一种热棒工作状态检测系统的制作方法

专利名称：一种热棒工作状态检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及自动化检测系统，特别涉及一种冻土路基的热棒工作状 态检测系统。
背景技术：
随着国民经济的快速发展和国家经济实力的不断增强，以及青藏公路和 青藏铁路的建成与顺利通车，我国在多年冻土地区的公路铁路建设施工积累 了一定的经验，在今后的十多年里，青海、西藏、新疆、黑龙江等许多省区 公路建设仍将快速发展，其中，许多项目都经过多年冻土区。
路通行过程中路基将会出现不稳定沉陷、波浪、纵向开裂，边坡滑塌等病害， 从而导致沥青路面的纵裂、横裂、网裂等病害发生。
热棒技术作为一种有效的主动地温度调控技术，它通常是将热棒下端埋
入地表以下8米，将其上端4米外套散热器棵露地表之上。图l为现场热棒 埋设示意图。可以看出现场的热棒主要分为三部分散热段101在地表之上， 上面附着散热片104;绝热段102和吸热段103都在地表以下。
在利用热棒技术的过程中，当地下土层的温度高于地上环境时，热棒内 部的液态工质便发生汽化，气态工质携带地下热量沿热棒管内侧上升至热棒 上端，这时由于地表以上的环境温度较低，汽化的工质从地下所携带的热量 通过热棒外侧的散热片被释放到大气中去，工质再次转变为液态下落到热棒 底端。如此循环往复使得地下的温度始终保持在0° C以下。当地下土层的 温度低于地上环境温度时，热棒停止工作，也就是说以上过程是不可逆的。 在地表以上的环境温度季节性致冷过程中能从地基中吸取热量使冻土层降
温并储存冷量，防止多年冻土发生熔化。以此可以消除路基冻害，有效地提 升多年冻土上限，保护冻土路基稳定性。
然而，在利用热棒技术保护冻土路基稳定性时，热棒一旦埋入路基两側， 它便会长年累月随着环境温度的变化对地下温度进行调节。但是，热棒的工
作环境却是非常的恶劣，低温时能达到-30° C -40° C，昼夜温差非常大； 雨、雪、霜、冻、强紫外线等等，都会存在并产生影响；在此恶劣的工作环 境下，热棒的工作状态、工作效率随着时间的推移均会发生变化，有些甚至 会产生失效。对此就需要进行定期的检测与维护，随时掌握热棒工作状态的 第一手资料。
在对冻土路基的热棒工作状态进行检测时，易于进行测量的是热棒散热 段上的数据，特别是能够直接反映热棒工作状态的温度。热棒的散热段上附 着散热片，现场热棒的散热片上的温度由多种因素造成，主要有以下因素
1 ) 环境温度；
2 )太阳辐射热棒散热片产生的温度；
3 )热棒散热片反射周围热源产生的温度；
4)热棒工作时，从冻土层带上来的热量所产生的温度。 上述4个因素中，因素1)在任何时候都是主导，无论白天还是夜间、 无论热棒工作与否、也无论现场天气如何，环境温度均会大大影响热棒散热 片上的温度，所以热棒散热片上所测得的温度很大程度上都反映了当时的环 境温度。由于近地表大气垂直方向上温度差的存在，现场所测得的热棒散热 片上的温度是存在明显梯度的，即散热片底端的温度较高、散热片顶端的温 度较低。但热棒内部的工质会对散热片上温度的梯度产生影响。因素2)、 3)对散热片也有影响，在天晴的白天由于阳光的照射，热棒散热片的温度 会有所上升，而如果测量现场存在热源也会对热棒散热片上的温度产生影 响。对于因素4),如果热棒在工作情况下，其内部工质会不停地把地下吸 热段的热量传到散热段，于是便抬高了散热片上的温度，并且这种温度的抬 高是存在于整段散热段的，也就是说，地下传上来的热量不会使底端散热片
溫度提升得多而顶端散热片温度提升得少，而是使整段散热片的温度均得到 抬高。理论上讲热棒内部在任何高度气体工质的温度是均等的，但是，尽管 如此，在一定的测试条件下，工作热棒吸热段传上来的热量仍然能够在散热 片上的温度中表现出来。
通过上面的分析，可以看出首先，热棒工作状态可以从热棒散热片上 的温度反映出来，当热棒工作状态良好时，散热片上的温度提升得较高；当 热棒工作状态较差或者完全不工作时，散热片上的温度提升得较少或者完全
不提升。其次热棒散热片温度的测量应尽量减小因素2) 、 3)的影响，否 则干扰严重。
然而，由于热棒工作环境的恶劣，目前尚没有能够适宜于于热棒工作现 场的热棒工作状态检测系统，所以对于热棒工作状态的现场检测带来了很大 困难。

实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种热棒工作状态检测系 统，该系统适宜于对冻土路基的热棒工作状态进行现场检测。
为了实现上述主要目的，本实用新型提供了一种热棒工作状态检测系统， 该系统由热棒数据采集单元和热棒工作状态确定单元组成；热棒数据采集单元，采集热棒的温度信号，将采集到的温度信号转换为数 字信号，然后将该数字信号传送给热棒工作状态确定单元；
热棒工作状态确定单元，根据接收到的数字信号确定热棒工作状态。
较佳地，所述热棒数据釆集单元和热棒工作状态确定单元设置在相互独立 的两个设备中，或者集成在一个设备中。 所述热棒数据采集单元包括
数据采集模块采集热棒的温度信号后，将温度信号转换为数字信号，并 输出；
数据存储模块将数据采集模块输出的数字信号进行存储； 数据传输模块将存储在数据存储模块中的数字信号传输到热棒工作状态 确定单元。
其中，所述数据采集模块包括
温度传感器采集热棒的温度信号后，将温度信号转换为电信号传送-哈信
号调理电3各；
信号调理电路将电信号进行调理后传送给AD转换电路； AD转换电路接收调理后的电信号，并将调理后的电信号转换为数字信 号，并输出。
较佳地，所述热棒数据采集单元进一步包括控制器；
控制器，控制数据采集模块对热棒的温度信号进行采集并将温度信号转换 为数字信号，控制数据存储模块对数字信号进行存储，控制数据传输模块将数 字信号传输给热棒工作状态确定单元。
更优地，所述热棒数据采集单元进一步包括人机交互系统；
人机交互系统，将操作人员下达的指令发送给所述控制器，将接收到的温 度信号提供给操作人员；
控制器，接收到指令后完成控制处理并将数据采集模块采集到的温度信号 反馈给人机交互系统。
所述控制器、数据存储模块和人机交互系统集成在一个设备中。
在该系统中，所述热棒工作状态确定单元包括
数据通信模块用于接收热棒数据采集单元传送的数字信号，并将数字信 号传送给数据处理模块；
数椐处理模块用于对接收到的数字信号进行线性拟合处理，并将处理结 果传送给数据分析模块；
数据分析模块将经数据处理模块处理过的数据进行分析，确定热棒的工 作状态。
较佳地，所述热棒工作状态确定单元进一步包括数据库；
所述数据库，用于存储数据通信模块接收到的数字信号，和/或数据处 理模块处理过的数据，和/或数据分析模块分析后的结果。
由以上技术方案可以看出，本实用新型所提供的热棒工作状态检测系统 是基于热棒使用现场的，适宜于在热棒使用环境中检测热棒的工作状态。更 进一步地，该方法不仅能用于热棒使用单位，也同时能用于热棒生产厂家的 出厂检测。


图1为现场热棒埋设示意图2为热棒工作状态检测系统结构图3为热棒数据采集单元的结构图4为热棒工作状态确定单元结构图5为热棒工作状态检测系统第一实施例示意图6为热棒工作状态检测系统第二实施例示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图 和具体实施例对本实用新型做进一步的详细描述。
本实用新型所提供的热棒工作状态检测系统结构如图2所示，图2为热 棒工作状态检测系统结构图。该系统有两部分组成热棒数据采集单元201 和热棒工作状态确定单元202。
其中，热棒数据采集单元201,用于采集热棒的温度信号，并将采集到 的温度信号转换为数字信号，将数字信号进行存储后，传送给热棒工作状态 确定单元202。
热棒工作状态确定单元202,接收来自热棒数据采集单元的数字信号后， 对其进行线性拟合处理和分析确定热棒的工作状态。
更优地，热棒数据采集单元201,采集热棒散热片上的温度信号，特别
是热棒散热片上不同高度的溫度信号。
其中，所述热棒数据采集单元201和热棒工作状态确定单元202可以分 别位于相互独立的两个设备中，也可以集成在同一个设备中。
下面分别对这两部分做详细的描述，图3为热棒数据采集单元的结构 图。由图中可以看出，热棒数据采集单元201主要由以下几部分组成
数据采集模块301:完成对热棒温度数据的采集，并将采集到的温度信 号转换为数字信号后，传送给数据传输单元303，或者传送给数据存储模块 302。
数椐存储模块302:将数据采集模块301输出的数字信号进行存储。 数据传输模块303:接收数据采集模块301传送来的数字信号，或者读
取存储在数据存储模块302中的数字信号后，将数字信号传输到热棒工作状
态确定单元202。
较佳地，热棒数据采集单元201可以进一步包括人机交互模块，操作人 员在采集数据时可以通过人机交互模块进行观察和操作。
较佳地，热棒数据采集单元201可以进一步包括控制器，接收操作人员 通过人机交互模块输入的指令，将数据采集模块输出的数字信号写入数据存 储模块，并从数据存储模块中读取数字信号通过数据传输模块传送给热棒工 作状态确定单元。
较佳地，热棒数据采集单元201可以是便携式的热棒数据采集仪。
图4为热棒工作状态确定单元结构图，热棒工作状态确定单元202是基 于计算机的应用软件系统。由图中可以看出，热棒工作状态确定单元202主 要由以下几部分组成
数据通信模块401:用于和热棒数据采集单元201通信，接收到热棒数 据采集单元201传来的数字信号后，传输给数据处理模块402。
数据处理模块402:接收数据通信模块401传来的数字信号，对其进行 线性拟合处理后，将线性拟合处理后的数据发送给数据分析模块403。
上面所述对数字信号进行线性拟合处理的过程在此举一个例子进行说
明在热棒数据采集单元的存储模块中， 一条记录仅记录一个高度的温度， 如果一根热棒测IO个高度的温度，那么十条记录才能表示一根热棒的完整 数据，数据处理模块402在上传后找出这根热棒的十条记录，根据这十条记 录进行线性拟合和算出斜率截距。
另外，在上传过程中，数据处理模块402要进行数字信号完整性的判断， 如果数字信号完整，则进行上述线性拟合处理步骤；如果数字信号不完整， 即出现数据缺失时，数据处理模块402放弃此组数字信号，重新对温度信号 进行采集，或者用线性差值的方法对数据进行补全后再继续进行上迷线性拟 合处理及其后续过程，使系统具有自检、维护和校正的功能。
数据分析模块403:用于根据数据处理模块402发送来的数据分析热棒 的工作状态。
上述分析热棒工作状态的过程为将所得到的截距与相同环境温度下正 常工作的热棒的拟合曲线的截距进行比较，如果所得到的截距小于正常工作 的热棒的拟合曲线的截距，则确定该热棒工作不正常；如果所得到的截距不 小于正常工作的热棒的拟合曲线的截距，则确定该热棒工作正常。
更优地，在将所得到的截距与相同环境温度下正常工作的热棒的拟合曲 线的截距进行比较之前，可以进一步包括将根据线性拟合处理所得到的斜 率与相同环境温度下正常工作的热棒的拟合曲线的斜率进行比较，如杲两者 差值的绝对值超出可取范围，所采集数据无效，重新进行热棒温度数据的采 集；如果两者差值的绝对值没有超出可取范围，则继续进行将所得到的截距 与相同环境温度下正常工作的热棒的拟合曲线的截距进行比较的步骤。
因为热棒在正常工作时，会将其吸热段的热量传到散热段散发，所以损 坏的热棒无法将其吸热段的热量有效的传递到散热段，故该热棒散热段的温 度就要小于其他热棒。在将采集到的热棒散热片上的温度数据进行曲线拟合 后，曲线斜率表征热棒工作的稳定状态。预先可以将正常工作热棒在不同温 度下的拟合曲线的截距和斜率存入数据库404中，将经过数据处理模块402 线性拟合得到的斜率与相同环境温度下正常工作的热棒斜率进行比较，如果
两者差值超出可取范围，说明外界千扰严童，所采集数据无效。如果差值没
有超出可取范围，则继续将经过数据处理模块402线性拟合得到的截距与相
同环境温度下正常工作的热棒截距进行比较，如果截距小于正常工作的热棒 截距，则说明热棒工作不正常。
所述可取范围可以设定为0.2,该值是在实验和研究工作中的经验值。 较佳地，该热棒工作状态确定单元还可以包括
数据库404:用于存储数据通信模块401接收到的数据，并且保存^t据 处理模块402处理后的数据，以及数据分析模块403的分析结果。
数据库404包括原始备份数据库和分析结杲数据库，前者用于对热;棒数 据采集单元201采集的数据进行保存，后者用于保存处理后的数据及分析结 果，前者一个温度值就是数据库的一条记录，而后者， 一根热棒上所有指定 高度的温度值、供分析用的线性拟合后的斜率截距、以及分析结果才能构成 数据库中的一条记录。由于系统永久的保存了热棒的数据，故用户也可以通 过历史数据的查询获得每根热棒的长期数据，以更加准确地得出热棒工作状 态的分析结果。
更优地，该热棒工作状态确定单元可以方便于将原始数据以及结果进行 长期保存，这就为对热棒工作状态的全面分析和长期分析做了很好的保障。
下面通过两个实施例来对本实用新型所提供的热棒工作状态冲企测系统 做详细的描述。图5为热棒工作状态检测系统第一实施例示意图。
前向通道510、存储器502、以及通信模块503组成了图2中的热棒数 据采集单元201。
前向通道510对应图3中的数据采集模块301，包括温度传感器511、 信号调理电路512、 AD转换电路513。
温度传感器511采集现场热棒散热片上不同高度的温度后，将温度信号 转换为电信号，电信号经信号调理电路512的整形滤波后送到AD转换电路 513实现数字信号转换。
存储器502对应于图3中的数据存储模块302,用于存储前向通道510
采集数据后输出的数字信号。
存储器502可以由专门的存储芯片组成，也可以由小型的移动存储设备 组成，也可以直接利用控制器的存储空间。
通信模块503对应于图3中的数据传输模块，用于将存储器502中存储 的前向通道510输出的数字信号上传到上位机，由上位机中的热棒工作状态 确定单元进行分析评价。
所述通信模块503需要的硬件设备可以是RS-232等总线，也可以是读 卡器使存储卡形式的存储器能与上位机连接。它的传送可以通过各种数椐传 送协议完成，例如RS- 232、 RS-485、 CAN等。
上位机504对应图2中的热棒工作状态确定单元202。上位机504接收 来自通信模块503传来的数字信号后，经热棒工作状态确定单元中的数据通 信模块获得数字信号后，数据处理模块对数据进行线性拟合处理，完成判断 采集数据的完整性及数据的拟合，并且完成数据库数据的导入和保存，然后 数据分析模块分析热棒的工作状态，通过线性拟合后的截距和斜率，分析确 定热棒工作状态。
较佳地，热棒数据采集单元可以进一步包含人机交互模块520。在采集 数据时，操作人员可以通过人机交互模块520中的键盘521和显示器522进 行观察和操作。
较佳地，热棒数据采集单元还可以进一步包含控制器501。控制器501 接收操作人员通过键盘521输入的指令，将前向通道510转换输出的数字信 号写入存储器502,并从存储器502中读取数字信号通过通信模块503传送 给上位机504,同时将结果传送给显示器522进行显示。
控制器501可以是单片机、DSP或者其他控制器。
图6为热棒工作状态检测系统的第二实施例示意图。该实施例所示系统 主要由温度采集探头610和笔记本电脑620组成。
温度采集探头610对应于图2中的热棒数据采集单元201，包含温度 传感器611、信号调理电路612、 AD转换电路613、以及通信模块614。其
中，溫度传感器611、信号调理电路612、以及AD转换电路613组成了图3 中的数据采集模块301;通信模块614对应于图3中的数据传输模块303。 图3中的数据存储模块302和图2中的热棒工作状态确定单元202都包舍在 笔^己本电脑620中。
操作人员通过笔记本电脑620操作，控制温度传感器611进行温度采集， 然后将温度信号转换为电信号，电信号经信号调理电路612的整形滤波后送 到AD转换电路613实现数字信号转换，通过通信模块614将转换好的数字 信号上传到笔记本电脑620,直接以数据库的形式存储在笔记本电脑620中。 分析数据时，可以在笔记本电脑620中设置热棒工作状态确定单元，直4矣在 笔记本电脑620上进行数字信号的处理和分析，也可以将数据库拷贝到其他 电脑中进行。
由上可见，本实用新型所提供的系统，通过热棒数据采集单元对现场温 度信号进行采集和信号转换，以及热棒工作状态确定单元的分析，完成冻土 路基热棒工作状态的现场检测，此检测结果能真实的反映热棒工作状态，适 宜于热棒现场工作状态的检测。更进一步地，不仅能用于热棒使用单位，也 同时能用于热棒生产厂家的出厂检测。
权利要求1、一种热棒工作状态检测系统，其特征在于，该系统由热棒数据采集单元和热棒工作状态确定单元组成；热棒数据采集单元，采集热棒的温度信号，将采集到的温度信号转换为数字信号，然后将该数字信号传送给热棒工作状态确定单元；热棒工作状态确定单元，根据接收到的数字信号确定热棒工作状态。
2、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所迷热棒数据采集单元和热 棒工作状态确定单元设置在相互独立的两个设备中，或者集成在一个设备中。
3、 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述热棒数据采集单元包括 数据采集模块采集热棒的温度信号后，将温度信号转换为数字信号，并输出；数据存储模块将数据采集模块输出的数字信号进行存储； 数据传输模块将存储在数据存储模块中的数字信号传输到热棒工作状态 确定单元。
4、 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块包括 温度传感器采集热棒的温度信号后，将温度信号转换为电信号传送给信号调理电路；信号调理电路将电信号进行调理后传送给AD转换电路； AD转换电路接收调理后的电信号，并将调理后的电信号转换为数字信 号，并输出。
5、 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热棒数据采集单元进一 步包括控制器；控制器，控制数据采集模块对热棒的温度信号进行采集并将温度信号转换 为数字信号，控制数据存储模块对数字信号进行存储，控制数据传输模块将数 字信号传输给热棒工作状态确定单元。
6、 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述热棒数据采集单元进一 步包括人机交互系统；人机交互系统，将操作人员下达的指令发送给所述控制器，将接收到的温 度信号提供给操作人员；控制器，接收到指令后完成控制处理并将数据采集模块采集到的温度信号 反馈给人机交互系统。
7、 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器、数据存储冲莫块 和人机交互系统集成在一个设备中。
8、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热棒工作状态确定单元 包括数据通信模块用于接收热棒数据采集单元传送的数字信号，并将数字信 号传送给数据处理模块；数据处理模块用于对接收到的数字信号进行线性拟合处理，并将处理结 果传送给数据分析模块；数据分析模块将经数据处理模块处理过的数据进行分析，确定热棒的工 作状态。
9、 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述热棒工作状态确定单元 进一步包括数据库；所述数据库，用于存储数据通信模块接收到的数字信号，和/或数据处理模 块处理过的数据，和/或数据分析模块分析后的结果。
专利摘要本实用新型提供了一种热棒工作状态检测系统，其包括热棒数据采集单元和热棒工作状态确定单元。通过热棒数据采集单元对热棒散热片上不同高度的温度进行采集，热棒数据采集单元将采集到的温度信号转换成数字信号进行存储后，传送给热棒工作状态确定单元；热棒工作状态确定单元将接收到的数字信号进行处理和分析，确定热棒的工作状态。本实用新型所提供的系统适宜于在热棒使用环境中进行现场工作状态的检测，更进一步地，还同时能用于热棒生产厂家的出厂检测。
文档编号G08C19/16GK201004271SQ20062016046
公开日2008年1月9日 申请日期2006年11月22日 优先权日2006年11月22日
发明者娟 张, 汪双杰, 谢发勤, 谢拴勤, 信 贺, 陈建兵 申请人:中交第一公路勘察设计研究院