本文摘要：摘要:開展大壩混凝土澆筑過程非接觸紅外熱成像溫度監(jiān)測(紅外測溫)研究對于混凝土溫度監(jiān)測和施工過程中溫控措施調(diào)控具有重要意義.該文基于紅外熱成像原理,建立了大壩混凝土表面紅外輻射量、有效溫度采集算法;通過開展不同環(huán)境溫度、距離對紅外測溫精度的影響
摘要:開展大壩混凝土澆筑過程非接觸紅外熱成像溫度監(jiān)測(紅外測溫)研究對于混凝土溫度監(jiān)測和施工過程中溫控措施調(diào)控具有重要意義.該文基于紅外熱成像原理,建立了大壩混凝土表面紅外輻射量、有效溫度采集算法;通過開展不同環(huán)境溫度、距離對紅外測溫精度的影響試驗(yàn),修正了紅外測溫基本模型;并研發(fā)了復(fù)雜環(huán)境下特高拱壩混凝土出機(jī)口、入倉和澆筑等施工全過程紅外測溫系統(tǒng).通過烏東德現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑全過程的實(shí)時(shí)、在線、精準(zhǔn)溫度監(jiān)測;為大壩工作性態(tài)分析提供了連續(xù)、真實(shí)的溫度場等邊界參數(shù).研究成果可為其他同類工程溫度在線監(jiān)測提供參考與借鑒.
關(guān)鍵詞:紅外熱成像;溫度監(jiān)測;混凝土;特高拱壩
混凝土溫度監(jiān)測是大壩施工過程中溫控防裂措施的關(guān)鍵[12].為控制混凝土的最高溫度,需要對混凝土生產(chǎn)—運(yùn)輸—澆筑全過程溫度進(jìn)行監(jiān)控,主要包括出機(jī)口、入倉、澆筑溫度等.目前混凝土出機(jī)口、入倉、澆筑溫度監(jiān)測主要采用數(shù)字溫度計(jì)插入混凝土面以下5~10cm取得,這種采集方式需要消耗大量的人力物力,所獲溫度數(shù)據(jù)少,主觀因素影響大,不具備代表性.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)字圖像識(shí)別等先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展,非接觸紅外熱成像溫度監(jiān)測(紅外測溫)發(fā)展迅猛,特別是在人體測溫技術(shù)上已取得較為成熟的經(jīng)驗(yàn),并在2020年新冠疫情期間得到大規(guī)模應(yīng)用[3].
建筑施工論文范例：纖維混凝土抗裂性能分析及在隧道工程中的應(yīng)用
紅外測溫具有遠(yuǎn)距離、非接觸、大面積、多目標(biāo)、高精度的特點(diǎn)[48],非常適合溫度分布不均勻的大面積目標(biāo)的表面溫度場的測量[9].由于大壩混凝土生產(chǎn)—運(yùn)輸—澆筑規(guī)模大,溫度監(jiān)測工作量繁重,因此紅外測溫在大壩混凝土溫度監(jiān)測中具有巨大的優(yōu)勢.國內(nèi)外研究學(xué)者針對紅外熱成像進(jìn)行溫度監(jiān)測做了大量研究,通�？煞譃�2類:
1)提高紅外測溫的精度,如張志強(qiáng)等[3]提出了高精度紅外測溫曲線及溫漂補(bǔ)償?shù)那�;李云紅等[9]得出了各種因素(發(fā)射率、環(huán)境、大氣等)對測溫精度影響的理論仿真曲線;晏敏等[10]驗(yàn)證了環(huán)境溫度是紅外測溫誤差的主要因素;楊楨等[11]提出了環(huán)境輻射對紅外測溫補(bǔ)償?shù)姆瓷錅囟妊a(bǔ)償法;石東平等[12]比較了反射溫度和入射溫度補(bǔ)償方法,解決環(huán)境高溫物體對紅外測溫的影響;文[1315]探究了視角和大氣透射率及距離對紅外測溫精度影響.以上研究側(cè)重紅外測溫精度的提高,但缺乏在復(fù)雜大壩混凝土施工環(huán)境下溫度監(jiān)測的檢驗(yàn).
2)基于紅外測溫實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測,如根據(jù)混凝土紅外熱像平均溫升與受火溫度、強(qiáng)度損失關(guān)系,實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷檢測[1618];基于紅外熱輻射特征,實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)受壓損傷過程研究[1920],混凝土裂縫識(shí)別[2122];混凝土破裂與滲水前兆預(yù)警分析[23],混凝土結(jié)構(gòu)滲漏監(jiān)測[2427]等.已有研究雖應(yīng)用紅外測溫技術(shù)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的溫度監(jiān)測,但只是通過溫度來表征其他物理量。
溫度的絕對大小及精度不是其本身關(guān)注的重點(diǎn).而且在過去的研究中,并未見到采用紅外測溫技術(shù)開展混凝土生產(chǎn)—運(yùn)輸—澆筑過程中出機(jī)口溫度、入倉溫度、澆筑溫度監(jiān)測的公開報(bào)道,特別是300m范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離混凝土測溫技術(shù)更未見涉及.因此將紅外測溫技術(shù)應(yīng)用于大壩混凝土溫度監(jiān)測,保障其在大壩復(fù)雜施工環(huán)境及300m遠(yuǎn)距離下的測溫精度具有巨大挑戰(zhàn).本文首先建立了大壩混凝土表面紅外輻射量、有效溫度采集算法.根據(jù)環(huán)境溫度、距離對紅外測溫精度的影響試驗(yàn),對測溫模型進(jìn)行修正.通過烏東德現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑全過程的實(shí)時(shí)、在線、精準(zhǔn)紅外溫度監(jiān)測.
1大壩混凝土澆筑過程溫度非接觸紅外監(jiān)測方法。
1.1紅外測溫原理
自然界中,高于絕對零度的物體會(huì)產(chǎn)生分子和原子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)并不斷地向外輻射能量.輻射能包含各種波長,包括波長在0.76~1000μm的紅外光波.紅外光波具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng),攜帶輻射目標(biāo)的溫度信息.當(dāng)處于某一環(huán)境下的物體輻射的紅外能量通過大氣媒介傳輸?shù)郊t外熱像儀上時(shí),其內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)輻射的能量會(huì)聚到探測器(傳感器),并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再通過放大電路、補(bǔ)償電路及線性處理后,在顯示終端顯示被測物體的溫度。
紅外探測器接收周圍環(huán)境所有的熱輻射,包括目標(biāo)本身、周圍環(huán)境、設(shè)備內(nèi)部等輻射能量,在光學(xué)傳輸通路上還有溫室氣體吸收、氣體分子散射和光學(xué)結(jié)構(gòu)衰減等對輻射能量產(chǎn)生影響.各部分能量沒有辦法量化計(jì)算,所以紅外測溫通常是采用標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度和灰度對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)定來完成溫度的測量.為了獲得準(zhǔn)確的測溫結(jié)果,還必須對雜散能量作誤差消減處理,排除噪聲干擾.
1.2基本算法
紅外熱像儀通過接收被測物表面輻射來確定其溫度.接收的有效輻射包括被測物自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射3部分.
2紅外測溫試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)系統(tǒng)紅外測溫試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖2)主要由黑體及黑體控制柜、紅外熱像儀、計(jì)算機(jī)等部分組成.紅外熱像儀用于溫度探測,黑體為測溫標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn),控制柜可控制黑體的溫度范圍,計(jì)算機(jī)為溫度數(shù)據(jù)圖形展示平臺(tái).試驗(yàn)中通過調(diào)整黑體溫度、環(huán)境溫度及黑體與紅外熱像儀的距離,可實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境溫度、距離下紅外測溫標(biāo)定試驗(yàn).本次試驗(yàn)及現(xiàn)場采用的熱像儀為浙江大華技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DHGTPCGPT8620M(8621B)設(shè)備,其探測器分辨率為640×512,光譜范圍為8~14μm,熱靈敏度≤40mK@f/1.0.
2.2試驗(yàn)方案為驗(yàn)證紅外測溫系統(tǒng)用于混凝土溫度監(jiān)測的可靠性、穩(wěn)定性,進(jìn)行了不同環(huán)境溫度下、不同監(jiān)測距離的試驗(yàn)驗(yàn)證.1)不同環(huán)境溫度下紅外測溫試驗(yàn).(1)將非接觸式紅外熱像儀在5、25、35℃環(huán)境下開機(jī)1h后達(dá)到熱平衡狀態(tài).(2)5、25、35℃環(huán)境下紅外熱像儀分別對準(zhǔn)10、40、50℃黑體,鏡頭中心與黑體靶面中心對齊,采集目標(biāo)黑體溫度和灰度數(shù)據(jù),之后建立低溫、常溫和高溫環(huán)境下的基準(zhǔn)溫度修正模型.(3)利用紅外熱像儀測量-10~60℃若干黑體溫度,記錄測量結(jié)果,根據(jù)測量結(jié)果調(diào)節(jié)探測器表面溫度補(bǔ)償參數(shù),建立探測器表面溫度變化時(shí)的測溫標(biāo)定模型.根據(jù)探測器表面溫度的變化實(shí)時(shí)更新溫度與灰度對應(yīng)關(guān)系表.(4)完成基本測溫模型,微調(diào)若干測溫算法內(nèi)影響測溫精度的參數(shù)值,使測溫結(jié)果達(dá)到精確狀態(tài).
(5)分別于2、4、6、8、10m采集若干黑體溫度的測量結(jié)果,此時(shí)距離參數(shù)設(shè)置為0m,利用采集的數(shù)據(jù)建立近距離修正模型.(6)采集2次打快門之間的灰度數(shù)據(jù)變化和溫感溫度數(shù)據(jù)變化,用于建立溫漂修正模型.(7)進(jìn)行低溫、常溫和高溫環(huán)境下測溫準(zhǔn)確性驗(yàn)證.2)遠(yuǎn)距離紅外測溫試驗(yàn).在近距離測溫基礎(chǔ)上加入距離修正算法,使設(shè)備測溫距離延展到300m.紅外熱像儀對于測溫目標(biāo)大小有所要求,目標(biāo)成像需占滿焦平面3×3個(gè)像素點(diǎn)以上才可保證精確測量.目標(biāo)距離越遠(yuǎn)目標(biāo)成像會(huì)相應(yīng)縮小,為滿足遠(yuǎn)距離測溫需求,選用100mm的大焦距可調(diào)焦鏡頭.
3應(yīng)用案例
3.1工程介紹
烏東德水電站位于四川會(huì)東縣和云南祿勸縣交界的金沙江河道上,是金沙江下游四個(gè)梯級(jí)電站的第一級(jí).地處干熱河谷氣候,夏季炎熱多雨,冬季干燥多風(fēng),晝夜溫差大.烏東德大壩為混凝土壩曲拱壩,壩頂高程988m,最大壩高270m,厚高比僅為0.19,是目前世界上最薄的300m級(jí)特高拱壩.拱壩越薄,溫度荷載越大,溫控防裂越不利.此外,烏東德全壩采用低熱水泥混凝土,在拱壩建造史上尚屬首次,給大壩混凝土溫度控制帶來巨大挑戰(zhàn).因此,及時(shí)而有效的溫度監(jiān)測對于烏東德混凝土溫控防裂具有重要意義.
3.2系統(tǒng)安裝
基于近距離測溫基本模型,在烏東德大壩混凝土970拌和生產(chǎn)系統(tǒng)2#拌合樓3#、4#出機(jī)口分別安裝1套非接觸式紅外熱成像測溫儀,用于出機(jī)口溫度監(jiān)測;在大壩混凝土澆筑倉面1#、2#振搗車分別安裝1套紅外熱成像測溫儀,用于入倉及澆筑溫度監(jiān)測.實(shí)現(xiàn)對大壩出機(jī)口、入倉及澆筑溫度數(shù)據(jù)連續(xù)實(shí)時(shí)在線感知和分析預(yù)警.基于遠(yuǎn)距離測溫基本模型,在大壩左右岸纜機(jī)平臺(tái)分別安裝1套紅外熱成像測溫儀,用于大壩混凝土表面溫度進(jìn)行紅外熱成像監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)對大壩表面溫度數(shù)據(jù)連續(xù)實(shí)時(shí)在線感知.
4結(jié)論
紅外測溫技術(shù)對于大規(guī)模大壩混凝土溫度監(jiān)測具有巨大優(yōu)勢,本文基于紅外測溫基本算法,探究了不同環(huán)境溫度、距離對紅外測溫精度的影響,并通過烏東德現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑全過程的實(shí)時(shí)、在線、精準(zhǔn)紅外溫度監(jiān)測.具體結(jié)論如下:1)通過對混凝土檢測目標(biāo)物的紅外輻射量進(jìn)行分析,建立了混凝土表面紅外輻射量、表面有效溫度采集算法,并基于不同環(huán)境溫度,不同距離下的測溫試驗(yàn),建立了紅外測溫修正模型,并進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證.2)基于紅外測溫技術(shù),實(shí)現(xiàn)了烏東德大壩混凝土出機(jī)口溫度、入倉、澆筑溫度高精度非接觸式實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測,測溫精度在±1℃范圍內(nèi),滿足了大壩施工現(xiàn)場要求.3)紅外測溫技術(shù)有效解決了大壩混凝土溫度檢測方式落后、頻次低、覆蓋面積小等問題,實(shí)現(xiàn)了快速、連續(xù)、在線精準(zhǔn)混凝土溫度監(jiān)測,為大壩工作性態(tài)分析提供了真實(shí)溫度場等邊界參數(shù).
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作者：喬雨1,楊寧1,譚鵬1,彭浩洋2,吳衛(wèi)3,周大建3,王瀟楠3
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