DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 实验结果与分析 4.1. Bs-W5在种子培养基中的生长曲线 种子培养基是整个发酵过程的开始，接种量的大小和接种时间对整个发酵过程有着重要的影响，接种时间过早，种子培养基中的菌体总数过少，发酵时间延长；接种时间过晚，有芽孢生成，且会带入发酵产物，菌体活性降低 [ 13 ] ，对发酵过程也是不利的，所以Bs-W5在种子培养基中的生长曲线对于整个发酵过程有着非常重要的作用 [ 14 ] ，必须明确Bs-W5生长的最大菌数的时间。Bs-W5在种子培养基中生长曲线如图1所示： 图1. Bs-W5在种子培养基中的活菌数与培养时间曲线图 从图1中可以看出，枯草芽孢杆菌Bs-W5在前6 h处于调整期，随后开始指数期增长，在22 h时菌数达到最大(8.80 × 10 8 cfu/mL)，22 h过后菌数开始减少并趋于稳定，说明此时种子培养基成分开始耗尽，枯草芽孢杆菌Bs-W5开始大量形成芽孢。所以，种子的接种时间定为22 h。 4.2. 培养基组分的筛选结果 1) 碳源的筛选结果 培养基中的碳源主要是为菌体的生长繁殖提供所需能量，同时为构成细胞结构和代谢所需物质提供碳素来源 [ 15 ] 。不同的碳源对整个发酵的进程和结果有着重要的影响，因此必须综合考虑不同碳源对Bs-W5生长情况的影响。枯草芽孢杆菌Bs-W5在不同碳源中的生长情况如图2所示。 从图2的结果中可以看到，在7种碳源中，葡萄糖、蔗糖和玉米粉的活菌数较高，以葡萄糖的活菌数为最高，但是三者之间相差不大，但考虑到以后的工业发酵成本，选择玉米粉作为Bs-W5发酵的碳源。 2) 氮源的筛选 发酵培养基中的氮源为合成菌体的细胞结构如蛋白质、核酸等提供物质来源，同时也可以为菌体的生长提供能量 [ 16 ] ，氮源可以分为有机氮源和无机氮源，其中，无机氮源一般可以作为速效氮源添加，从而起到辅助作用。Bs-W5在不同的氮源中的生长情况如图3所示。 从Bs-W5在不同的氮源中生长的情况可以看到，Bs-W5在蛋白胨中的活菌数是最高的，其次是牛肉膏和大豆粉，出于工业发酵的成本考虑，选择大豆粉作为发酵培养的氮源。在无机氮源中，KNO 3 的效果 图2. 不同碳源对Bs-W5的活菌数的影响 图3. 不同氮源对Bs-W5的活菌数的影响 是最好的，下一步可以作为考虑作为速效氮源添加。 3) 无机盐的筛选 锰元素是枯草芽孢杆菌生长的必须元素，Mn 2+ 能够诱导芽孢生成，对菌体转化为芽孢有促进作用。Ca 2+ 主要参与降低细胞的胶体状态和通透性、调节pH值等生理活动调节菌种的生理状态 [ 17 ] 。分别添加MnSO 4 、CaCO 3 以及同时添加MnSO 4 和CaCO 3 对Bs-W5的生长情况影响如图4所示： 图4. 添加不同无机盐对Bs-W5活菌数的影响 从结果中可以看到只添加MnSO 4 、只添加CaCO 3 以及同时添加MnSO 4 和CaCO 3 三种情况对芽孢生成率和活菌数都有促进作用，其中同时添加MnSO 4 和CaCO 3 的促进作用最明显，活菌数比对照组和其他两组要高，这可能是因为MnSO 4 和CaCO 3 都能够促进芽孢的生成，使得菌体转化为芽孢的转化率提高，总体活菌数的数量也增加。所以，在培养基中同时添加MnSO 4 和CaCO 3 。 4) 速效碳氮源和迟效碳氮源组合对Bs-W5生长的影响 枯草芽孢杆菌Bs-W5对不同碳、氮源的利用速度不同，在发酵初期会首先利用速效碳源和氮源，有利于菌体在最短时间内快速生长，待菌体数量增多时，再利用迟效碳、氮源，从而可以保证菌体生长过程中所需要的营养物质 [ 18 ] 。Bs-W5在不同的速效碳氮源中生长情况如图5所示： 图5. 添加速效碳氮源对Bs-W5活菌数的影响 从上图的结果中可以看到，速效碳、氮源中的葡萄糖和KNO 3 对Bs-W5的活菌数都有促进作用，其中同时添加葡萄糖和KNO 3 的促进作用最明显，添加葡萄糖次之。但是添加了速效碳源葡萄糖的两种培养基中的芽孢生成时间比对照组要延迟，这可能是因为葡萄糖对Bs-W5的芽孢生成有延迟作用。而单独添加速效氮源KNO 3 时则对活菌数和芽孢生成都有促进作用，可能是因为菌体在前期能够利用速效氮源从而可以快速生长，对整个发酵过程都有促进作用。所以在培养基中添加KNO 3 作为速效氮源。 4.3. 摇瓶培养条件的优化 1) 初始pH值 pH值会影响菌体的细胞原生质膜的电荷、细胞内酶的活性和某些重要的代谢产物的离解，从而影响菌体的繁殖，因此培养基必须有最适的初始pH值 [ 19 ] 。初始pH值对Bs-W5的生长影响如图6所示。 图6. 初始pH值对Bs-W5活菌数的影响 从上图初始pH值对Bs-W5活菌数的影响结果可以看到，pH值过大和过小对活菌数生成有抑制作用。当pH值为7时，活菌数最多，所以培养基的最初pH值设为7.0。 2) 温度 温度对菌体的影响，是综合影响各种代谢反应的结果。温度影响蛋白质和酶的合成与活性、RNA的结构稳定性和转录，从而影响到菌体的生理活动 [ 20 ] 。高温会影响菌体内蛋白质和酶的活性，从而影响菌体的生长和繁殖；低温会抑制菌体的生长。温度过高和过低，都会使枯草芽孢杆菌的生长缓慢。 图7. 温度对Bs-W5活菌数的影响 从图7的结果中可以看到，温度过低和过高会造成活菌数的减少，当温度为32℃时，活菌数较多。所以培养温度选择32℃。 3) 摇瓶装液量 摇瓶的装液量直接影响发酵液的溶氧量，而枯草芽孢杆菌是一种好氧菌，不论是菌体的生长繁殖还是芽孢的生成都需要充足的氧气 [ 21 ] ，摇瓶的装液量会影响到菌体对氧气的获得能力。 图8. 装液量对Bs-W5活菌数的影响 从装液量对Bs-W5的生长影响结果(图8)中可以看到，装液量对活菌数的影响不是很大，只有最大装液量125 mL的活菌数明显减少。虽然装液量少有利于菌体芽孢的生成，但是发酵液的总得活菌数是比较少的，综合考虑芽孢形成率、活菌数及培养基总活菌数，最后选择装液量为75 mL。 4) 接种量 接种量过小会使发酵的延迟期延长，延长发酵周期，而接种量过大则会带进较多的代谢废物不利于菌体的生长。所以，最适的接种量对发酵的进程很重要。 从图9的结果可以看到，较低和较高的接种量都会对活菌数的产生抑制的影响。只有当接种量为5%时，活菌数是最高的，所以接种量选择5%。 5) 摇床转速 枯草芽孢杆菌是一种好氧菌，生长过程和芽孢的生成都需要氧气的存在，足够的通气量对菌体生长是有利的，但是溶氧量过高的话，会导致菌体自溶使得芽孢数减少。所以通气量必须保持在一定的范围内。 图9. 接种量对Bs-W5活菌数的影响 图10. 转速对Bs-W5活菌数的影响 从图10的结果可以看到，转速的提高对活菌有促进作用，当转速为200 r/min的时候，活菌数达到了最高，可能的原因为转速的提高可以让枯草芽孢杆菌与氧气更好的接触，所以活菌数提高，而转速过高可能会对菌体有所损害，所以转速选择200 r/min。
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user: 5. 结论 以具有广谱生防作用的枯草芽孢杆菌Bs-W5为出发菌株，先利用单因素试验筛选综合考虑最佳的碳源、氮源和无机盐，再利用速效碳氮源和迟效碳氮源组合来测定速效碳、氮源对菌体生长的影响。确定培养基组分之后，分别考察初始pH值、培养温度、摇瓶装液量、接种量和摇床转速对Bs-W5的生长的影响，得到最佳的培养条件为：pH 7.0，培养温度设为32℃，摇瓶装液量为75 mL/250mL，接种量为5%，摇床转速设为200 r/min。培养基的组分为玉米粉15 g/L，大豆粉15 g/L，KNO 3 5 g/L，MgSO 4 2 g/L，KH 2 PO 4 0.5 g/L，CaCO 3 5 g/L，MnSO 4 0.2 g/L，水1000 mL。
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user: 摘 要 针对传统水泥杆挠度检测设备操作复杂、接线杂乱以及数据处理繁琐等问题，本文研发了一种新型无线电杆挠度测量系统。该测量系统具有结构简单，便携性强，操作便捷，数据直观等优点，极大地提高了检测效率，降低了作业风险。该挠度检测系统能够满足预期测试要求，在工程应用中具有广阔前景。 关键词 :混凝土电杆，挠度测量，无线传输 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，我国农村电网改造和移动通讯建设迅猛发展，混凝土电杆作为电网线路中的重要构建，其质量好坏直接影响输电线路的稳定运行 [ 1 ] [ 2 ] 。根据国家标准GB 4623-2014《环形混凝土电杆》 [ 3 ] 显示，混凝土电杆的质量检验项目主要包括：混凝土抗压强度、外观质量、尺寸偏差、力学性能和保护层厚度。其中，电杆挠度测试作为力学性能检测的一项重要指标，在电杆安全性测试中具有至关重要的作用。 电杆挠度检测方法和设备发展缓慢，近年来主要依靠挠度测试仪、手拉链条葫芦、荷载传感器等检测设备进行试验 [ 4 ] 。这种检测方法现场布线复杂，检测时需要进行一一组装，测试耗时长且安全性低；整套设备的配件种类多、数量大，外出试验时不易运输；设备采用薄膜按钮与黑白液晶显示屏进行人机交互，自动化程度低，操作繁琐不易掌握 [ 5 ] 。 针对传统电杆挠度检测中存在的以上缺陷，我们结合各项标准，设计研发了一种新型的无线式电杆挠度测量系统，能够有效地提高检测效率，保障检测人员作业安全。
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user: 2. 无线式电杆挠度测试系统架构 无线式电杆挠度测试系统的结构如图1所示，主要由手持控制平台、四个采集节点、荷载传感器以及位移传感器组成。 图1. 无线式电杆挠度测量系统 2.1. 硬件组成 2.1.1. 手持控制平台 手持控制平台是硬件组成部分的核心控制设备，用于控制电杆检测，获取传感器发送过来的检测数据，并生成检测报告。我们选用工业级三防触屏式平板，防摔、防水、防尘，能够胜任户外恶劣环境。如图2，该平板尺寸小，结构轻便，便于携带，内置锂电池，检测人员可以在无线网络覆盖范围内完成控制操控。相比于笔记本电脑或者常规平板电脑，该触屏式平板操作便捷，更适合于电杆挠度测试的室外工作场景。 2.1.2. 数据采集节点 数据采集节点包括位移采集节点和荷载采集节点。图3是位移采集节点结构图，由控制盒、底板、安装杆、夹具以及位移传感器组成。底板作为整个数据采集节点的基底，用于固定安装其他零件。位移传感器固定在夹具上，夹具可以在总长30厘米的安装杆上进行调节，以满足不同场景需求。 图2. 手持控制平台 图3. 位移采集节点结构图 控制盒的作用是对移动传感器采集得到的数据进行处理、传输。其内部使用飞思卡尔汽车级单片机作为主控芯片，稳定可靠；使用ADI公司的24位AD转换芯片处理模拟信号，精度高、数据稳定性好；采用高可靠性的WIFI模块进行设备组网、数据传输，保证网络稳定高速。 数据采集节点采用微电脑控制板，结构紧凑，并通过数据线与传感器相连。一键启动后，控制盒信号指示灯显示绿色代表供电正常，红色代表供电不足。如图4所示，当荷载采集节点作为系统中央节点被启动时，该采集节点会向位移采集节点和手持控制平板发射WIFI信号。测试人员需要将手持控制平板连上该WIFI，从而利用无线数据传输将所有采集节点与手持控制平台相连接，进行数据传输与程序控制。 2.1.3. 荷载传感器 荷载传感器采用S型拉压力传感器，该传感器具有S型梁结构，测量精度高，稳定性好，输出对称性好，根据实际测量情况可以选择0~20 KN量程或者0~100 KN量程的传感器。 2.1.4. 位移传感器 电杆挠度测量系统中的位移传感器根据使用情况不同，主要分为以下两种。一种是量程为50毫米的位移传感器，结构轻巧，测量杆用双重支撑，配备有回程弹簧，传感器的头部可自动定位。以GB 4623-2014标准 [ 3 ] 所示的悬臂式试验方法为例，该位移传感器用于检测支座A、B处的位移，如图5所示。 图4. 采集系统拓扑图 图5. 悬臂式试验装置示意图 另一种为拉线式位移传感器，测量行程大，量程为1500毫米，结构小巧，安装空间尺寸小，测量精度较高。该传感器用于测量施加荷载处C点的位移。 2.2. 软件组成 2.2.1. 关键技术 软件部分专为混凝土电杆力学性能试验设计，整个软件系统设计采用WPF框架、WIFI物联网组网技术、虚拟串口技术以及嵌入式RTOS等关键技术。 WPF (Windows Presentation Foundation)是基于Windows的用户界面框架，在.NET Framework 3.0及以上版本下运行。它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作；同时它提供了全新的多媒体交互用户图形界面，使开发人员和设计人员可以创建更好的视觉效果、不同的用户体验。 WIFI (Wireless Fidelity)技术是一种短距离无线通讯技术。由于WIFI组网方式成熟，并且组网距离可达数百米，还具备可靠性情况高、传输速率快速等特点，因而在物联网方面得到了广泛的应用。 虚拟串口是用操作系统的虚拟驱动技术产生的串口(COM口)，相对于计算机本身的硬件串口(COM1等)来说虚拟串口并不对应一个物理上的串口，但是计算机应用软件可以像硬件串口一样地使用虚拟串口。 嵌入式实时操作系统(Embedded Real-time Operation System， RTOS)是嵌入式应用软件的基础和开发平台，是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核。采用RTOS能够支持多任务，使得程序开发更加容易，便于维护，同时能够提高系统的稳定性和可靠性。 2.2.2. 软件界面 针对混凝土电杆力学性能试验设计的软件界面布局合理简洁，操作便捷层次少，大大减少用户操作难度，符合人机学原理。如图6所示，用户通过软件导航界面可以直接进入试验界面或者校准界面。 试验界面基于WPF框架进行开发，以功能为核心进行模块化设计，主要包含通信管理模块、现场布置辅助模块、数据分析显示模块、数据导出模块。如图7所示，通信管理模块(后台模块，未显示)使用了虚拟串口软件，配合WIFI模块实现无线通信。现场布置辅助模块支持电杆力学性能的多种试验方案，如悬臂式与简支式。软件显示了试验方案示意图与加载位置提示，现场布局一目了然。一键开始测量后， 图6. 软件导航界面 图7. 试验界面 数据分析显示模块能够直接显示三个位移数据以及荷载数据，并自动计算挠度和弯矩的测量结果，采集过程轻松直观，数据处理高效准确。数据导出模块采用Microsoft Excel电子表格方式显示试验结果，支持打印或预览自定义试验报告。 此外，该软件还支持追溯历史试验数据，便于用户查找分析，避免试验数据丢失的风险。试验操作过程中，系统软件具有及时的操作纠正提示功能，确保试验步骤合理进行，有效提高作业安全性。为提高数据采集测试的准确度，该软件还集成了校准功能，可以对传感器进行快速校准。 2.3. 主要技术指标 本文中的无线式电杆挠度测量系统测试方案实施GB 4623-2014《环形混凝土电杆》标准 [ 3 ] ，系统制造标准实施GB/T 2611-92《试验机通用技术要求》 [ 6 ] 。电杆挠度测量系统的传感器主要技术参数如表1所示。
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user: 3. 力学性能试验原理 3.1. 基本工作方法 进行挠度试验前，首先确保试验环境满足GB 4623-2014要求 [ 3 ] 。试验加载前保证传感器与对应采集节点控制盒之间接线正确紧固，确保手拉接线和连接头应无松动，并用塞尺检查确认传感器端面到电杆之间距离符合检定证书的要求。其中，无线荷载传感器方向应与拉力方向平行。 启动手持平板的测试软件，试验前期需确保无线荷载传感器荷载参数及位移传感器长度等参数经计量检定合格。确保数据节点与手持控制平板间的无线通信连接成功，连接指示灯均为绿色。结合电杆在实际运行过程中的受力状态，选用悬臂式或者简支式试验方法进行加载试验。 采取手拉葫芦进行加载，过程中尽可能地降低手拉葫芦加载方式对钢筋电杆的冲击作用。额定荷载 Table 1 Parameters of sensor GEFRAN位移传感器 拉绳式位移传感器 S型拉压力传感器 S型拉压力传感器 线性量程 0~50 mm 0~1200 mm 0~20 kN 0~100 kN 绝对误差 ±0.01 mm ±0.1 mm ±0.001 kN ±0.001 kN 分辨率 0.01 mm 0.1 mm 0.001 kN 0.001 kN 采集频率 5 Hz 5 Hz 5 Hz 5 Hz 表1. 传感器技术参数 依据GB 4623-2014 [ 3 ] 进行设置，当荷载达到额定开裂检验荷载Pk的20%、40%、60%、80%、90%、100%时分别保持载荷3 min，并一键记录各位移传感器所处点的位移值。试验结束后，卸载载荷并拆卸各传感部件，手持平板自动生成结果记录单。 3.2. 试验操作步骤 试样安装、检查完毕后进行加载试验，具体软件操作步骤如下。 第1步：启动程序，选择进入试验，打开试验界面。 第2步：根据电杆类型选择试验方法，锥形杆选择悬臂式，等径杆选择简支式。 第3步：选择试验电杆的杆长。 第4步：试验前按照需要对负载、位移调零，以保证试验的准确性。 第5步：点击开始测量，读取采集节点数据。 第6步：点击记录数据，将单次实验采集的数据简单整理，显示在屏幕文本框中。 第7步：试验完成后，点击保存数据，将采集数据导出为Excel文件。 第8步：卸除试样后点击重置。 第9步：点击打开文件，浏览或打印试验报告。 3.3. 校准操作步骤 为确保试验结果的准确性，避免系统误差的存在对试验结果造成影响，需对传感器设备进行周期性校准，具体操作步骤如下。 第1步：启动程序，选择校准，进入校准界面。 第2步：点击校准对象，选择需要校准的采集节点。 第3步：校准之前将已选采集节点的数据清零，进而比较实际数值与显示数据存在的误差。 第4步：根据实际情况，输入传感器量程。 第5步：设定修正系数以减少系统误差，范围为0~10。 第6步：将修改的量程与系数写入设备后，并返回导航界面。 3.4. 工程应用 新型无线式电杆挠度测量系统研制成功后，我们在水泥厂使用该无线式电杆挠度测量系统进行电杆力学性能试验(见图8)。经过多次试验研究，结果表明该试验系统便携性强，现场布置简洁，软件使用简单，数据输出直观，极大地提高了检测效率，具有良好的用户体验。目前，该系统已经正式投入工程应用，为电网物资质量检测做出了一定贡献。 图8. 无线式电杆挠度测量系统现场试验
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user: 4. 结论 电杆是配网线路重要物资之一，其质量对电网的稳定性和安全性具有重要意义。电杆挠度测量系统是进行混凝土电杆力学性能检测的重要试验设备，其测量过程的便捷性，试验结果的准确性与科学性，都会直接影响电杆检测效率。本文根据相关试验机的标准要求制造了一种新型的无线式电杆挠度测量系统，该系统和传统的电杆挠度测量设备相比具有明显优势，其主要特点有： 1) 试验系统便携性强。整个测试系统仅由一台三防平板与四个采集节点组成，相对传统挠度测量设备来说，整体结构紧凑，尺寸小，设备运输十分便捷。 2) 现场布局简洁。该无线式电杆挠度测试系统通过WIFI在手持平板与采集节点间组网，形成试验专用网络，试验过程中开启采集节点与手持平板，确认网络连接后即可进行数据采集，无需现场布线。 3) 数据直观，操作简单。使用专用的电杆挠度试验软件，试验软件界面更直观。测量结果在触摸界面上完成一键记录，测量结果自动计算，操作更便捷，能直接生成完整的电杆挠度测量力学性能试验结果单。 随着社会现代化进程的加快，利用自动化技术以及物联网技术等实现传统检测领域的改造是大势所趋。深化输配电工程领域检测设备的改造升级，使数据检测进一步自动化、高效化、精确化，将是我们未来研究的重点方向。
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user: 摘 要 本文介绍了一种用于双比值测量的智能控制装置及其控制方式。该装置由两个或三个高压双变比电流互感器和一个微机控制器组成。每台高压双变比电流互感器均与单相变比控制电路电连接。单相变比控制电路包括测量变压器、继电器节点1、继电器节点2、继电器节点3等。继电器节点4、高精度计量电流互感器；装置计量控制方式：微机控制器通过测量变压器实时检测高压双比电流互感器的高压侧电流值，并对涌流进行滤波。如果检测到电流值大于或等于高压双变比电流互感器小变比额定电流的上限，则装置进入大变比控制模式。相反，该状态进入小变比控制状态。采用高压双变比电流互感器的电流表，实现了量值比的自动切换和单表测量，提高了测量精度。 关键词 :双变比计量，智能控制，控制方式 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 电力系统的单位用户负荷差异较大，尤其是农村春秋收成、冶炼行业、季节性启动行业等非连续生产经营单位用户(电压等级一般为10 kV)。机组用户负荷相差10倍以上，使得电流互感器的配置十分困难。当线路电流为20%时120%的额定值，电流互感器的精度更高，导致电能测量精度更高。如果当前超过此范围，则会计数量将不准确。当线路负载电流小于额定值的20%时，电流互感器的励磁电流较小，导致测量的负相对误差增大，电流越小，误差越大，造成电量测量的漏电表；当线路电流大于大鼠的120%时电流互感器的磁路饱和，导致测量的负相对误差增大，电流误差越大，电量表越大 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 。 双变比电流互感器是扩大额定电流范围、提高测量精度的理想解决方案。可用于大负荷运行时大变比电流互感器的测量，小负荷运行时小变比电流互感器的测量，实现分段测量，保证小电流大电流的整体测量精度 [ 6 ] - [ 12 ] 。它非常适合负载变化大的用户。然而，由于双变比电流互感器在手动转换过程中出现停电、手动接线操作、转换速度慢等问题，很难推广双变比电流互感器的应用。因此，需要采用计算机自动控制的双比计量控制器。对于双变比电流互感器，由于其控制方式的设计问题，目前微机控制的双变比计量控制器必须采用大变比计量表和小变比计量表两种电能表。当分别处理大变比运行状态和小变比运行状态时，用两个电度表计量是不方便的，不能够实现自动抄表 [ 13 ] - [ 18 ] 。
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user: 2. 主要研究内容 本文所要解决的技术问题是提供一种双变比计量智能控制装置及其控制方式，使高压双变比电流互感器的电流表能够实现尺寸变比和单表计量的自动切换，从而提高计量水平。 2.1. 技术方案 两台或三台高压双变比电流互感器和一台微机控制器构成一种智能化的双变比测量控制装置。每台高压双变比电流互感器均与单相变比控制电路电连接。所述的单相变比控制电路包括有检测功能的高压双变比电流互感器。测量变压器侧电流值、继电器节点1、继电器节点2、继电器节点3、继电器节点4、高精度计量电流互感器。中继节点1与高压双比电流互感器的高压侦察电路相连。继电器节点4接高压双比电流互感器低压侧线路。在高压双比电流互感器中，继电器节点4与高压双比电流互感器的低压侧线路相连。在变压器变比连接点与其低压侧连接点之间的线路上，依次连接继电器节点2、高精度计量电流互感器一次侧连接端子1、高精度计量电流互感器二次侧连接端子1、继电器N。依次连接ODE 3。同时，高精度计量电流互感器一次侧的另一接线端子与高精度计量电流互感器的另一接线端子依次连接。电流互感器二次侧的另一端子与继电器节点的两个端子相连，一个端子在高压双比电流互感器的高压侧。各单相变比控制电路中的测量变压器和继电器节点1、继电器节点2、继电器节点3和继电器节点4的控制端子与微机控制器进行电子连接。微处理器控制器具有浪涌电流滤波模块，高压双比电流互感器的大变比为_u5，小变比(高压双比电流互感器的_1-2端变比)中，为_u/:5，高精度计量电流互感器的转换比为x:i。 2.2. 双变比计量智能控制装置的计量控制方式 微机控制器通过测量变压器，实时检测高压双变比电流互感器高压侧的电流值，并对涌流进行滤波(防止频繁状态切换)。当检测到高压双比电流互感器高压侧的电流值时，当额定电流上限小时，高压双比电流互感器的电流值大于或等于高压双比电流互感器的电流值，微处理器控制器cl同时关闭继电器节点1和继电器节点4，使其进入大变比状态，闭合瞬间继电器节点2和继电器节点3也闭合(以确保高压双变比电流互感器不打开)。然后同时断开中继节点2和中继节点3以退出小比率状态。如果检测到高压双变比电流互感器的高压检测电流值小于高压双变比电流互感器小变比额定电流的上限，微控制器将使继电器节点2和继电器节点。点3同时闭合，进入小变比状态，闭合瞬间，继电器节点1和继电器节点4都闭合(确保高压双变比电流互感器不打开)。然后将继电器节点1和继电器节点4同时断开，退出高比状态(防止高精度计量电流互感器一次侧和二次侧短路)。因此，利用该控制装置，只需一个电度表就可以测量高压双比电流互感器的不同变比状态。
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user: 3. 双变比计量智能控制装置有益效果 利用高压双变比电流互感器使电流表实现了量值比的自动切换和单表的测量，从而提高了测量精度，便于读数和自动读数。变比自动切换过程只需要一个计算机控制器进行控制，结构简单，实现成本低，控制过程稳定；控制过程完成后，控制过程稳定。当装置进入大变比计量控制状态时，大变比电流信号直接输出到电度表，不损失电流计量精度。 本文设计的双变比计量智能控制装置可与三相四线制表或三相三线制表连接。双变比计量智能控制装置与三相三线制仪表连接时，由两台高压双变比电流互感器和两个单相变比控制电路(两台高压双变比电流互感器分别与供电系统连接组成)。(A相线和C相线)。
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user: 4. 结论 本文设计了微机控制下的双变比计量智能控制装置，改善了由于用电负荷差异较大造成的手动变比切换使得电流计量不精确造成的用电不便和资源浪费，为由于时节差异和行业非连续作业的企业和集体提供了便利。
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user: 摘 要 通过物理模拟实验和数值模拟计算，系统研究了互层状普通稠油藏蒸汽吞吐后期转火驱开发的能量状态和相关油藏工程问题。研究表明：转火驱后，渗透率高的主力层吸气比例高，易形成火线，造成局部温度升高、压力升高，燃烧状态符合高温氧化生产特征；渗透率较低的非主力层吸气量较小，燃烧状态符合低温氧化特征。低温氧化也产生较多热量，能使油层温度升高，稠油粘度降低。油层压力和油层温度是影响火驱产量的最重要的两个因素，本次研究获得了普通稠油藏火驱中压力对产量的贡献值，研究结果与现场火驱动态相符，为火驱扩大实施提供了理论指导。 关键词 :火驱，油层压力，能量分析，薄互层普通稠油藏，杜66块 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 火驱 [ 1 ] [ 2 ] 是一个机理复杂的物理化学过程，从能量传递的观点看，是一个在多势场作用下的特殊过程，如在火驱过程中存在压力场、饱和度场、温度场、应力场、渗流场等等，多势场耦合作用极为明显。火驱过程中油藏温度波动往往较大，燃烧区的温度远大于已燃区与未燃低温区的温度，由于油藏温度变化剧烈，加之经常性的注采扰动，导致油藏处于一种复杂的状态，并且随时间、空间不断变化。因此，火驱的注采过程是多势场共同作用的过程。 以杜66块薄互层普通稠油藏火驱先导试验区为对象，针对性的开展了原油氧化特征、室内物理模拟、数值模拟、火驱动态分析等研究，获得了具有原创性的新认识，为现场试验跟踪调整及扩大实施提供了理论依据。
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user: 2. 多层火驱现场试验简况 杜66块火驱先导试验区目的层埋深800~1000 m，平均孔隙度19.3%，平均渗透率774 × 10 −3 μm 2 ，原油粘度300~2000 mPa∙s，为薄互层状普通稠油油藏。 2005年6月，曙1-47-039井组在主力单层上射开3 m注气，开始了单层火驱现场试验，2006年10月增加到6个井组。2008年9月，由于注气井单层射开2~3 m，生产井产量较低，在原有单层注气基础上调整为2~3层注气，火驱效果得以逐步改善(图1)。 截止到2013年末，先导试验区地层压力由转驱初期1.0 MPa升高至3.2 MPa，油井开井率由23.5%提高至90%以上，日产油量由13 t/d升至70~100 t/d。井组平均日产油11.0~17.0 t/d，单井日产油2.5~3.5 t/d，瞬时空气油比550~750 Nm 3 /t。 通过分析先导试验区实际生产数据，得到了火驱产量与地层压力呈线性关系(图2)，即地层压力每升高1.0 MPa，单井平均日产油升高约1.0 t/d。 2013年8月，注气更新井曙1-46-K037井(平面距离原井17 m)取心发现，注气井段955.5~984.0 m中火线驱扫的厚度为3 m，仅占生产井段内射孔油层厚度9.0 m的33% (图3)。按照纵向火线波及厚度计算，井组平均单井产量为1.1 t/d，相对实际产量低2.2 t/d，即井组的实际产量除了火驱贡献，还存在着贡献较大而未知的“无形能量”，通过室内实验及数值模拟方法进行了初步解析。 图1. 杜66块火驱先导试验井组生产曲线 图2. 先导试验区单井产量随压力变化散点图 图3. 火驱先导试验区取心井段截面图
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user: 3. 多层火驱过程物理模拟 3.1. 二维比例模拟实验设计 为探索多层条件下火线波及特征，采用杜66原油进行二维比例模拟实验 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。火驱二维比例模拟实验系统主要由模型本体及注入模块、点火控制模块、数据采集模块、产出流体分离计量与处理模块等5部分构成，见图4所示。注入模块包括空气压缩机、干燥器、流量计及管阀件；点火控制模块实现对油层点火温度及加热时间控制；数据采集模块对实验过程温度、压力进行采集并处理；产出流体分离计量与处理模块主要对模型产出流体进行分离、计量与处理。 图4. 火驱二维比例模拟实验系统 实验装置的模型本体尺寸设计为50 × 20.9 × 4 cm。布设注汽井1口，生产井2口(图5)。模型模拟等厚的2个层，厚度15.9 m，隔层4 m，上层渗透率539 mD，下层2798 mD，模拟井距100 m，笼统注气，分层采油，两层同时预热点火。 图5. 物理模拟比例模型井网及层系布置示意图 3.2. 实验结果分析 多层火驱二维比例模拟实验火线拓展过程如图6所示。点火后下部高渗透层火线推进较快，上部低 图6. 两层火驱物理模拟温度场图 渗透层推进缓慢；高渗透层突破后，关闭高渗透层，低渗透层稳定燃烧并推进，直至结束；高渗透层采气量约占注入量的70%。高渗透层采出程度65%，低渗透层采出程度54.5%，整体采出程度60%。 实验结果表明，在等厚度的两个油层，火驱效果受渗透率级差的影响很大，完成驱替的时间也有较大差别，最终单层采出程度差距较大。对于实际火驱井组中厚度、渗透率级差差别都很大的几个层同时驱替，加上转驱前经历多年的蒸汽吞吐，其平面、纵向上含油饱和度、压力场分布已经非常复杂，每个单层驱替的结果必定是千差万别；但火驱优先向渗透率较大拓展，与曙1-46-K037井取心分析结果基本一致。
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user: 4. 原油氧化反应特征 4.1. 原油热分析实验 实验采用德国NETZSCH公司DSC204HP型差示扫描量热仪。将(6.0 ± 0.2) mg杜66块原油至于反应池坩埚内，分析在连续升温条件下该原油放热性能与温度之间的对应关系。实验条件为：反应气氛为空气；空气流量为100l m/min；升温速率为5℃/min；温升范围为室温~600℃。 从杜66块原油在空气中的DSC曲线(图7)上可以看出，温度自60℃~340℃是稠油轻组分发生缓慢氧化反应；340℃~370℃放热量减小，为燃料沉积阶段，370℃是自燃点；370℃~550℃样品发生燃烧。 图7. 杜66块原油在空气中DSC曲线 图8. 杜66块原油在空气中DSC积分曲线 对DSC曲线进行积分，可以得到燃烧过程的放热量(图8)。在DSC实验中，没有点火过程，燃烧主要是依靠稠油在空气中缓慢氧化放出热量以及外界加热使其内部热量积攒到一定程度引起自燃。从积分曲线可以看出，在温度低时，氧化反应进行的非常缓慢，放热量极少。随着温度的增加，氧化反应速度和程度大幅升高，放热量明显增加。发生高温燃烧后产生的总热量约为低温氧化阶段产生热量的3倍。 4.2. 原油氧化实验 为了进一步解析低温氧化过程中原油性质的变化，采用燃烧釜进行了不同温度的氧化反应实验。在常温下注入空气及富氧空气(40%O 2 )至4.5 MPa，反应加热到90℃、300℃，反应12 h后，把反应后油样进行分析(表1)。 经过氧化反应之后，原油的物理性质发生了一定变化，其中密度、残碳、苯胺点都有增加，粘度变化最大，由反应前的2635 mPa∙s分别增加到90℃氧化反应后的2990 mPa∙s和300℃氧化反应后的6320 mPa∙s，在过量氧气条件下粘度会进一步升高。原油粘度反映了其化学组成的特性，粘度增大主要是由胶质和沥青质含量增加造成的。 Table 1 Comparison of oil properties after oxidation at 90˚C and 300˚ 油品 原油氧化 空气氧化90℃ 空气氧化300℃ 40%O 2 氧化90℃ 40%O 2 氧化300℃ 密度(20˚C)，g/cm 3 0.9355 0.9463 0.9533 0.9545 0.9625 粘度(50˚C)，mPa·s 2635 2990 6320 4430 7330 残碳，% 9.25 10.11 11.65 11.37 12.39 苯胺点，℃ 62.4 70.5 71.2 75.6 80.06 饱和烃，% 29.78 24.64 20.81 21.02 14.98 芳香烃，% 28.13 26.63 24.91 25.02 21.37 胶质，% 35.68 38.97 43.05 41.45 49.29 沥青质，% 6.41 9.76 11.23 12.51 14.36 表1. 原油90℃氧化与300℃氧化后油品性质对比表 进一步分析认为，该原油样品经过不同温度条件下空气气氛、富氧气氛的氧化反应，对原油物理化学性质的改变程度是逐渐加深的，但原油性质没有发生本质的变化。也就是说，低温氧化在杜66块火驱过程中起到了升温降粘作用。
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user: 5. 室内实验及数值模拟研究 5.1. 火驱过程中压力变化特征 1) 加氧反应、气体溶解导致压力降低 火驱过程中导致压力降低的原因有两个： 一是原油与氧气发生加氧反应导致物质总量减少，90℃时物质量减少0.092 mol，随着温度的升高，减少的幅度增大，150℃时减少0.1619 mol；物质量的减少导致压力降低，反应温度90℃压力由1.0 MPa降至0.84 MPa，150℃压力由1.0 MPa降至0.81 MPa (图9)。 图9. 不同温度低温氧化无因次压力变化 图10. 气体溶解引起压力变化 二是气体溶解导致体系内压力降低，在110℃，8.55 MPa条件下，根据PVT测出氮气与原油溶解气油比为9.037，17.39%的氮气溶于原油中，体系内压力由1.62 MPa降至1.55 MPa (图10)。 2) 热膨胀、裂解生烃、高饱和油墙导致压力升高 受热膨胀影响，温度从50℃升高到350℃，压力由2.0 MPa增大至4.0 MPa，温度与压力呈线性关系(图11)。 图11. 压力随温度变化曲线 当温度大于380℃，原油发生裂解反应，反应产出烃类气体，使压力明显升高(图12)。与此同时，火驱过程中高温裂解生成的轻质油、混合着未发生明显化学变化的地层原油以及燃烧生成的水、二氧化碳、氮气共同组成油墙 [ 7 ] ，油墙含油饱和度较高，具有较大的渗流阻力，注入的空气被油墙阻挡，使系统压力缓慢上升。 图12. 裂解反应引起压力变化 5.2. 压力对产量的贡献 通过对比氮气驱与火驱效果，研究增压作用对产量的贡献。模拟结果可划分成两个阶段(图13)：产量上升阶段，氮气驱产量为火驱产量的80%左右，该阶段火驱生产以增压驱替为主；产量平稳阶段，空气与原油发生高温氧化反应，原油粘度大幅降低，重质组分裂解生成轻质油，注入的空气、轻质油、燃烧尾气、水蒸汽共同驱动原油，氮气驱产量是火驱产量的40%左右，说明此阶段火驱增产占主导地位。 图13. 氮气驱与火驱日产油量对比曲线 5.3. 火驱过程中三场变化特征 选用CMG热采数模软件建立100 m反九点面积多层火驱数值模型 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] ，网格节点22 × 21 × 25 = 11，550，平面网格步长10 m，纵向油层2层，单层厚度15 m，隔层1层，厚度4 m，参考先导试验区地质参数，模型中高渗层孔隙度24%，渗透率2000 × 10 −3 μm 2 ，低渗层孔隙度18%，渗透率500 × 10 −3 μm 2 ，原油粘度2000 mPa∙s，密度0.9522 g/cm 3 。 下部高渗层内燃烧前缘温度超过400℃，最高达600℃，并向油层上部超覆；上部低渗层受物性影响吸气较少，火线推进缓慢，前缘温度200℃~350℃。高渗层单井产量峰值6.3 t/d，低渗层单井产量峰值2.6 t/d；低渗层吸气量较少，为注气量的14.4%；空气油比不断升高，当截止空气油比2500方/吨时，高渗层平均采油速度2.9%，低渗层平均采油速度1.9%；高渗层采出程度66.8%，低渗层采出程度47.2%。 火驱过程中，不同时间段温度、压力、饱和度场变化图(图14~图19)。 图14. 数值模拟不同时间段火驱温度场剖面图 图15. 数值模拟不同时间段火驱温度场平面图 图16. 数值模拟不同时间段火驱压力场剖面图 图17. 数值模拟不同时间段火驱压力场平面图 图18. 数值模拟不同时间段火驱饱和度场剖面图 图19. 数值模拟不同时间段火驱饱和度场平面图
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user: 6. 结论 1) 杜66块薄互层普通稠油藏火驱过程中，存在着起主要作用的“无形能量”，即地层压力升高产生的驱动能量。井组平均单井日产油与地层压力成正比，压力每升高1.0 MPa，单井日产油上升约1.0 t/d。 2) 地层压力上升与多种因素有关，其中持续稳定的注气强度、原油热膨胀、裂解生烃、火驱油墙等是压力升高的主要因素。 3) 多层油藏火驱管理中，努力追求主力油层高温氧化燃烧的同时，必须重视非主力层燃烧状态的监测，工程条件允许时单独对这些层进行吞吐引效，最终达到多层动用基本均匀的目标。
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user: 摘 要 输变电线路的运维是一件非常重要的工作。我们基于传统输变电检修飞车研究了一项新的工作工具——输变电间隔棒安装检修机器人。文章介绍了机器人安装间隔棒、车体越障功能的自动化方案，机器人的机械结构设计，以及机器人的控制系统等关键技术。在SolidWorks的虚拟仿真环境(SolidWorks的Motion模块)中的仿真测试结果表明机器人能实现预期的功能。对以后类似产品的研发具有比较好的应用价值。 关键词 :输变电，检修机器人，间隔棒安装 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着自动化的发展，机器人的种类越来越多，许多复杂而又危险的工作逐渐由机器人完成，这不仅保证了人员的安全、降低了成本，而且还提高了工作效率。高压输电线路的检修和间隔棒的安装就是一项危险且耗时的工作，目前国内已经开始对高压输电线巡线机器人进行研究，并且取得了不小的进展，基本可以实现自动化巡线，但是间隔棒安装方面的研究相对较少，同时国内大多数还采用传统飞车进行间隔棒的安装和输电线路的检查。传统飞车相较于机器人来说有许多弊端：由于传统飞车整体相对较大，上下线相对困难；传统飞车不能够自动安装间隔棒，需要通过人力进行间隔棒的安装；传统飞车整体质量较大，跨越障碍物相对困难；传统间隔棒安装也相对复杂。本文将介绍一种用于高压线路检修及自动安装间隔棒的机器人的研制，该机器人通过改变重心的方式来越障，并配合配套的新式间隔棒，实现快速、自动安装间隔棒的目的，不仅减轻了工人的工作量，而且还降低了高空作业的危险，安全高效。
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user: 2. 介绍 目前安装相间间隔棒的方法主要有人工飞车安装(图1)和飞机辅助安装(图2) [ 1 ] ，飞机辅助安装经济成本太高而人工安装则费时费力，为了解决这些问题，本文将介绍一种用于高压输电线路自动安装相间间隔棒的第一阶段的输变电间隔棒安装检修机器人的研制过程和它的基本概念。 图1. 人工飞车安装 图2. 飞机辅助安装
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user: 3. 检查输电线路 高压架空输电线路的塔间距离通常在300~500米。机器人装有测距装置，以确安装保隔离板间距离的准确性。由于每次把机器人安装到输电线路上有一定难度，为了避免多次安装，它装有自动越障装置，这样可以提高效率。 检查线路方法：机器人检测电路作为视觉检测的代替，通过其上面安装的红外线等传感器可以成像，通过分析数据来检查输电线路是否完好。机器人检测电路有以下优点：检测结果准确、检测效率提高、检测成本大幅降低、安全系数提高。在塔之间的跨度中，为了保持电缆之间的距离，在风吹的时候避免他们互相接触，需要架设间隔棒。因此间隔棒装置也需要不时的检查。机器人在高空检测时经常受到悬挂钳、间隔棒以及高压塔的影响。为了克服这种距离地面几十米的障碍，机器人需要高度的机动性和可靠性。它的电瓶等装置安装在有轨道的架子上，通过滑动架子可以改变重心，此外它有可以旋转的机械手臂，可以实现越障，大多数情况下，为跨越间隔棒。 现有技术的共同点，机器人在地线上移动，地线在传输线之上几米，支撑在塔的顶部。若对传输线进行详尽的检查将需要强大的摄像机和特殊的控制方法。我们的机器人可以在输电线路上行走，避免了之前作品的难题，并且可以获得更准确的数据。
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user: 4. 自动化建议 1) 基本概念 在我们上一代载人飞车的基础上，我们设计了一种自动化机器人来弥补安全性以及效率问题。另外，我们还设想让它在实现巡检越障的功能之外还能够自动安装间隔棒。我们决定通过调整机器人的重心来实现机器人的移动与越障。整体结构如图(图3)。 本设计主要实现输变电检修的自动化以及跨越障碍的自动化，并可以通过系统控制自动安装隔离棒。 第一部主要是通过电机使飞车实现运动，第二部通过调节重心的方式让飞车左右翘起实现跨越障碍的目的，第三部通过Arduino控制隔离棒的安装。 2) 间隔棒的自动安装 机器人随身携带多个间隔棒，通过控制电路来控制定位停车并安装间隔棒。机器人中间有一根横向的丝杠，通过步进电机来控制丝杠的转动，进而进给丝杠上携带的间隔棒。间隔棒四个抓手与棒身连接处有扭簧，使得间隔棒脱离机器人后在扭弹力作用下迅速卡在导线之间，完成安装(图4)。为此，我们专门设计了专用的间隔棒。 图3. 整体结构 图4. 完成安装 3) 车体越障 机器人前后有两组运动单元。越障时，安装间隔棒的机构首先通过滑轨移动到电缆下方，以保证不与障碍相撞。让重心后移，前运动单元随着重心的缓慢后移慢慢翘起(图5)，翘起之后，在步进电机的控制下旋转一定角度使轴与滑轮能顺利越过障碍(图6)，在后运动单元提供的推力下，整体向前移动，前运动单元完全越过障碍后，通过重心的调整，前运动单元的滑轮恢复与电缆的接触，此时，障碍物位于前后两运动单元之间(图7)。后运动单元以同样的方法完成越障，结果如(图8)所示。 图5. 前运动单元准备越障 图6. 顺利越障 图7. 前运动单元完成越障 图8. 整体越过障碍
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user: 5. 机械结构设计 1) 运动单元 运动单元由两个轴组成，每个轴有两个滑轮。在一个滑轮轴中嵌入一个直流电动机，然后将扭矩传递给另一个滑轮(图9)。 机器人的每一个杆都是由铝管制成，减轻车身的重量。 2) 底部结构和配重 机器人驱动机的底座与垂直升降杆相连，通过步进电机和丝杠控制底座的上下移动，进而可以通过间隔棒(图10)。 配重是由间隔棒安装架、间隔棒、电池组成。保证整体质量可以让机器人执行越障的动作。 底座上通过滑轨连接间隔棒安装架，通过一个步进电机和丝杠结构控制间隔棒安装架的前后移动，进而可以调整机器人的重心，从而达到越障的目的(图11)。每一个驱动机都配有一个编码器，以保证机器人的动作都是已知的。通过编码器的数值，执行一组复杂的运动是可行的，如越障模式。 图9. 运动单元 图10. 底部结构 图11. 配重及底部结构 3) 间隔棒 间隔棒采用复合材料，既可以满足其强度要求又可以减轻质量。间隔棒由四个连接爪和间隔棒主体组成，结构简单，连接爪和间隔棒主体连接并且可以活动，通过弹簧提供动力，连接爪在脱离间隔棒安装架时可以固定在输电线上，减少操作步骤，方便安装和拆卸(图12)。 图12. 隔离棒
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user: 6. 检测机器人–控制系统 检测机器人的控制系统是半自动的，操作者只需要确认模式，就可以完成复杂动作，而不需要将机械手和垂直杆传动到预定位置。然而，由于环境的多变和不同的间隔和障碍，整个过程完全的自动化，在现阶段是无法实现的。 下面的小节描述了检测机器人的控制方法。 1) 电机控制 电机控制是基于Arduino开发板实现的。Arduino开发板连接直流电机电路板控制模块(图13)实现直流电机的启动，正反转及调速。Arduino开发板连接步进电机电路板的控制模块(图14)，发送使能信号，方向信号和脉冲信号来对步进电机进行控制。 图13. Arduino开发板连接直流电机电路板控制模块 图14. Arduino开发板 2) 无线通信 通信是通过Arduino开发板连接HC-06蓝牙模块(图15)进行远程控制。 图15. HC-06蓝牙模块
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user: 7. 总结 我们通过前文的介绍的内容，我们完成了实物的制作(图16)，并最终完成了整机的设计。在SolidWorks的虚拟仿真环境中(SolidWorks的Motion模块)，对机器人的越障能力进行了仿真测试，测试的结果表明，我们的设计能够顺利安装间隔棒，并在变形后顺利实现越障功能。 图16. 飞车实物
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user: 摘 要 城市道路是城市基础设施的重要组成部分，地质雷达技术以其无损、快捷、浅层高分辨率的优势被广泛应用于城市道路检测中。由于高频微波段地质雷达穿透能力的局限性，使得城市道路病害及成因检测存在许多难题。本文首次利用瞬变电磁法原理，区别地质雷达高频一次场而采用瞬变电磁法的二次场，利用浅层瞬变电磁法原理、中心回线装置、全期视电阻率计算、雷达波谱图像处理与工作装置等技术，成功研制了瞬变电磁道路雷达，并在地下管线探测、道路病害探测方面与地质雷达进行试验对比，结合试验和工程实例，验证了浅层瞬变电磁法在城市道路地下病害检测中的应用效果，总结了城市道路地下病害的视电阻率特征与类型，说明用视电阻率法探测道路地下病害的可行性，为瞬变电磁法在城市道路检测方面开辟新的应用。 关键词 :道路病害，瞬变电磁雷达，地下管线，地下空洞 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近些年城市道路塌陷事故频繁发生，严重影响了城市交通安全及居民生活。路基病害已经引起了社会舆论和专家学者的关注，并进行了大量相关研究。随着检测技术的不断的改进、不断的完善，探地雷达因具有分辨率高和探测速度快等优点已经被广泛应用到公路检测中，也取得了较好的效果。但由于高频微波段地质雷达穿透能力的局限性，受干扰因素多，在实际道路病害检测中仍有许多问题有待解决。 目前道路病害探测方法主要有地质雷达、高密度电法、瑞雷波法、微重力等，若能实现多种物探方法的综合探测，将大大提高路基病害的检测效果，但不管是高密度电法，还是瑞雷波方法，都要对现有设备进行改造才能适用于道路病害的检测，而且检测速度也有待提高。 瞬变电磁法自1933年由美国科学家L. W. Blan提出，1951年J. R. Wait利用瞬变电磁场法寻找导电矿体，1958年加拿大Barringer公司开始研制应用于航空的INPUT系统，1977年G. V. Keller、1979年Stemberg、随后J. R. Wait、G. V. Keller、A. A. Kaufman、G. W. Hohmem、A. P. Raiche、B. R. Spies、M. N. Nabighian等学者都做了大量的研究工作。 我国瞬变电磁法起步于70年代，先后从加拿大引进磁源EM37、47、67及PEM系统；从澳大利亚引进源SIROTEMII、TerraTEM；油气田勘探部门引入西方电性源的瞬变电磁法(LOTEM)及俄罗斯的建场测深电法仪(ЦЭC-3型)，成为深部构造及含油气目标探测的有效方法；国内学者朴化荣(1990)、牛之琏(1992)、蒋邦远(1998)等较早参与研究工作。以前，瞬变电磁法只局限于金属矿勘探，1992年以后随着仪器的智能化与数字化，瞬变电磁法开始步入工程、环境、灾害地质调查中。瞬变电磁法历经近百年的发展，已形成了较为完备的系统，应用也很普遍。除了通常应用于金属矿产及石油资源的勘查外，还应用在地下水、地热环境及工程勘查中 [ 1 ] 。 上世纪90年代中后期，美国国家自然基金会的VETEM (Pellerin， 2000)计划针对浅层瞬变电磁法的研究取得了突破性进展，发射机的关断时间小于10 ns，接收范围10~1000 ns，可以探测0~5 m内的非导电体和导电体两者的差异。我国学者嵇艳鞠(2004)、于省宝等(2006)、马国财等(2013)针对近地表瞬变电磁法高分辨率探测开展相关研究 [ 2 ] 。 近年来国内吉林大学林君、中南大学席振铢等人在浅层TEM仪器研制上取得了重要进展 [ 3 ] 。本文基于浅层瞬变电磁法理论、瞬变电磁雷达技术、中心回线装置及数据图像处理与显示，探索利用瞬变电磁雷达法检测城市道路质量及各种缺陷，这是瞬变电磁法一个新的应用领域。
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user: 2. 瞬变电磁法探测地下管线与病害的可行性 道路路基是路面的基础，它与路面构成一个整体结构，是道路的基本结构物。在路基病害快速探测中，首先应致力于对路面行车安全产生影响的路面脱空、路基空洞、溶洞、土洞以及路基中水的异常探测。 2.1. 城市道路下常见基础设施与病害特征 道路结构从上到下分为面层、基层和路基3层，市政道路面层厚度15 cm左右，基层厚20 cm左右，路基厚度变化较大。由于路基土体长期在自然、人为因素下遭到破坏，但又不能及时发现，慢慢向路表发展，同时在不断地扩大范围，当病害发展至基层下方时，由于基层不能将来自路面车辆的重力传送给路基，而基层又不能承载车辆的重力，导致路面发生塌陷。如图1所示，路基通常由地下管线等市政设施、路基病害(空洞、疏松、含水体)、岩土体介质组成。 1) 地下管线：通常由非金属、钢筋砼、钢管、球墨铸铁管等材质构成，其电阻率较低(除非金属管线)，与周围介质之间存在明显的物性差异。 2) 路基病害：指城市道路地下方出现不同程度的空洞、水囊、疏松等不密实病害。其中空洞电阻率呈高阻，水囊与疏松体为低阻，与周围介质之间存在明显的物性差异。 3) 岩土体性质变化：道路下岩土体结构因性质不同、含水率不同，呈现不同的电阻率差异；而岩土体的含水率通常又与其结构、密实度等密切相关。 图1. 城市道路地下管线与周围岩土环境 2.2. 探测道路病害的前提 瞬变电磁法探测道路病害的原理是利用道路结构、岩土体、空气、水等介质电阻率的差异为前提。城市道路可认为道路结构、路基、管线等市政基础设施、路基病害等组合的混合体。道路结构与路基是均匀分布的介质；管线等市政基础设施通常由铁质或钢筋砼材质组成；道路病害表现为空洞、疏松、含水体(水囊)。这些病害特征都与视电阻率有关，根据模型实际尺寸及道路下不同材质的物理参数设计如表1所示，其理论模拟曲线如图2所示。由理论模拟曲线可知，不同的路基病害会对应不同的视电阻率曲线类型。 Table 1 Parameter table of theoretical simulation mode 层数 介质 电阻率(Ω∙m) 厚度(m) 1 道路面层基层 1000 0.5 2 密实(土体) 200 1 水囊、疏松体 10 1 脱空(空气) 1，000，000 1 3 路基土 100 ∞ 表1. 理论模拟模型参数表 受诸多因素影响，道路岩土体相关介质的物理参数见表2。从表2中可知：管线、地下空洞、疏松体与岩土体之间存在着物性差异；缺陷部位路基被水或空气充填，与密实路基的物性有明显的物性差异。因此，采用瞬变电磁法(视电阻率)对道路病害进行检测是可行的。 图2. 道路病害模拟理论曲线 Table 2 Physical parameters related to road structur 介质 介电常数 电导率/ms∙m −1 传播速度/m∙ns −1 衰减系数/db∙m −1 空气 1 0 0.3 0 水 80 0.5 0.033 0.1 砂岩 6 0.04 / / 灰岩 4~8 0.5~2 0.12 0.4~1 花岗岩 4~6 0.01~1 0.13 0.01~1 混凝土 4~20 1~100 0.11 / 粘土 5~40 2~1000 0.06 1~300 表2. 与道路结构相关的物理参数