大體積混凝土紅外測溫影響因素研究與工程應用

　　摘要:開展大壩混凝土澆筑過程非接觸紅外熱成像溫度監測(紅外測溫)研究對于混凝土溫度監測和施工過程中溫控措施調控具有重要意義.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;通過開展不同環境溫度、距離對紅外測溫精度的影響試驗,修正了紅外測溫基本模型;并研發了復雜環境下特高拱壩混凝土出機口、入倉和澆筑等施工全過程紅外測溫系統.通過烏東德現場應用驗證,實現了混凝土生產、運輸、澆筑全過程的實時、在線、精準溫度監測;為大壩工作性態分析提供了連續、真實的溫度場等邊界參數.研究成果可為其他同類工程溫度在線監測提供參考與借鑒.

　　關鍵詞:紅外熱成像;溫度監測;混凝土;特高拱壩

　　混凝土溫度監測是大壩施工過程中溫控防裂措施的關鍵[12].為控制混凝土的最高溫度,需要對混凝土生產—運輸—澆筑全過程溫度進行監控,主要包括出機口、入倉、澆筑溫度等.目前混凝土出機口、入倉、澆筑溫度監測主要采用數字溫度計插入混凝土面以下5~10cm取得,這種采集方式需要消耗大量的人力物力,所獲溫度數據少,主觀因素影響大,不具備代表性.隨著計算機技術、深度學習、數字圖像識別等先進信息技術的發展,非接觸紅外熱成像溫度監測(紅外測溫)發展迅猛,特別是在人體測溫技術上已取得較為成熟的經驗,并在2020年新冠疫情期間得到大規模應用[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用

　　紅外測溫具有遠距離、非接觸、大面積、多目標、高精度的特點[48],非常適合溫度分布不均勻的大面積目標的表面溫度場的測量[9].由于大壩混凝土生產—運輸—澆筑規模大,溫度監測工作量繁重,因此紅外測溫在大壩混凝土溫度監測中具有巨大的優勢.國內外研究學者針對紅外熱成像進行溫度監測做了大量研究,通常可分為2類:

　　1)提高紅外測溫的精度,如張志強等[3]提出了高精度紅外測溫曲線及溫漂補償的曲線;李云紅等[9]得出了各種因素(發射率、環境、大氣等)對測溫精度影響的理論仿真曲線;晏敏等[10]驗證了環境溫度是紅外測溫誤差的主要因素;楊楨等[11]提出了環境輻射對紅外測溫補償的反射溫度補償法;石東平等[12]比較了反射溫度和入射溫度補償方法,解決環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.以上研究側重紅外測溫精度的提高,但缺乏在復雜大壩混凝土施工環境下溫度監測的檢驗.

　　2)基于紅外測溫實現混凝土結構的無損檢測,如根據混凝土紅外熱像平均溫升與受火溫度、強度損失關系,實現混凝土結構火災損傷檢測[1618];基于紅外熱輻射特征,實現混凝土結構受壓損傷過程研究[1920],混凝土裂縫識別[2122];混凝土破裂與滲水前兆預警分析[23],混凝土結構滲漏監測[2427]等.已有研究雖應用紅外測溫技術進行混凝土結構的溫度監測,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注的重點.而且在過去的研究中,并未見到采用紅外測溫技術開展混凝土生產—運輸—澆筑過程中出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度監測的公開報道,特別是300m范圍內的遠距離混凝土測溫技術更未見涉及.因此將紅外測溫技術應用于大壩混凝土溫度監測,保障其在大壩復雜施工環境及300m遠距離下的測溫精度具有巨大挑戰.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.根據環境溫度、距離對紅外測溫精度的影響試驗,對測溫模型進行修正.通過烏東德現場應用驗證,實現了混凝土生產、運輸、澆筑全過程的實時、在線、精準紅外溫度監測.

　　1大壩混凝土澆筑過程溫度非接觸紅外監測方法。

　　1.1紅外測溫原理

　　自然界中,高于絕對零度的物體會產生分子和原子的無規則運動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.紅外光波具有很強的溫度效應,攜帶輻射目標的溫度信息.當處于某一環境下的物體輻射的紅外能量通過大氣媒介傳輸到紅外熱像儀上時,其內部的光學系統將目標輻射的能量會聚到探測器(傳感器),并轉換成電信號,再通過放大電路、補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境所有的熱輻射,包括目標本身、周圍環境、設備內部等輻射能量,在光學傳輸通路上還有溫室氣體吸收、氣體分子散射和光學結構衰減等對輻射能量產生影響.各部分能量沒有辦法量化計算,所以紅外測溫通常是采用標準黑體溫度和灰度對應的數據標定來完成溫度的測量.為了獲得準確的測溫結果,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、環境反射輻射和大氣輻射3部分.

　　2紅外測溫試驗

　　2.1試驗系統紅外測溫試驗系統(見圖2)主要由黑體及黑體控制柜、紅外熱像儀、計算機等部分組成.紅外熱像儀用于溫度探測,黑體為測溫標定的標準,控制柜可控制黑體的溫度范圍,計算機為溫度數據圖形展示平臺.試驗中通過調整黑體溫度、環境溫度及黑體與紅外熱像儀的距離,可實現不同環境溫度、距離下紅外測溫標定試驗.本次試驗及現場采用的熱像儀為浙江大華技術股份有限公司生產的DHGTPCGPT8620M(8621B)設備,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試驗方案為驗證紅外測溫系統用于混凝土溫度監測的可靠性、穩定性,進行了不同環境溫度下、不同監測距離的試驗驗證.1)不同環境溫度下紅外測溫試驗.(1)將非接觸式紅外熱像儀在5、25、35℃環境下開機1h后達到熱平衡狀態.(2)5、25、35℃環境下紅外熱像儀分別對準10、40、50℃黑體,鏡頭中心與黑體靶面中心對齊,采集目標黑體溫度和灰度數據,之后建立低溫、常溫和高溫環境下的基準溫度修正模型.(3)利用紅外熱像儀測量-10~60℃若干黑體溫度,記錄測量結果,根據測量結果調節探測器表面溫度補償參數,建立探測器表面溫度變化時的測溫標定模型.根據探測器表面溫度的變化實時更新溫度與灰度對應關系表.(4)完成基本測溫模型,微調若干測溫算法內影響測溫精度的參數值,使測溫結果達到精確狀態.

　　(5)分別于2、4、6、8、10m采集若干黑體溫度的測量結果,此時距離參數設置為0m,利用采集的數據建立近距離修正模型.(6)采集2次打快門之間的灰度數據變化和溫感溫度數據變化,用于建立溫漂修正模型.(7)進行低溫、常溫和高溫環境下測溫準確性驗證.2)遠距離紅外測溫試驗.在近距離測溫基礎上加入距離修正算法,使設備測溫距離延展到300m.紅外熱像儀對于測溫目標大小有所要求,目標成像需占滿焦平面3×3個像素點以上才可保證精確測量.目標距離越遠目標成像會相應縮小,為滿足遠距離測溫需求,選用100mm的大焦距可調焦鏡頭.

　　3應用案例

　　3.1工程介紹

　　烏東德水電站位于四川會東縣和云南祿勸縣交界的金沙江河道上,是金沙江下游四個梯級電站的第一級.地處干熱河谷氣候,夏季炎熱多雨,冬季干燥多風,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.因此,及時而有效的溫度監測對于烏東德混凝土溫控防裂具有重要意義.

　　3.2系統安裝

　　基于近距離測溫基本模型,在烏東德大壩混凝土970拌和生產系統2#拌合樓3#、4#出機口分別安裝1套非接觸式紅外熱成像測溫儀,用于出機口溫度監測;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測.實現對大壩出機口、入倉及澆筑溫度數據連續實時在線感知和分析預警.基于遠距離測溫基本模型,在大壩左右岸纜機平臺分別安裝1套紅外熱成像測溫儀,用于大壩混凝土表面溫度進行紅外熱成像監測,實現對大壩表面溫度數據連續實時在線感知.

　　4結論

　　紅外測溫技術對于大規模大壩混凝土溫度監測具有巨大優勢,本文基于紅外測溫基本算法,探究了不同環境溫度、距離對紅外測溫精度的影響,并通過烏東德現場應用驗證,實現了混凝土生產、運輸、澆筑全過程的實時、在線、精準紅外溫度監測.具體結論如下:1)通過對混凝土檢測目標物的紅外輻射量進行分析,建立了混凝土表面紅外輻射量、表面有效溫度采集算法,并基于不同環境溫度,不同距離下的測溫試驗,建立了紅外測溫修正模型,并進行了穩定性試驗驗證.2)基于紅外測溫技術,實現了烏東德大壩混凝土出機口溫度、入倉、澆筑溫度高精度非接觸式實時連續監測,測溫精度在±1℃范圍內,滿足了大壩施工現場要求.3)紅外測溫技術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,實現了快速、連續、在線精準混凝土溫度監測,為大壩工作性態分析提供了真實溫度場等邊界參數.

　　參考文獻(References)

　　[1]寧澤宇,林鵬,彭浩洋,等.混凝土實時溫度數據移動平均分析方法及應用[J/OL].清華大學學報(自然科學版),(2020G12G21),https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.40.NINGZY,LINP,PENGHY,etal.MovingGaveragecalculationsforrealGtimeconcretetemperaturemonitoring[J/OL].JournalofTsinghuaUniversity(ScienceandTechnology),(2020G12G21),https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.40.(inChinese)

　　[2]周華維,趙春菊,陳文夫,等.基于海量光纖測溫數據的混凝土壩三維溫度場分析系統[J].清華大學學報(自然科學版),(2021G01G08),https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.043.ZHOUHW,ZHAOCJ,CHENWF,etal.Threedimensionaltemperaturefieldanalysesbasedonmassiveopticalfibertemperaturemonitoringdatainconcretedams[J/OL].JournalofTsinghuaUniversity(ScienceandTechnology),(2021G01G08),https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.043.(inChinese)

　　[3]張志強,王萍,于旭東,等.高精度紅外熱成像測溫技術研究[J].儀器儀表學報,2020,41(5):1018.ZHANGZQ,WANGP,YUXD,etal.Studyonhighaccuracytemperaturemeasurementtechnologyofinfraredthermalimager[J].ChineseJournalofScientificInstrument,2020,41(5):1018.(inChinese)

　　作者：喬雨1,楊寧1,譚鵬1,彭浩洋2,吳衛3,周大建3,王瀟楠3

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/zflw/26516.html