到使用环境较为嘈杂，所以报警声音应该尽可能的大并且配有屏幕显示报警信息。声音报警器采用压电陶瓷片作为音源，最大声音95分贝。仪器采用锂电池供电进一步提高设备的稳定性。
[0075]图3所示的报警电路包括:三极管Q1，用于放大功率;继电器U7，能够根据需要实现不同导通端口的切换;二极管D4，用于保护继电器U7。
[0076]如图4所示，电源电路采用稳压源LM1085来对输入的电流进行稳定，确保电子元件的正常工作。由于该电路中存在ad620集成仪表放大器，所以要使用负电源来对内部电路进行偏置。负电源电路如图5所示，采用反相器TPS60400实现，该反向器芯片只需外界三个电容即可实现电压的反向。
[0077]—种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置的工作方法，包括:
[0078](I)水下密闭探头1-3通过防水导线1-2与手持式报警仪连接;将采样电阻与电机串联连接，通过采样电阻测量电机的采样电流；
[0079](2)当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，密闭探头内部电机停转；
[0080](3)直流电机被阻转时内阻极小，直流电机与采样电阻的串联网络内阻变小，采样电流增大测量电阻上分得的电压变大;该电阻上的电压经过放大以后进行模数转换，经过主控制器调控以后输出到报警电路中发出警报；
[0081]电机采样电流流经采样电组产生压降;采样电阻上压降的大小与采样电流的关系为欧姆定率关系；采样电阻上的电压经过放大后由模数转换器转为数字量，与预先设定好的阀值进行比较，根据比较结果判定是否报警。
[0082](4)主控制器控制断开水下密闭探头1-3的供电；
[0083](5)停止混凝土的灌注。
[0084]具体实现方法如下:
[0085]将水下密闭探头1-3固定于钢筋笼内侧，随钢筋笼一起下放到钻孔之中，同时打开手持式报警仪检测该仪器是否运转正常，LED显示屏9-1显示的工作电流如果在0.5A左右证明仪器运转正常。下放料斗开始进行混凝土灌注，当混凝土高度逐渐上升离设计标高面Im左右的时候，适当降低罐车出料速度，并注意观察手持报警仪1-1的工作状态。混凝土的粗骨料触碰到水下密闭探头1-3的桨叶8-6的时候会阻转DC电机8-3，此时激增电流信号会传入到手持报警仪1-1的电路中，报警电路工作。此时停止下料即可。
[0086]本发明工作原理为:
[0087]本发明的水下密闭探头1-3中有电动机8-3。当通过防水导线1-2接入手持操作仪后，打开电源开关9-4，水下密闭探头1-3能够正常工作。当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，密闭探头停转，电机内阻约等于内部线圈的等效电阻。待测信号为电流量，所以采用添加测量电阻的方式进行测量。为了使测量电机分得尽可能大的电压以提高其扭矩所以测量电阻被选择为I Ω。测量得到电阻所分得的电压由欧姆定律可以计算出流过电阻的电流。直流电机被阻转时内阻极小所以直流电机与电阻的串联网络内阻变小电流增大测量电阻上分得的电压变大。该电阻上的电压经过放大以后进行模数转换，经过单片机的主程序调控以后输出到报警电路中发出警报。此时即可停止混凝土的灌注。
[0088]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1.一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，其特征是，包括:依次串联连接的手持式报警仪、防水导线以及水下密闭探头； 所述手持式报警仪内部设有主控制器以及与主控制器分别连接的供电电源、信号处理电路和报警电路； 所述水下密闭探头内部设有电动机，当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，水下密闭探头内部电动机阻转，所述电动机阻转产生的激增电流信号通过防水导线连接到手持式报警仪，所述激增电流信号经过信号处理电路后，产生报警信号;所述电动机阻转后，主控制器控制断开水下密闭探头的供电。2.如权利要求1所述的一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，其特征是，所述水下密闭探头包括:依次连接的导线串口、电动机和桨叶；在电动机转轴上设有橡胶环;所述电动机的运转电流和堵转电流差异明显。3.如权利要求1所述的一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，其特征是，所述信号处理电路包括依次串联连接的采样电路、信号放大电路和数模转换电路;所述采样电路包括:串联连接的双路隔离单元和采样电组。4.如权利要求3所述的一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，其特征是，所述双路隔离单元包括: 一路探头输出信号依次串联电阻R28和三极管Q2后接入继电器U9的第一输入端；继电器U9的第二输入端经过二极管D5连接采样电阻；继电器U9的第三输入端接地;在继电器U9的第一输入端和第三输入端之间串联连接二极管D6; 另一路探头输出信号依次串联电阻R33和三极管Q3后接入继电器Ull的第一输入端;继电器Ul I的第二输入端和第三输入端接地，在继电器Ul I的第一输入端和第三输入端之间串联连接二极管D7; 继电器U9和继电器Ull的输出端分别连接DCl。5.如权利要求3所述的一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，其特征是，所述采样电阻包括:电阻R26和电阻R27串联组成串联支路一，电阻R30、电阻R34和电阻R31依次串联连接组成串联支路一-;串联支路一和串联支路一■并联连接；串联支路一和串联支路一■的一端分别连接电源，另一端分别接地。6.如权利要求3所述的一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，其特征是，所述数模转换电路具有两路通道，一路通道接收经过采样电阻分压并放大后的采样电压信号；另一路通道接收经过分压后电源电压。7.如权利要求1所述的一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置，其特征是，手持式报警仪包括:显示屏、操作面板以及导线插槽;所述操作面板上设有操作按键;在所述手持式报警仪的底部设有导线插槽。8.—种如权利要求1所述的手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置的工作方法，其特征是，包括: (1)水下密闭探头通过防水导线与手持式报警仪连接;将采样电阻与电机串联连接，通过采样电阻测量电机的采样电流； (2)当混凝土灌注使得粗骨料上升到设计标高时，密闭探头内部电机停转； (3)直流电机被阻转时内阻极小，直流电机与采样电阻的串联网络内阻变小，采样电流增大测量电阻上分得的电压变大;该电阻上的电压经过放大以后进行模数转换，经过主控制器调控以后输出到报警电路中发出警报； (4)主控制器控制断开水下密闭探头的供电； (5)停止混凝土的灌注。9.如权利要求8所述的一种手持式水底灌粧顶面高程控制预警装置的工作方法，其特征是，电机采样电流流经采样电组产生压降；采样电阻上压降的大小与采样电流的关系为欧姆定率关系；采样电阻上的电压经过放大后由模数转换器转为数字量，与预先设定好的阀值进行比较，根据比较结果判定是否报警。
【文档编号】G01C5/00GK105928489SQ201610417015
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】崔伟, 付宪章, 徐宝军, 郑晓, 吕高航, 杨殿斌, 张志武, 胡蒙蒙, 刘春阳
【申请人】山东大学