灌浆记录仪发展状况和趋势

罗 熠

（长江科学院仪器自动化研究所，430010，武汉）

灌浆记录仪是在基础处理工程的灌浆施工中，利用专业设计的计算机主机和电子传感器，在现场实时监测灌浆流量、压力、浆液密度的一种专业计量仪器设备。由于灌浆记录仪的监测、记录、打印工作自动化完成，因此可以客观真实地反映灌浆施工过程参数，有效帮助旁站监理控制施工质量。随着该仪器在三峡工程基础处理施工中的成功推广使用，全国特大型、大型电站都在基础处理灌浆施工中强制要求使用该仪器，现在这种趋势正在向中小型电站发展，并逐步扩展到其他行业的基础处理施工中。

一、灌浆记录仪发展概述

灌浆记录仪的研发工作最早起于20世纪90年代初，由长江科学院仪器自动化研究所和天津基础施工局两家单位分别独立开展。之后经历了很多次设计修改。1992年在辽宁观音阁水库灌浆施工中，首次大规模使用了长江科学院研制的GJY—Ⅱ型灌浆记录仪（37套），在此之后该仪器才基本定型。1995年水利部首次对GJY型灌浆记录仪进行了技术鉴定。至此，灌浆记录仪的结构形式、记录格式和对灌浆流量、压力进行实时检测的工作模式才基本确立下来。

浆液密度的电子测量技术是由长江科学院仪器自动化研究所研制开发的专利技术，迄今为止国内灌浆记录仪的灌浆测量大都采用类似的原理和技术。天津基础施工局则立足于大规模灌浆施工的行业优势，开发出1台主机同时监测8孔灌浆参数的“一拖八”灌浆自动记录系统，在青海李家峡电站、河南小浪底电站投入应用并取得成果。

近10年，随着国家水电建设投入的加大，灌浆记录仪无论从市场规模上还是技术上都取得了极大发展，在实际应用中积累了很多经验，也显现出一些问题。

二、灌浆记录仪技术分类比较

目前，市场上的灌浆记录仪机型样式五花八门，技术性能和质量参差不齐，有的厂家在核心技术不足的情况下，依赖营销策略对产品的某些附加或延伸功能进行炒作，误导使用单位，一定程度上造成用户选择困难。为便于正确评价和选用灌浆记录仪，下面从专业角度提供一些技术分析和比较，供有关部门和单位参考。

1.机型选择

灌浆记录仪发展到今天，逐渐分化为两大类：一类是单机监测单孔灌浆参数的灌浆记录仪，俗称 “一拖一”；另一类是单机监测多孔灌浆参数的灌浆记录仪，俗称“一拖多”。其优缺点比较如表1。

表1 不同机型优缺点比较

近几年，在这两类灌浆记录仪的框架之内，各灌浆记录仪厂家吸取其各自的优点做了一些改良和创新。例如，长江科学院仪器所研制出的基于单片机平台的新一代 “一拖二”机型——GJY6型灌浆记录仪，在采用性能稳定的单片机技术基础上，同时监测两个灌浆孔参数，降低了使用成本，在国内电站大规模使用中取得不错效果。

2.整机制造

现在国内生产销售灌浆记录仪的厂家很多，但从专业角度来讲，大致只分为两类：一是仪器研制生产厂，二是设备组装生产厂。

仪器研制生产厂自己设计主机和传感变送器的电路，根据工程施工需要，设计软件系统和操作流程，通过生产线检测技术进行整机测试，将主机电路和采购的传感器感应部件性能匹配到最优，使其精度达到最好。由于自己研发掌握核心技术，所以前期技术和资金投入很大，但仪器性能和维修成本可以控制，有利于厂家和用户的长期共同发展。

设备组装生产厂商则是购买计算机、信号采集器、流量传感器、压力传感器、比重传感器，经过组装和给计算机安装灌浆记录软件成为灌浆记录仪。这种仪器的前期开发成本很低，开发周期很短，售价具有很大优势，但部件匹配性、稳定性和精度都是组装生产商难以控制的。由于组装厂不掌握硬件核心技术，维修很大程度依赖第三方厂家，维修周期长，费用高，买卖双方也容易产生纠纷。

3.主机硬件平台

从专业技术角度来看，灌浆记录仪主机硬件平台有两类，一是单片机平台，二是计算机平台。

单片机平台的特点是硬件电路完全由灌浆记录仪生产厂家设计制造，灌浆记录程序固化在硬件芯片中，用户无法人为改动，硬件系统在恶劣施工环境下抗干扰能力强，这种系统常用于纺织、化工、汽车制造等工业自动化领域和航天等军工领域，因此要求生产厂家具备很强的软硬件研发实力。

计算机平台的特点是界面友好，功能较多，比较适合在办公室环境中做计算量大的控制和处理工作。灌浆记录仪生产厂家买来计算机后可直接安装灌浆监测软件，无需自己投入资金设计制造硬件。但是计算机平台的硬件抗干扰能力较差，在灌浆现场环境下长期使用故障率较高。而由于硬件电路是第三方计算机制造厂家设计制造，主板电路是大工业流水线生产的多层电路，一旦损坏灌浆记录仪生产厂家无法维修。

4.灌浆记录仪监控程序

灌浆记录仪程序分为操作系统和灌浆监控程序。一般而言，采用单片机硬件平台的灌浆记录仪，都是将操作系统和灌浆监测程序进行一体化设计，这种程序高度融合，程序间无缝连接，开机即一次性启动，稳定性好，用户很难修改，灌浆数据采集后实时保存到数据芯片，即使瞬间停电，数据也不会丢失。

采用计算机硬件平台的灌浆记录仪，一般都使用微软开发的WINDOWS操作系统，灌浆记录仪厂家在此基础上开发灌浆监测程序，存在WINDOWS操作系统与二次开发软件的兼容和稳定性问题，熟悉计算机软件的用户还可以修改原始灌浆数据。同时，由于计算机写入数据的原理和单片机不同，计算机在瞬时停电时易丢失未及时保存的灌浆数据。

5.资料整理软件

目前灌浆资料整理并没有统一要求，各工程要求的格式也不尽相同。但就软件设计思路而言，不同厂家也不相同。一些灌浆记录仪厂家采用在多种商业软件之上二次开发的思路，如使用VB或C语言编写采集程序，再导入ACCESS数据库整理，最后链接到AUTOCAD绘图，也有施工单位在EXCEL软件上直接二次开发，这些集成式软件除自身设计的稳定性外，还存在软件之间兼容性问题。长江科学院灌浆记录仪配套的灌浆资料处理软件采用独立开发的自主产权软件,无需借助第三方软件如CAD、EXCEL等就能完成灌浆规范所要求的所有图表，避免了软件之间调用产生的兼容性和稳定性问题，同时没有版权纠纷,不会给用户使用带来隐患。

6.灌浆管路连接和流量测量

灌浆流量的测量是通过流量计完成的，通过灌浆管路的不同连接方式形成了两种流量检测模式。一种是在进浆管和回浆管各串接一个流量计，通过两个流量计的计量差值确定灌浆量，该方式需要两只流量计共同完成流量监测，俗称“大循环灌浆”。由于两只流量计所处灌浆管路位置不同，流态也不同，流量计量波动较大，同时测量结果受流量计精度局限。

另一种是在搅拌桶出口管路中依次串接流量计和回浆三通后再到灌浆泵，回浆管的回浆通过回浆三通再次进入进浆循环中，由于回浆管没有回到搅拌桶，巧妙避免了搅拌桶串接流量计的重复计量问题，这种方式只需一只流量计就可完成流量监测，俗称“小循环灌浆”，是由长江科学院在老一辈灌浆专家参与指导下发明的专利技术。

应该说，小循环灌浆计量检测法的发明突破了大循环灌浆检测的精度瓶颈，使得灌浆记录仪的推广成为可能。但小循环灌浆计量检测法也有其局限性，即容易产生固结，堵塞管路。随着灌浆记录仪的大规模推广使用，2001版灌浆规范规定的屏浆条件有所放宽，大循环灌浆也开始被采用，但屏浆条件和计量精度仍不能严格得到保证。

7.浆液密度测量技术

在灌浆施工中，目前浆液密度的测量主要有两种方式。一种为浆液密度的电子测量技术，是由长江科学院仪器所发明的国家专利技术。该技术的特点是率定简单客观，测量精度完全取决于厂家传感器精度，操作和维护简单，无需特别上岗要求，没有安全隐患。另一种为传统的放射线测量法，由于存在放射源，此类设备的使用、运输、保存都有严格要求，更多用于实验室和无人值守的场合。

8.电源净化技术

不同灌浆记录仪厂家的电源净化技术不同，选配的稳压电源也不相同。出于成本考虑，大部分厂家在电源技术上没有投入研发，而是直接采购市面上几百元一台的普通电子交流稳压器，这种产品价格低，适合城市家用，但其应变时间长，稳压范围窄，由于本身存在有源器件，电压波动较大时自身器件容易损坏，不适合工地电压大幅波动的情况。长江科学院自主研发的交流稳压电源采用铁磁等效参数振荡原理实现交流稳压输出，内部没有有源器件，双向抗干扰能力和过载能力强，开机即可工作，可将120～300V之间大幅波动的交流电压稳定到220V左右输出。当外部负载短路时，稳压电源自动保护，输出降为0，可视为半永久性设备。

9.仪器设备出厂检定技术

灌浆记录仪属于计量类仪器，生产厂家必须拥有技术监督局颁发的计量器具生产许可证，具备自己的流量、压力、浆液密度检定装置和完整的校测规程，所有部件和系统统一由专业工程师校测后出厂。但目前许多灌浆记录仪厂家自己并无检测方法和过程，部分厂家在拿到灌浆记录仪订单后，直接通知计算机和流量计等传感器生产厂商发货到用户所在工地，其质量和精度完全取决于各第三方厂商。长江科学院有一个专业化的具有一定资质的灌浆记录仪检测实验室，其检测方法和规程按照由长科院主编的灌浆记录仪校验方法行业标准实施，确保灌浆记录仪各记录参数和系统的精度与可靠性。

三、灌浆记录仪发展趋势

如前所述，灌浆记录仪在发展历程中出现了单机监测单孔和单机监测多孔两类产品，发展到单机监测多孔（指8孔以上）后就没有继续发展，原因大致有以下几点：

①计算机处理多通道数据的影响：当同时监测的灌浆孔过多时，计算机系统的稳定性变差，容易造成偶发的死机，而一旦计算机出现故障，将影响监测的所有灌浆孔施工进度。

②受电缆布线的影响：每增加一个灌浆孔的监测，会增长、增多信号传送电缆，当监测多孔时，其信号电缆接在主机上，接插点将多达上百个，由于施工现场条件恶劣，系统故障点大大增加，即使采用信号总线传输方式，灌浆施工现场人员也不便控制灌浆压力、流量等参数。

③受现场调度的影响：由于灌浆记录仪主机只是实时显示测量，并未实时反馈控制，其多孔灌浆压力、流量等参数的变化只能由主机操作员逐个调屏查阅，与施工现场人员通信较难，不易即时监控灌浆施工。

④受施工布置的影响：在大坝施工时，灌浆记录仪主机和被监测的多孔可大致成星形分布，每孔和主机之间电缆长度最优化，但在廊道帷幕施工时，灌浆孔呈串行分布，即便主机安置于多孔中点，最远端到主机的电缆也会长达几百米到上千米，而且只要多孔中一个没灌完，主机就移动不便。

因此，近10年，灌浆记录仪出现过“一拖二”“一拖八”等变种，但一直没有质的突破。

直到近几年，灌浆记录仪的发展才出现新思路，即通过租用商用通信网络，例如移动或联通无线网络，将一个施工区域的传感器或灌浆记录仪联机，采集的灌浆数据实时传送到设置好的后台中央处理计算机，便于业主、监理等监管方掌握全面情况。

这种模式打破了电缆的束缚，但其技术瓶颈在于实时监测数据的传送必须依赖第三方网络平台。在许多灌浆施工现场尤其是灌浆施工廊道中，没有第三方提供的无线信号平台时，现场监测数据则无法实时传送出去。

针对这种问题，长江科学院仪器所在2008年开发出一套基于自建无线网络的灌浆数据监测系统。该系统的最大特点就是在没有第三方提供无线信号平台的地方，可利用自建无线网络实现廊道、野外施工现场的灌浆数据实时上传、汇总，而在有第三方提供无线信号的地方，再将数据通过商业通信平台直接上传到互联网。同时，在互联网上设计了专门的灌浆数据管理系统网页，同一工程的灌浆数据被实时汇总到专用服务器，业主方在任何能上网的地方输入密码即可查询、下载灌浆统计结果和根据数据生成的图表。目前，该系统已成功运行在国内大型水电站的灌浆施工监测中。

四、灌浆记录仪行业存在的问题和解决思路

从2000年开始，全国范围内的持续性“电荒”刺激了发电项目纷纷上马，投入水电建设的施工单位越来越多，为抢到任务，投标单价越来越低。而一些施工单位对灌浆记录仪产品的要求也由性能质量稳定变成能灵活操作，甚至弄虚作假。

另一方面，随着我国水电建设规模的急剧扩大，灌浆记录仪也从20世纪90年代的小规模推广使用逐渐形成每年几千万元的市场规模。灌浆记录仪行业门槛的空白正吸引着更多的生产厂家涌入。追求利润的本性也引导着某些灌浆记录仪厂家畸形发展，低价竞争和人为干预测量记录因素正在严重破坏着这个历经10年才形成的行业。

因此，尽快建立一整套灌浆记录仪生产、使用和校验的标准，是规范、引导灌浆记录仪行业，保障施工质量，维护业主、施工单位和灌浆记录仪厂家利益的一项迫切任务。

令人欣喜的是，2008年天津基础施工局和长江科学院联合编写的灌浆记录仪导则已经通过电力行业专家鉴定，近期已经国家能源部发布，这是灌浆记录仪行业的首部指导性规范，填补了灌浆记录仪行业规范的空白，将对灌浆记录仪行业的发展产生深远的意义。同时，长江科学院主持编写的灌浆自动仪检定规程正在通过水利部的审核，它将成为灌浆记录仪行业第一部可操作的校验规范，可为各水电站业主、监理管理和校验灌浆记录仪提供指导。