混凝土冻融试验机及监控系统

赵继民，王丽媛

(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222)

混凝土作为常用建筑材料，其耐久性一直是人们关注的焦点.据调查，我国东北、华北以及西北地区的混凝土建筑物受冻融破坏影响严重，抗冻性成为衡量混凝土耐久性的重要指标[1].为此，在施工前要对混凝土进行抗冻性实验，检测其是否达到施工标准.

目前，抗冻性实验方法主要有快冻法和慢冻法.慢冻法由于实验误差大、周期长、工作量大，已逐渐被国内外相关检测标准取消.快冻法选取相对动弹性模量作为评价标准，其误差小、周期短，已被多数国家采用[2].快冻法需利用混凝土快速冻融试验设备完成.冻融试验机是对冻融破坏过程进行模拟的试验设备，通过反复冻融循环对混凝土试件进行破坏，以确定其抗冻等级[3].市售冻融试验设备的价格昂贵[4].国内部分冻融试验设备的自动化程度较低，在数据传输和智能控制方面存在不足，较多采用人工操作，且无法实时采集、通信，性能较不稳定[5].

本文依据冻融实验标准[3]设计了混凝土冻融试验机，采用LabWindows/CVI 平台开发了上位机监控系统，可实现冻融实验数据的实时采集和控制.

1 系统结构及工作原理

1.1 冻融试验机结构

采用水冻水融法进行冻融实验.冻融试验机包括试件箱和冻融控制箱2 部分，如图1 所示.试件箱用于放置待检测的混凝土试件，冻融控制箱内配置水泵、制冷机、加热器，在上位机的控制下实现对试件箱中混凝土试件的冻融循环.

图1 冻融试验机模型Fig.1 Model of concrete freeze-thaw testing machine

实验时将混凝土试件放置于左侧的试件箱中，试件箱中注入防冻液，试件中心的通孔内及试件箱内四角分别放置温度传感器以采集温度信息，传感器位置如图2 所示.传感器5 负责采集试件温度信息，传感器1—4 负责采集防冻液温度信息.

图2 温度传感器位置分布Fig.2 Location of temperature sensor in the machine

冻融控制箱负责防冻液的制冷及加热，内部结构如图3 所示，其中制冷机、加热器不与防冻液直接接触，以避免水质结垢和腐蚀影响.

图3 冻融控制箱结构Fig.3 Structure of freeze-thaw control box

在制冷机的作用下，混凝土内部孔隙水冻结、毛细孔膨胀.然后，加热器对防冻液进行加热，使混凝土冻结孔隙水融化.在水泵的驱动下，防冻液在试件箱和冻融箱之间循环流动，对浸泡于其中的混凝土试件进行反复冻融破坏，混凝土试件内部毛细孔结构遭到破坏，逐渐出现开裂、剥落等现象.当试件的相对动弹性模量下降至初始值的60%,或质量损失率达5%,时即认为试件已经破坏，并以相应冻融循环次数作为该混凝土的抗冻等级(F)[3].

1.2 系统工作原理

下位机控制器ATmega32 负责采集温度信息，控制水泵开关、制冷机开关、加热器开关，监视交流电源状况，并与上位机通信，冻融试验机系统整体结构如图4 所示.

图4 系统整体结构Fig.4 Structure of the whole system

系统选用Carlyle SM120S4VAC 型压缩机、F22制冷剂进行制冷；选用瑞泰RT-DRG 型电加热器，并附加电流监视功能，若不能正常运行将自动断电.同时，系统对水泵电流和电源相电压、线电压进行监控.

2 下位机硬件设计

2.1 温度采集

标准[3]规定：降温和升温终了时，试件中心温度应分别控制在-17,℃±2,℃和8,℃±2,℃，防冻液的温度要控制在-25～+20,℃.据此，选用DS18B20型数字温度传感器，量程为-55～+125,℃，分辨率为0.5,℃，最高12 位的A/D 转换精度为0.062,5 ℃，满足温度测量范围和精度(±0.5,℃)要求.

where r is the radial mode number, nr=n1/n2, n1 and n2 are the refractive indices of microcavity and ambient materials, respectively, η(r) is the Airy function solution and equals 2.338 if r=1, L is the polarization characteristic coefficient and L=1/nr for TM modes and L=nr for TE modes.

利用 8 通道模拟多路复用器/多路分解器M74HC4051 进行通道选择，为芯片使能端，A、B、C 为数字选择输入端.当为低电平时，根据A、B、C 端口的状态选通X0—X7中的某一个通道.当为高电平时，所有通道都处于高阻关断状态[6].温度采集电路如图5 所示.

图5 温度采集电路原理图Fig.5 Diagram of temperature acquisition

2.2 开关控制

系统利用光耦合器MOC3041 与小功率双向晶闸管MAC97A6 实现对制冷机开关、加热器开关、水泵开关的控制，开关控制电路如图6 所示.

图6 开关控制电路原理图Fig.6 Diagram of switching control

光耦合器MOC3041 利用发光二级管把输入的电信号转换为光信号，而后光敏二极管将光信号再次转换为电信号输出，控制其所对应的双向晶闸管MAC97A6，进而实现开关控制.由于没有直接的电气连接，可以隔离部分干扰.光电隔离方法常用于测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间，其目的是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，实质是把干扰通道切断，从而隔离现场干扰.

2.3 电源监控

为了增强装置的安全性能，对交流电源进行监控.交流信号通过电压互感器HPT304 和电流互感器HCT215 传送给电能测量芯片CS5463，该集成芯片是专门为住宅用单相电能表或工业用三相电能表设计的，可精确测量瞬间电流和电压.

2.4 控制器

下位机控制器选用ATmega32，各引脚分配如图7 所示.PD2—PD4 端口连接74HC4051，负责采集温度信息；PC0—PC3、PD7 端口用于开关控制；PB3—PB7、PC4—PC7 端口用于监控交流电，采集电流和电压信息；PB5—PB7 端口及RESET 用于单片机程序的下载；PD0—PD1 端口用于实现与上位机通信.

图7 引脚分配图Fig.7 Pin assignment

3 软件设计

3.1 下位机程序设计

下位机采用C 语言编程，实时采集并存储温度以及电源运行状况信息，控制水泵、制冷机、加热器运行，并通过串口将数据传送给上位机，其程序流程图见图8.首先，进行系统初始化并将各个端口寄存器清零，随后采集温度信息数据以及制冷机、加热器的电流、电压信息数据，通过串口通信将采集到的实时数据传送至上位机，并根据上位机的控制信息对制冷机、加热器进行开关控制，从而实现冻融循环.

图8 下位机程序流程图Fig.8 Program flow chart of MCU

3.2 上位机程序设计

采用LabWindows/CVI 平台进行上位机软件开发[7].上位机软件的主要功能是实现数据通信和界面显示.系统最终设计实现的上位机界面如图9 所示.

图9 上位机界面Fig.9 Interface of PC

通过上位机软件可设定测试小时数、上限温度、下限温度、小测设计数量、小测设计循环量，显示相电压、线电压、加热电流、水泵电流、防冻液温度及试件温度，方便操作人员了解下位机运行状况.同时，上位机软件可以在测试过程中显示数据曲线并生成数据报表.

4 实 验

为检验系统的实际性能，采用系统进行混凝土冻融循环实验，并对测试后的混凝土进行抗冻等级的评定，实验步骤[3]如下：

(1)选用抗冻等级为F200 的混凝土试件进行测试前养护.

(2)称量试件的初始质量，测量初始自振频率，作为评定抗冻等级的起始值，作必要的外观描述并拍照.

(3)将经过养护的混凝土试件放入冻融箱内，倒入防冻液，使其高出试件上表面至少5,mm.

(4)每循环50 次后，称量试件的质量，测量自振频率，计算出质量损失率以及相对动弹性模量，作必要的外观描述并拍照.

(5)冻融n 次循环后出现以下3 种情况之一时即可停止实验：冻融至预定的循环次数；相对动弹性模量下降至初始值的60%,；质量损失率达5%,.

水灰比是影响混凝土抗冻性能的重要指标[8].因此，固定水泥用量为305 kg/m3，水灰比选取0.32 和0.40，分别验证抗冻等级.实验结果见表1.在水泥用量相同、水灰比不同的情况下，在冻融循环200 次之后的相对动弹性模量均未小于60%,，质量损失也均未超过5%,，符合抗冻200 次的标准.

表1 实验数据Tab.1 Experimental data

5 结语

本文设计了混凝土冻融试验机测试系统，基于LabWindows/CVI 平台开发上位机软件，采用C 语言编写了下位机软件，最后通过冻融实验测试了系统性能.系统能够按上位机设定参数自动完成冻融循环实验，实时采集并存储相关数据，上位机界面简明，便于操控，可为工程提供可靠实验数据.目前，系统只能完成冻融循环实验，不能自动评定抗冻等级，在后续研究中还可将抗冻等级评定功能嵌入到系统中.

［1］李金玉，曹建国，徐文雨，等.混凝土冻融破坏机理的研究[J].水利学报，1999(1)：41-49.

［2］杨绍明，周双喜.混凝土抗冻性实验方法及其评价参数的探讨[J].混凝土，2008(4)：27-29.

［3］中华人民共和国原水利电力部.DLT 5150—2001 水工混凝土实验规程[S].北京：中国电力出版社，2001.

［4］杨永恒，曹万智.利用低温冷冻试验箱改造混凝土快速冻融试验机[J].中国建材科技，2011(1)：17-19.

［5］王悦.混凝土空心砖材料冻融机测试系统[J].天津科技大学学报，2012，27(5)：61-64.

［6］张培.一种多路音频切换电路的改进方案[J].苏州市职业大学学报，2012，23(2)：32-35.

［7］王建新，杨世凤.LabWindows/CVI 测试技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

［8］蒋明，谭克锋，范付忠.高性能轻集料混凝土的强度及耐久性的研究[J].混凝土，2002(1)：47-49.