專利名稱：以溫度為示蹤劑探測堤壩滲漏通道位置的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng) 域。
技術(shù)背景我國先后研制了基于時間域電磁法、自然電場法、電阻率法、地震波、雷達波等方 法的提壩隱患探測儀器。同時河海大學(xué)研究的同位素測井技術(shù)、天然示蹤技術(shù)和中南大學(xué) 提出的“流場法”經(jīng)工程實踐驗證，能有效發(fā)現(xiàn)提壩隱患。傳統(tǒng)的地球物理勘探法探測滲漏 通道，不僅成本高，而且探測精度低；同位素示蹤法探測提壩滲漏精度雖高，但屬于有損探 測，且國內(nèi)外對放射性元素使用限制較多；溫度示蹤法探測提壩滲漏有著簡便易行，探測精 度高且無污染的特點。溫度探測提壩滲漏隱患的研究，是由地溫研究發(fā)展而來的。我國溫 度示蹤探測提壩滲漏隱患的研究，經(jīng)歷了定性分析判斷和初步理論探索階段。在定性分析 判斷階段，主要利用鉆孔中水的溫度判斷壩體的溫度分布情況。根據(jù)溫度異常點，判斷壩體 滲漏隱患埋深和規(guī)模等參數(shù)。初步理論探索階段，主要是依據(jù)熱傳導(dǎo)理論結(jié)合壩體的情況， 建立了理想情況下的溫度場探測模型，并初步嘗試了應(yīng)用理論模型解決工程實際問題。然 而，由于提壩邊界條件的復(fù)雜性以及滲漏情況的多樣性，該理論目前仍處于探索階段。以溫 度探測提壩滲漏隱患不會造成環(huán)境污染，亦可以達到良好的效果，但是目前還未有一套完 整的系統(tǒng)來進行溫度的探測分析，對于等溫線繪制大部分也以手工繪制為主，本實用新型 設(shè)計了硬件軟件，自成了一套完整的探測系統(tǒng)，依靠軟件可自動繪制等溫線圖，對判斷提壩 的滲漏通道位置給出了很好的依據(jù)。

實用新型內(nèi)容實用新型目的本實用新型的所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種以溫度為示 蹤劑的探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)。技術(shù)方案本實用新型為實現(xiàn)上述實用新型目的采用如下技術(shù)方案一種以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，包括N個溫度傳感器、信號 獲取裝置、信號處理裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送裝置以及數(shù)據(jù)終端裝置，N為自然數(shù)；其中N 個溫度傳感器均勻分布設(shè)置在提壩的壩體內(nèi)，分別與信號獲取裝置連接，信號獲取裝置、信 號處理裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送裝置以及數(shù)據(jù)終端裝置依次串接。進一步，本實用新型以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)中溫度傳感器 為 PTIOOOo進一步，本實用新型以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)中信號獲取裝 置為可調(diào)零的電橋電路。進一步，本實用新型以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)中信號處理裝置為差分放大電路、一階有源低通濾波電路和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其中差分放大電路依 次連接一階有源低通濾波電路和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。進一步，本實用新型以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)中數(shù)據(jù)終端裝 置為計算機系統(tǒng)。進一步，本實用新型以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)中控制系統(tǒng)為 以單片機4051。本實用新型的基本原理是鑒于庫水的溫度往往與壩體的溫度存在差異，若壩體存在滲漏通道，在滲流的作 用下，會打破原有的溫度分布，形成滲流作用下的溫度分布。在此結(jié)合圖形技術(shù)及軟件技 術(shù)，研制滲流作用下，提壩溫度分布曲線，即繪制提壩溫度場的等溫線。鑒于壩體的縱剖面的形狀及溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布，本方法采用矩形網(wǎng)格法 繪制溫度等值線。即將壩體的縱剖面劃分成若干個小網(wǎng)格，且盡量不要使網(wǎng)格點與溫度傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重合。先讀入原始數(shù)據(jù)，進而進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，然后進行等溫點搜尋及等溫線 追蹤，最后進行等溫線的繪制。有益效果1、本實用新型利用溫度為示蹤劑的提壩智能測滲儀器，不會對環(huán)境造成污染，也 不會對操作人員的健康產(chǎn)生危害，且造價低廉，容易實現(xiàn)；2、利用本實用新型的探測方法進行參數(shù)探測時，不需要進行鉆孔等操作，具有更 廣泛的適用性；3、本實用新型基于地下水流速的對流傳熱模型，溫度分布具有很好的規(guī)律性與穩(wěn) 定性，使探測結(jié)果準確，且重復(fù)性好；4、本實用新型采用高精度溫度傳感探頭，溫度測量準確，測量結(jié)果精度有很好的 保證。本實用新型操作簡單，便于工作人員所掌握；5、本實用新型實用性高，有很高的使用價值；6、本實用新型所繪制的等溫線較為精確，能夠較為準確的判定滲漏通道的位置， 可以在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

圖1是本實用新型的提壩滲漏通道位置探測的方法框圖。圖2為提壩滲漏通道位置探測的控制模塊主流程圖。圖3為提壩滲漏通道位置探測中測量模塊流程圖。圖4為等溫線繪制流程圖。圖5是本實用新型中繪制的等溫線圖。圖6是本實用新型所述探測系統(tǒng)的硬件圖。
具體實施方案
以下結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述如圖1所示，本實用新型所述的提壩滲漏通道位置探測的方法框圖?？煞譃閮刹?分，一為測量控制，另一個為分析。在測量控制中通過對溫度值進行數(shù)據(jù)采集，然后得到溫度數(shù)值，最后保存數(shù)據(jù)。分析過程中，通過之前保存的數(shù)據(jù)生成等溫線判斷提壩滲漏通道的 位置及規(guī)模。圖2為提壩滲漏通道位置探測的控制模塊主流程圖。用戶首先進行參數(shù)設(shè)置，主 要包括通訊設(shè)置和測量模式設(shè)置，其中測量模式設(shè)置可以選擇自動測量和手動測量模式， 設(shè)置完畢后發(fā)出開始測量命令，系統(tǒng)就開始一輪溫度測量，測量結(jié)果自動錄入計算機軟件 系統(tǒng)；之后用戶可以選擇數(shù)據(jù)的保存和進一步處理。圖3為提壩滲漏通道位置探測中測量模塊流程圖。軟件系統(tǒng)收到用戶的探測命令 后，根據(jù)用戶設(shè)置的探測模式，控制硬件探測系統(tǒng)開始探測，探測結(jié)果發(fā)回計算機系統(tǒng)，計 算機進行溫度值計算，然后通過列表的形式顯示溫度值，最后可以根據(jù)溫度值，自動繪制等 溫線圖，用戶可以根據(jù)等溫線圖中顯示的溫度異常點，判斷滲流通道的位置。圖4為等溫線繪制流程圖。首先，系統(tǒng)根據(jù)讀入的溫度數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)格化，對網(wǎng)格 中的溫度值進行等溫點搜索，然后追蹤等溫線，最后繪制等溫線。圖5為通過工程所得數(shù)據(jù)，利用此軟件繪制的等溫線。圖中以壩體縱剖面的左下 角為坐標原點建立坐標系，其尺寸單位為cm。在圖中，可以明顯地看到，在(110，120)處， 存在明顯的溫度異常區(qū)域，且溫度異常區(qū)往110-方向延伸。同時，在提壩的縱剖面的上部， 溫度基本呈層狀分布。可以初步判斷，在提壩的(110，120)存在強滲漏區(qū)。圖6所示，為本實用新型的系統(tǒng)總體圖。(1)、在建壩時在壩體內(nèi)埋設(shè)若干溫度探 頭；(2)、在壩建成后，實時記錄各個探頭的溫度值；(3)、根據(jù)各個探頭的溫度，分析判斷提 壩滲漏通道的位置及規(guī)模。本實用新型所述的利用溫度作為示蹤劑的提壩智能探測系統(tǒng)，溫度底層信號經(jīng)獲 取和融合處理后，由控制系統(tǒng)將溫度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)終端。鑒于構(gòu)建的溫度測滲網(wǎng)絡(luò)包含 多個溫度探測節(jié)點，本系統(tǒng)由控制系統(tǒng)，控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點切換，實施溫度傳感器的循環(huán)監(jiān)測， 從而實現(xiàn)提壩斷面的溫度探測。本實用新型以PT1000作為溫度探頭，先將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，采用MAX197 進行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過濾波電路將信號送入單片機，單片機將接收到的信號經(jīng)串口發(fā)送給 MAX485芯片，MAX485芯片將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換成差分信號，經(jīng)A、B端向485轉(zhuǎn)USB模 塊發(fā)送，485轉(zhuǎn)USB模塊接收A、B差分信號，解析單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)。其中溫度探測網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點的切換采用模擬開關(guān)(CD4051)作為切換元件。利用自行編寫的軟件，顯示出溫度探測到 的溫度值。經(jīng)過分析，可判斷出提壩滲漏通道的位置及規(guī)模。本實用新型無須鉆孔進行探 測，可直接將溫度探頭埋置在壩體內(nèi)，減少監(jiān)測過程的工程量。通過埋設(shè)多個溫度探頭，本 實用新型還可以在壩中進行多點探測，從而得到整個斷面的溫度值。下面詳細介紹本實用新型的探測方法，步驟A、采集處理步驟，具體包括Al、采用溫度傳感器獲取提壩各個探測點的溫度信息，此處的溫度信息通過溫度 傳感器自身阻值的變化體現(xiàn)出來；A2、采用信號獲取裝置將Al步驟的溫度信息轉(zhuǎn)化成電壓信號，此處主要是通過電 橋電路將步驟Al中的傳感器阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化；A3、采用信號處理裝置將A2步驟所述的電壓信號經(jīng)過放大、濾波、高精度模數(shù)轉(zhuǎn) 化得到溫度數(shù)值信息；
5[0043]步驟B、測量控制步驟，具體包括Bi、數(shù)據(jù)通信步驟將步驟A3得到的各個探測點的溫度數(shù)值信息，通過數(shù)據(jù)傳送 裝置將溫度數(shù)值信息發(fā)送到數(shù)據(jù)終端裝置；B2、數(shù)據(jù)處理步驟對Bl步驟發(fā)送來的溫度數(shù)值信息進行有效性判斷，去除最大 值與最小值后取平均值，將取平均值后的溫度數(shù)值信息換算成溫度值，轉(zhuǎn)換過程是步驟A 的逆過程，即將溫度數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號值，再將電壓信號值轉(zhuǎn)換為傳感器電 阻值，通過傳感器參數(shù)，計算出溫度值；B3、數(shù)據(jù)保存步驟將步驟B2所述轉(zhuǎn)換后的溫度值以表格數(shù)據(jù)的形式保存在計算 機中；步驟C、測量分析步驟Cl、打開步驟B3保存的表格數(shù)據(jù)文件，即將壩體的縱剖面劃分成若干個小網(wǎng)格， 且盡量不要使網(wǎng)格點與溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重合，然后，對網(wǎng)格上節(jié)點的溫度值進行插值 擬合，插值采用Krige法，這是地質(zhì)科學(xué)與工程界應(yīng)用最為廣泛的空間數(shù)據(jù)擬合方法；以一 個網(wǎng)格節(jié)點上的溫度為初始點，在其余網(wǎng)格節(jié)點之間搜索等溫點，將所有的等溫點搜索出 來后，將其逐一規(guī)則有序的連接起來，就形成一條等溫線，如此反復(fù)，直到將所有的等溫線 都繪制完畢；C2、用戶根據(jù)等溫線圖，判斷溫度異常點，即判斷出滲漏通道位置。
權(quán)利要求一種以溫度為示蹤劑探測堤壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，其特征在于包括N個溫度傳感器、信號獲取裝置、信號處理裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送裝置以及數(shù)據(jù)終端裝置，N為自然數(shù)；其中N個溫度傳感器均勻分布設(shè)置在堤壩的壩體內(nèi)，分別與信號獲取裝置連接，信號獲取裝置、信號處理裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送裝置以及數(shù)據(jù)終端裝置依次串接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，其特征在于 所述溫度傳感器為PT1000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，其特征在于 所述信號獲取裝置為可調(diào)零的電橋電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，其特征在于 所述信號處理裝置為差分放大電路、一階有源低通濾波電路和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其中 差分放大電路依次連接一階有源低通濾波電路和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，其特征在于 所述數(shù)據(jù)終端裝置為計算機系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述以溫度為示蹤劑探測提壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，其特征在于 所述控制系統(tǒng)為以單片機4051。
專利摘要本實用新型提供一種探測堤壩滲漏通道位置的系統(tǒng)，屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域。該實用新型的系統(tǒng)包括N個溫度傳感器、信號獲取裝置、信號融合處理裝置、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)終端裝置，N為自然數(shù)；其中N個溫度傳感器均勻分布設(shè)置在堤壩的壩體內(nèi)，分別與信號獲取裝置連接，信號獲取裝置、信號融合處理裝置、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)終端裝置依次串接。采用鉑電阻PT1000作為感溫元件，由控制系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點切換，實施溫度傳感器的循環(huán)監(jiān)測，從而實現(xiàn)整個堤壩斷面的溫度探測。
文檔編號G01M3/20GK201716161SQ20102022404
公開日2011年1月19日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者付長靜, 李剛, 王宇銘, 閆曉璐, 陳亮 申請人:河海大學(xué)