摘要：針對哈大鐵路客運專線的實際情況，為緩解施工周期短、工期要求緊的矛盾，進行冬期施工是非常必要的。從保證混凝土工程全面質量出發，對施工過程以及環境溫度變化進行溫度監測是非常重要的。本文以冬期施工鉆孔灌注樁混凝土溫度測試研究為背景，為了解土壤溫度變化情況，利用虛擬儀器技術構建了凍土測溫系統，并利用該測溫系統對不同深度的土壤溫度的變化情況進行了整個冬季的連續觀測。
　　關鍵詞：客運專線論文；冬期施工論文；虛擬儀器；LabVIEW；測溫系統
　　1引言
　　 針對哈大鐵路客運專線的實際情況，為緩解施工周期短、工期要求緊的矛盾，因此必須制定相應的冬期施工質量保證措施，延長施工周期。從保證混凝土工程全面質量出發，對施工過程以及環境溫度變化進行溫度監測是非常重要的。
　　 從原理上講，測溫儀器基本上由三部分組成：傳感器，測溫電路，數據顯示或記錄。虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術綜合集成的產物，通過虛擬儀器應用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結合起來，以達到自動測試與分析的目的，并能實現高速、實時、無人值守的數據采集及記錄。
　　 正是由于虛擬儀器在測量和測試方面的巨大優勢，因此采用先進的虛擬儀器技術來搭建簡便高效的測溫系統。在該測溫系統中，選用Pt100熱敏鉑電阻作為溫度傳感器，選用研華的ADAM-4015作為溫度采集模塊，選用研華的ADAM-4561作為數據傳輸通信模塊，軟件采用美國國家儀器公司的圖形化編程軟件LabVIEW8.6，利用OPCServer作為數據交換服務軟件，配以高性能的計算機，實現溫度的自動采集和自動記錄，并以數字或溫度曲線等多種方式進行數據顯示。
　　 整個溫度測試系統的原理，系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括Pt100熱敏鉑電阻溫度傳感器，研華的ADAM-4015溫度采集模塊和研華的ADAM-4561（USBto232/485串行通信模塊）。軟件部分采用美國NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件平臺，通過OPCServer完成對溫度信號的采集、數據分析和顯示。本系統結果顯示形象直觀，操作方便，并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能。
　　2硬件系統論文
　　2.1溫度傳感器的選擇
　　 溫度傳感器選用Pt100熱敏鉑電阻，其在O℃時具有100歐姆的標準阻值，且電阻值隨溫度的變化而變化。這樣，可以通過測量電阻值就可以反映出熱敏電阻所在位置的溫度及變化。本系統利用研華的ADAM-4015溫度采集模塊的功能，采用的是直接測量法。
　　 根據測試的需要，在土壤中不同深度處埋設Pt100熱敏鉑電阻溫度傳感器，用以觀測不同深度處土壤溫度隨時間的變化情況。溫度傳感器埋設布置圖如圖所示。
　　
　　圖土壤溫度測試傳感器布置圖
　　2.2溫度信號采集模塊論文
　　 溫度信號采集選用研華的ADAM-4015熱電阻測量模塊，它是16位A/D、6通道的熱電阻輸入測量模塊。它為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，同時具有斷線檢測功能。本系統采用Modbus通信協議與OPCServer進行數據通信。波特率可在1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200中選擇，傳輸距離為1200m；信號光電隔離，隔離電壓大于2500V；具有過壓、過流、突波、隔離、雷擊保護功能；使用10~30V直流電源；電源功耗為1.5W。
　　 ADAM-4015熱電阻輸入模塊主要性能指標如下：
　　通道：六通道差分輸入
　　熱電阻類型：Pt100，Pt1000，BALCO500，Ni
　　溫度范圍：Pt100：-50~150℃，0~100℃，0~200℃，0~400℃，-200~200℃
　　IECRTD100歐姆（a=0.00385）JISRTD100歐姆（a=0.00392）
　　采樣速率：10采樣點/秒（所有通道）
　　輸入阻抗：10兆歐
　　精度：+/-0.1％或更高
　　 本測溫系統中，ADAM-4015熱電阻輸入模塊與溫度傳感器（Pt100熱敏鉑電阻）的連接采用三線制。
　　 ADAM-4015熱電阻輸入模塊與上位機和通信模塊的連接控制線如圖所示。
　　 
　　 圖ADAM-4015模塊通信連接控制接線圖
　　2.3溫度數據傳輸通信模塊
　　 ADAM-4561是一款隔離端口轉換器，它可以讓PC用戶將串行設備連接到使用USB接口的系統中。將ADAM-4561連接到PC后，您無須再打開機箱或關掉PC電源來安裝集線器，您立即可以得到一個或兩個額外的高速RS-232/422/485端口。ADAM-4561的電源來自USB端口，無須使用電源適配器。
　　 ADAM-4561通信模塊主要性能指標如下：
　　與USBv1.1規格完全兼容
　　支持RS-232/422/485端口
　　傳輸速率可達115.2Kbps
　　提供3000VDC隔離保護
　　自動RS-485數據流控制
　　無須外部電壓，集線器即可從USB端口驅動
　　驅動程序支持：Widows98/ME/2000/XP,Linux
　　即插即用
　　無須額外的IRQ或I/O端口
　　支持熱插拔功能
　　3軟件系統
　　 在測溫系統的硬件確定后，系統的主要功能還是要靠軟件來實現，而軟件正是虛擬儀器測試技術的核心。采用LabVIEW開發了整個溫度測試系統，以LabVIEW8.6為編程開發平臺，為增加軟件的靈活性和提高軟件的整體效率，程序本身采用如下方面的技術。
　　3.1模塊化設計
　　 在該軟件中，系統分4個模塊，即:文件配置、數據采集、數據顯示及數據存盤。
　　3.2多線程技術
　　 系統由兩個相對獨立的子系統組成:文件操作子系統和數據的采集與分析子系統。文件操作子系統包括:文件的打開、寫入文件數據、關閉文件。數據采集與分析子系統包括:
　　 (1)OPCServer通信設置；
　　 (2)采集通道配置的設置;
　　 (3)溫度數據的采集;
　　 (4)溫度的實時顯示:
　　 (5)關閉測量任務，清除資源。
　　 由于編程的高度靈活性，該系統被設計為自動采集和自動記錄，而無須人工監測。觀測者設定好"采樣保存間隔時間"，程序運行后，系統會每經歷一個時間間隔就進行一次采樣，送到“溫度實時趨勢圖”中去顯示，并自動把溫度數據記錄到數據文件中。
　　4實際應用結果
　　 該系統于2008年11月底開始，在哈大鐵路客運專線進行了現場應用，2008年11月底至2009年2月份期間觀測的土壤溫度變化數據見表1所示。測試結果表明，該測溫系統性能可靠，達到了預期的目的。
　　 表1土壤溫度變化數據表
　　時間 測點1 測點2 測點3 測點4 測點5 測點6
　　 環境平均溫度 埋深20cm平均溫度 埋深50cm平均溫度 埋深100cm平均溫度 埋深200cm平均溫度 埋深300cm平均溫度
　　2008年11月27日 -1.46 -1.01 2.07 4.24 10.34 11.13
　　2008年12月4日 -4.57 -1.05 1.56 3.23 8.84 10.41
　　2008年12月13日 -3.76 -6.18 0.28 2.02 7.97 9.84
　　2008年12月20日 -9.33 -5.64 -0.60 1.21 7.25 9.30
　　2008年12月27日 -5.01 -8.46 -2.69 0.04 6.58 8.82
　　2009年1月3日 -6.51 -7.80 -3.81 -1.43 5.62 8.10
　　2009年1月10日 -14.06 -10.77 -5.36 -2.67 5.09 7.75
　　2009年1月17日 -7.65 -8.51 -5.39 -3.29 4.42 7.31
　　2009年1月25日 -8.64 -8.04 -4.78 -2.98 3.68 6.71
　　2009年2月1日 -1.94 -8.24 -4.62 -3.13 3.11 6.14
　　2009年2月8日 5.02 -6.18 -3.93 -3.09 2.68 5.67
　　5結束語
　　 從上述軟硬件系統及測量結果可以看出，以計算機為主控單元，利用虛擬儀器技術構建的凍土測溫系統具有硬件設計十分簡單、經濟實用、抗干擾性強、可靠性高；軟件設計界面友好，編程靈活等特點。通過虛擬儀器技術將計算機硬件、軟件，儀器技術，計算機通信技術完美的結合，實現了自動數據采集、分析、記錄的目的，具有較強的實用性。
　　
　　參考文獻：
　　[1]侯國屏.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計.北京:清華大學出版社,2005
　　[2]趙會兵.虛擬儀器技術規范與系統集成.清華大學出版社,2003,8
　　[3]胡文金.計算機測控應用技術.重慶大學出版社,2003
　　[4]張凱．LabVIEW虛擬儀器工程設計與開發[M]．北京：國防工業出版社，2004．