專利名稱：一種熱棒工作狀態檢測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及自動化檢測系統，特別涉及一種凍土路基的熱棒工作狀 態檢測系統。
背景技術：
隨著國民經濟的快速發展和國家經濟實力的不斷增強，以及青藏公路和 青藏鐵路的建成與順利通車，我國在多年凍土地區的公路鐵路建設施工積累 了一定的經驗，在今后的十多年里，青海、西藏、新疆、黑龍江等許多省區 公路建設仍將快速發展，其中，許多項目都經過多年凍土區。
路通行過程中路基將會出現不穩定沉陷、波浪、縱向開裂，邊坡滑塌等病害， 從而導致瀝青路面的縱裂、橫裂、網裂等病害發生。
熱棒技術作為一種有效的主動地溫度調控技術，它通常是將熱棒下端埋
入地表以下8米，將其上端4米外套散熱器棵露地表之上。圖l為現場熱棒 埋設示意圖。可以看出現場的熱棒主要分為三部分散熱段101在地表之上， 上面附著散熱片104;絕熱段102和吸熱段103都在地表以下。
在利用熱棒技術的過程中，當地下土層的溫度高于地上環境時，熱棒內 部的液態工質便發生汽化，氣態工質攜帶地下熱量沿熱棒管內側上升至熱棒 上端，這時由于地表以上的環境溫度較低，汽化的工質從地下所攜帶的熱量 通過熱棒外側的散熱片被釋放到大氣中去，工質再次轉變為液態下落到熱棒 底端。如此循環往復使得地下的溫度始終保持在0° C以下。當地下土層的 溫度低于地上環境溫度時，熱棒停止工作，也就是說以上過程是不可逆的。 在地表以上的環境溫度季節性致冷過程中能從地基中吸取熱量使凍土層降
溫并儲存冷量，防止多年凍土發生熔化。以此可以消除路基凍害，有效地提 升多年凍土上限，保護凍土路基穩定性。
然而，在利用熱棒技術保護凍土路基穩定性時，熱棒一旦埋入路基兩側， 它便會長年累月隨著環境溫度的變化對地下溫度進行調節。但是，熱棒的工
作環境卻是非常的惡劣，低溫時能達到-30° C -40° C，晝夜溫差非常大； 雨、雪、霜、凍、強紫外線等等，都會存在并產生影響；在此惡劣的工作環 境下，熱棒的工作狀態、工作效率隨著時間的推移均會發生變化，有些甚至 會產生失效。對此就需要進行定期的檢測與維護，隨時掌握熱棒工作狀態的 第一手資料。
在對凍土路基的熱棒工作狀態進行檢測時，易于進行測量的是熱棒散熱 段上的數據，特別是能夠直接反映熱棒工作狀態的溫度。熱棒的散熱段上附 著散熱片，現場熱棒的散熱片上的溫度由多種因素造成，主要有以下因素
1 ) 環境溫度；
2 )太陽輻射熱棒散熱片產生的溫度；
3 )熱棒散熱片反射周圍熱源產生的溫度；
4)熱棒工作時，從凍土層帶上來的熱量所產生的溫度。 上述4個因素中，因素1)在任何時候都是主導，無論白天還是夜間、 無論熱棒工作與否、也無論現場天氣如何，環境溫度均會大大影響熱棒散熱 片上的溫度，所以熱棒散熱片上所測得的溫度很大程度上都反映了當時的環 境溫度。由于近地表大氣垂直方向上溫度差的存在，現場所測得的熱棒散熱 片上的溫度是存在明顯梯度的，即散熱片底端的溫度較高、散熱片頂端的溫 度較低。但熱棒內部的工質會對散熱片上溫度的梯度產生影響。因素2)、 3)對散熱片也有影響，在天晴的白天由于陽光的照射，熱棒散熱片的溫度 會有所上升，而如果測量現場存在熱源也會對熱棒散熱片上的溫度產生影 響。對于因素4),如果熱棒在工作情況下，其內部工質會不停地把地下吸 熱段的熱量傳到散熱段，于是便抬高了散熱片上的溫度，并且這種溫度的抬 高是存在于整段散熱段的，也就是說，地下傳上來的熱量不會使底端散熱片
溫度提升得多而頂端散熱片溫度提升得少，而是使整段散熱片的溫度均得到 抬高。理論上講熱棒內部在任何高度氣體工質的溫度是均等的，但是，盡管 如此，在一定的測試條件下，工作熱棒吸熱段傳上來的熱量仍然能夠在散熱 片上的溫度中表現出來。
通過上面的分析，可以看出首先，熱棒工作狀態可以從熱棒散熱片上 的溫度反映出來，當熱棒工作狀態良好時，散熱片上的溫度提升得較高；當 熱棒工作狀態較差或者完全不工作時，散熱片上的溫度提升得較少或者完全
不提升。其次熱棒散熱片溫度的測量應盡量減小因素2) 、 3)的影響，否 則干擾嚴重。
然而，由于熱棒工作環境的惡劣，目前尚沒有能夠適宜于于熱棒工作現 場的熱棒工作狀態檢測系統，所以對于熱棒工作狀態的現場檢測帶來了很大 困難。
實用新型內容
有鑒于此，本實用新型的主要目的在于提供一種熱棒工作狀態檢測系 統，該系統適宜于對凍土路基的熱棒工作狀態進行現場檢測。
為了實現上述主要目的，本實用新型提供了一種熱棒工作狀態檢測系統， 該系統由熱棒數據采集單元和熱棒工作狀態確定單元組成；熱棒數據采集單元，采集熱棒的溫度信號，將采集到的溫度信號轉換為數 字信號，然后將該數字信號傳送給熱棒工作狀態確定單元；
熱棒工作狀態確定單元，根據接收到的數字信號確定熱棒工作狀態。
較佳地，所述熱棒數據釆集單元和熱棒工作狀態確定單元設置在相互獨立 的兩個設備中，或者集成在一個設備中。 所述熱棒數據采集單元包括
數據采集模塊采集熱棒的溫度信號后，將溫度信號轉換為數字信號，并 輸出；
數據存儲模塊將數據采集模塊輸出的數字信號進行存儲； 數據傳輸模塊將存儲在數據存儲模塊中的數字信號傳輸到熱棒工作狀態 確定單元。
其中，所述數據采集模塊包括
溫度傳感器采集熱棒的溫度信號后，將溫度信號轉換為電信號傳送-哈信
號調理電3各；
信號調理電路將電信號進行調理后傳送給AD轉換電路； AD轉換電路接收調理后的電信號，并將調理后的電信號轉換為數字信 號，并輸出。
較佳地，所述熱棒數據采集單元進一步包括控制器；
控制器，控制數據采集模塊對熱棒的溫度信號進行采集并將溫度信號轉換 為數字信號，控制數據存儲模塊對數字信號進行存儲，控制數據傳輸模塊將數 字信號傳輸給熱棒工作狀態確定單元。
更優地，所述熱棒數據采集單元進一步包括人機交互系統；
人機交互系統，將操作人員下達的指令發送給所述控制器，將接收到的溫 度信號提供給操作人員；
控制器，接收到指令后完成控制處理并將數據采集模塊采集到的溫度信號 反饋給人機交互系統。
所述控制器、數據存儲模塊和人機交互系統集成在一個設備中。
在該系統中，所述熱棒工作狀態確定單元包括
數據通信模塊用于接收熱棒數據采集單元傳送的數字信號，并將數字信 號傳送給數據處理模塊；
數椐處理模塊用于對接收到的數字信號進行線性擬合處理，并將處理結 果傳送給數據分析模塊；
數據分析模塊將經數據處理模塊處理過的數據進行分析，確定熱棒的工 作狀態。
較佳地，所述熱棒工作狀態確定單元進一步包括數據庫；
所述數據庫，用于存儲數據通信模塊接收到的數字信號，和/或數據處 理模塊處理過的數據，和/或數據分析模塊分析后的結果。
由以上技術方案可以看出，本實用新型所提供的熱棒工作狀態檢測系統 是基于熱棒使用現場的，適宜于在熱棒使用環境中檢測熱棒的工作狀態。更 進一步地，該方法不僅能用于熱棒使用單位，也同時能用于熱棒生產廠家的 出廠檢測。
圖1為現場熱棒埋設示意圖2為熱棒工作狀態檢測系統結構圖3為熱棒數據采集單元的結構圖4為熱棒工作狀態確定單元結構圖5為熱棒工作狀態檢測系統第一實施例示意圖6為熱棒工作狀態檢測系統第二實施例示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖 和具體實施例對本實用新型做進一步的詳細描述。
本實用新型所提供的熱棒工作狀態檢測系統結構如圖2所示，圖2為熱 棒工作狀態檢測系統結構圖。該系統有兩部分組成熱棒數據采集單元201 和熱棒工作狀態確定單元202。
其中，熱棒數據采集單元201,用于采集熱棒的溫度信號，并將采集到 的溫度信號轉換為數字信號，將數字信號進行存儲后，傳送給熱棒工作狀態 確定單元202。
熱棒工作狀態確定單元202,接收來自熱棒數據采集單元的數字信號后， 對其進行線性擬合處理和分析確定熱棒的工作狀態。
更優地，熱棒數據采集單元201,采集熱棒散熱片上的溫度信號，特別
是熱棒散熱片上不同高度的溫度信號。
其中，所述熱棒數據采集單元201和熱棒工作狀態確定單元202可以分 別位于相互獨立的兩個設備中，也可以集成在同一個設備中。
下面分別對這兩部分做詳細的描述，圖3為熱棒數據采集單元的結構 圖。由圖中可以看出，熱棒數據采集單元201主要由以下幾部分組成
數據采集模塊301:完成對熱棒溫度數據的采集，并將采集到的溫度信 號轉換為數字信號后，傳送給數據傳輸單元303，或者傳送給數據存儲模塊 302。
數椐存儲模塊302:將數據采集模塊301輸出的數字信號進行存儲。 數據傳輸模塊303:接收數據采集模塊301傳送來的數字信號，或者讀
取存儲在數據存儲模塊302中的數字信號后，將數字信號傳輸到熱棒工作狀
態確定單元202。
較佳地，熱棒數據采集單元201可以進一步包括人機交互模塊，操作人 員在采集數據時可以通過人機交互模塊進行觀察和操作。
較佳地，熱棒數據采集單元201可以進一步包括控制器，接收操作人員 通過人機交互模塊輸入的指令，將數據采集模塊輸出的數字信號寫入數據存 儲模塊，并從數據存儲模塊中讀取數字信號通過數據傳輸模塊傳送給熱棒工 作狀態確定單元。
較佳地，熱棒數據采集單元201可以是便攜式的熱棒數據采集儀。
圖4為熱棒工作狀態確定單元結構圖，熱棒工作狀態確定單元202是基 于計算機的應用軟件系統。由圖中可以看出，熱棒工作狀態確定單元202主 要由以下幾部分組成
數據通信模塊401:用于和熱棒數據采集單元201通信，接收到熱棒數 據采集單元201傳來的數字信號后，傳輸給數據處理模塊402。
數據處理模塊402:接收數據通信模塊401傳來的數字信號，對其進行 線性擬合處理后，將線性擬合處理后的數據發送給數據分析模塊403。
上面所述對數字信號進行線性擬合處理的過程在此舉一個例子進行說
明在熱棒數據采集單元的存儲模塊中， 一條記錄僅記錄一個高度的溫度， 如果一根熱棒測IO個高度的溫度，那么十條記錄才能表示一根熱棒的完整 數據，數據處理模塊402在上傳后找出這根熱棒的十條記錄，根據這十條記 錄進行線性擬合和算出斜率截距。
另外，在上傳過程中，數據處理模塊402要進行數字信號完整性的判斷， 如果數字信號完整，則進行上述線性擬合處理步驟；如果數字信號不完整， 即出現數據缺失時，數據處理模塊402放棄此組數字信號，重新對溫度信號 進行采集，或者用線性差值的方法對數據進行補全后再繼續進行上迷線性擬 合處理及其后續過程，使系統具有自檢、維護和校正的功能。
數據分析模塊403:用于根據數據處理模塊402發送來的數據分析熱棒 的工作狀態。
上述分析熱棒工作狀態的過程為將所得到的截距與相同環境溫度下正 常工作的熱棒的擬合曲線的截距進行比較，如果所得到的截距小于正常工作 的熱棒的擬合曲線的截距，則確定該熱棒工作不正常；如果所得到的截距不 小于正常工作的熱棒的擬合曲線的截距，則確定該熱棒工作正常。
更優地，在將所得到的截距與相同環境溫度下正常工作的熱棒的擬合曲 線的截距進行比較之前，可以進一步包括將根據線性擬合處理所得到的斜 率與相同環境溫度下正常工作的熱棒的擬合曲線的斜率進行比較，如杲兩者 差值的絕對值超出可取范圍，所采集數據無效，重新進行熱棒溫度數據的采 集；如果兩者差值的絕對值沒有超出可取范圍，則繼續進行將所得到的截距 與相同環境溫度下正常工作的熱棒的擬合曲線的截距進行比較的步驟。
因為熱棒在正常工作時，會將其吸熱段的熱量傳到散熱段散發，所以損 壞的熱棒無法將其吸熱段的熱量有效的傳遞到散熱段，故該熱棒散熱段的溫 度就要小于其他熱棒。在將采集到的熱棒散熱片上的溫度數據進行曲線擬合 后，曲線斜率表征熱棒工作的穩定狀態。預先可以將正常工作熱棒在不同溫 度下的擬合曲線的截距和斜率存入數據庫404中，將經過數據處理模塊402 線性擬合得到的斜率與相同環境溫度下正常工作的熱棒斜率進行比較，如果
兩者差值超出可取范圍，說明外界千擾嚴童，所采集數據無效。如果差值沒
有超出可取范圍，則繼續將經過數據處理模塊402線性擬合得到的截距與相
同環境溫度下正常工作的熱棒截距進行比較，如果截距小于正常工作的熱棒 截距，則說明熱棒工作不正常。
所述可取范圍可以設定為0.2,該值是在實驗和研究工作中的經驗值。 較佳地，該熱棒工作狀態確定單元還可以包括
數據庫404:用于存儲數據通信模塊401接收到的數據，并且保存^t據 處理模塊402處理后的數據，以及數據分析模塊403的分析結果。
數據庫404包括原始備份數據庫和分析結杲數據庫，前者用于對熱;棒數 據采集單元201采集的數據進行保存，后者用于保存處理后的數據及分析結 果，前者一個溫度值就是數據庫的一條記錄，而后者， 一根熱棒上所有指定 高度的溫度值、供分析用的線性擬合后的斜率截距、以及分析結果才能構成 數據庫中的一條記錄。由于系統永久的保存了熱棒的數據，故用戶也可以通 過歷史數據的查詢獲得每根熱棒的長期數據，以更加準確地得出熱棒工作狀 態的分析結果。
更優地，該熱棒工作狀態確定單元可以方便于將原始數據以及結果進行 長期保存，這就為對熱棒工作狀態的全面分析和長期分析做了很好的保障。
下面通過兩個實施例來對本實用新型所提供的熱棒工作狀態沖企測系統 做詳細的描述。圖5為熱棒工作狀態檢測系統第一實施例示意圖。
前向通道510、存儲器502、以及通信模塊503組成了圖2中的熱棒數 據采集單元201。
前向通道510對應圖3中的數據采集模塊301，包括溫度傳感器511、 信號調理電路512、 AD轉換電路513。
溫度傳感器511采集現場熱棒散熱片上不同高度的溫度后，將溫度信號 轉換為電信號，電信號經信號調理電路512的整形濾波后送到AD轉換電路 513實現數字信號轉換。
存儲器502對應于圖3中的數據存儲模塊302,用于存儲前向通道510
采集數據后輸出的數字信號。
存儲器502可以由專門的存儲芯片組成，也可以由小型的移動存儲設備 組成，也可以直接利用控制器的存儲空間。
通信模塊503對應于圖3中的數據傳輸模塊，用于將存儲器502中存儲 的前向通道510輸出的數字信號上傳到上位機，由上位機中的熱棒工作狀態 確定單元進行分析評價。
所述通信模塊503需要的硬件設備可以是RS-232等總線，也可以是讀 卡器使存儲卡形式的存儲器能與上位機連接。它的傳送可以通過各種數椐傳 送協議完成，例如RS- 232、 RS-485、 CAN等。
上位機504對應圖2中的熱棒工作狀態確定單元202。上位機504接收 來自通信模塊503傳來的數字信號后，經熱棒工作狀態確定單元中的數據通 信模塊獲得數字信號后，數據處理模塊對數據進行線性擬合處理，完成判斷 采集數據的完整性及數據的擬合，并且完成數據庫數據的導入和保存，然后 數據分析模塊分析熱棒的工作狀態，通過線性擬合后的截距和斜率，分析確 定熱棒工作狀態。
較佳地，熱棒數據采集單元可以進一步包含人機交互模塊520。在采集 數據時，操作人員可以通過人機交互模塊520中的鍵盤521和顯示器522進 行觀察和操作。
較佳地，熱棒數據采集單元還可以進一步包含控制器501。控制器501 接收操作人員通過鍵盤521輸入的指令，將前向通道510轉換輸出的數字信 號寫入存儲器502,并從存儲器502中讀取數字信號通過通信模塊503傳送 給上位機504,同時將結果傳送給顯示器522進行顯示。
控制器501可以是單片機、DSP或者其他控制器。
圖6為熱棒工作狀態檢測系統的第二實施例示意圖。該實施例所示系統 主要由溫度采集探頭610和筆記本電腦620組成。
溫度采集探頭610對應于圖2中的熱棒數據采集單元201，包含溫度 傳感器611、信號調理電路612、 AD轉換電路613、以及通信模塊614。其
中，溫度傳感器611、信號調理電路612、以及AD轉換電路613組成了圖3 中的數據采集模塊301;通信模塊614對應于圖3中的數據傳輸模塊303。 圖3中的數據存儲模塊302和圖2中的熱棒工作狀態確定單元202都包舍在 筆^己本電腦620中。
操作人員通過筆記本電腦620操作，控制溫度傳感器611進行溫度采集， 然后將溫度信號轉換為電信號，電信號經信號調理電路612的整形濾波后送 到AD轉換電路613實現數字信號轉換，通過通信模塊614將轉換好的數字 信號上傳到筆記本電腦620,直接以數據庫的形式存儲在筆記本電腦620中。 分析數據時，可以在筆記本電腦620中設置熱棒工作狀態確定單元，直4矣在 筆記本電腦620上進行數字信號的處理和分析，也可以將數據庫拷貝到其他 電腦中進行。
由上可見，本實用新型所提供的系統，通過熱棒數據采集單元對現場溫 度信號進行采集和信號轉換，以及熱棒工作狀態確定單元的分析，完成凍土 路基熱棒工作狀態的現場檢測，此檢測結果能真實的反映熱棒工作狀態，適 宜于熱棒現場工作狀態的檢測。更進一步地，不僅能用于熱棒使用單位，也 同時能用于熱棒生產廠家的出廠檢測。
權利要求1、一種熱棒工作狀態檢測系統，其特征在于，該系統由熱棒數據采集單元和熱棒工作狀態確定單元組成；熱棒數據采集單元，采集熱棒的溫度信號，將采集到的溫度信號轉換為數字信號，然后將該數字信號傳送給熱棒工作狀態確定單元；熱棒工作狀態確定單元，根據接收到的數字信號確定熱棒工作狀態。
2、 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所迷熱棒數據采集單元和熱 棒工作狀態確定單元設置在相互獨立的兩個設備中，或者集成在一個設備中。
3、 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述熱棒數據采集單元包括 數據采集模塊采集熱棒的溫度信號后，將溫度信號轉換為數字信號，并輸出；數據存儲模塊將數據采集模塊輸出的數字信號進行存儲； 數據傳輸模塊將存儲在數據存儲模塊中的數字信號傳輸到熱棒工作狀態 確定單元。
4、 根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述數據采集模塊包括 溫度傳感器采集熱棒的溫度信號后，將溫度信號轉換為電信號傳送給信號調理電路；信號調理電路將電信號進行調理后傳送給AD轉換電路； AD轉換電路接收調理后的電信號，并將調理后的電信號轉換為數字信 號，并輸出。
5、 根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述熱棒數據采集單元進一 步包括控制器；控制器，控制數據采集模塊對熱棒的溫度信號進行采集并將溫度信號轉換 為數字信號，控制數據存儲模塊對數字信號進行存儲，控制數據傳輸模塊將數 字信號傳輸給熱棒工作狀態確定單元。
6、 根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述熱棒數據采集單元進一 步包括人機交互系統；人機交互系統，將操作人員下達的指令發送給所述控制器，將接收到的溫 度信號提供給操作人員；控制器，接收到指令后完成控制處理并將數據采集模塊采集到的溫度信號 反饋給人機交互系統。
7、 根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述控制器、數據存儲沖莫塊 和人機交互系統集成在一個設備中。
8、 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述熱棒工作狀態確定單元 包括數據通信模塊用于接收熱棒數據采集單元傳送的數字信號，并將數字信 號傳送給數據處理模塊；數據處理模塊用于對接收到的數字信號進行線性擬合處理，并將處理結 果傳送給數據分析模塊；數據分析模塊將經數據處理模塊處理過的數據進行分析，確定熱棒的工 作狀態。
9、 根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述熱棒工作狀態確定單元 進一步包括數據庫；所述數據庫，用于存儲數據通信模塊接收到的數字信號，和/或數據處理模 塊處理過的數據，和/或數據分析模塊分析后的結果。
專利摘要本實用新型提供了一種熱棒工作狀態檢測系統，其包括熱棒數據采集單元和熱棒工作狀態確定單元。通過熱棒數據采集單元對熱棒散熱片上不同高度的溫度進行采集，熱棒數據采集單元將采集到的溫度信號轉換成數字信號進行存儲后，傳送給熱棒工作狀態確定單元；熱棒工作狀態確定單元將接收到的數字信號進行處理和分析，確定熱棒的工作狀態。本實用新型所提供的系統適宜于在熱棒使用環境中進行現場工作狀態的檢測，更進一步地，還同時能用于熱棒生產廠家的出廠檢測。
文檔編號G08C19/16GK201004271SQ20062016046
公開日2008年1月9日 申請日期2006年11月22日 優先權日2006年11月22日
發明者娟 張, 汪雙杰, 謝發勤, 謝拴勤, 信 賀, 陳建兵 申請人:中交第一公路勘察設計研究院