水利施工水泥灌浆无线智能记录仪改进方法与流程

1.本技术涉及一种水泥灌浆无线智能记录仪，特别涉及一种水利施工水泥灌浆无线智能记录仪改进方法，属于灌浆记录仪技术领域。


背景技术：

2.水泥灌浆是基础处理最有效的方法之一，在水利水电工程领域应用尤为广泛。灌浆记录仪是实时记录灌浆进程中灌浆压力、注入量、浆液密度等的计量监测仪器，是帮助现场施工及监理人员控制灌浆质量和工程计量的有力手段。灌浆记录仪自动记录灌浆参数，真实客观的记录能够帮助工程管理者准确的了解工程情况，同时摒浆期间的耗灰量是后期进行化学灌浆的依据，如果不能解决灌浆基础施工现场失水回浓情况下记录的耗灰量测量数据失真的问题，必然影响到工程施工和工程质量的客观评价。
3.现在灌浆施工需要对地表抬动位移进行监测，而工地上目前监测地表抬动位移的设备数据不便于多个灌浆作业面的监测，并且抬动数据传输为有线传输，这种传输方式很容易受到现场的干扰，不利于生产效率的提高。在这种大情况下，改进目前的灌浆智能记录仪的计量方法，使其能够准确计量失水回浓条件下的灌灰量；改进目前的抬动监测装置，使其能够支持多个灌浆工作面的施工，避免现场干扰，对这些关键技术的研究变得尤为紧迫。
4.灌浆记录仪在当前水利工程施工大规模应用中效果不是很好，主要原因是灌浆方式不同，当前一般采用循环灌浆，并且可以5级变桨，注重灌浆结果，灌浆结束标准一般是在设计压力下连续30分钟流量小于1l/min。灌浆记录仪基于纯压灌浆，用灌浆强度值灌浆法，很少改变浆液比级，注重过程控制，以便在gin曲线的限制压力下停止灌浆，因此记录仪一般用只打印流量和压力的曲线，这在水利上行不通，工人只认数值，曲线不容易判断，无法变浆和结束。
5.受市场化的影响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，这种现象违背了使用灌浆记录仪的本意。由于灌浆施工属于典型的隐蔽工程，施工效果难以用肉眼直接评判观察，因而严格的施工过程控制是保障施工质量的重要手段。同时，这些资料也是施工后期准确分析施工效果，评价工程质量的重要依据。灌浆记录仪对施工参数自动记录，性能稳定，大大减少了人为数据干预，保证灌浆施工过程数据的完整性和真实性。
6.随着传感器技术、无线网络技术、图形分析技术的飞速发展，记录仪发展呈两大趋势：一是灌浆记录数据处理能力逐步提高,表现在设备的核心cpu数据运算主频大幅提高；设备硬件能存储上千份现场施工的资料；设备对实时数据进行相关性分析后能过滤一些人为的错误操作；二是灌浆记录仪和互联网的联系日趋紧密，灌浆施工作业面较为分散，通过对现场灌浆记录仪的组网，工程管理者实现了分散作业面的集中管理；借助云平台大数据分析的技术，通过三维地形图、施工进度图、综合剖面图的展现，及时准确了解工程进度。通过灌浆记录仪以及其附带的技术，工程管理者的管理水平得到了质的飞跃。
7.但是，现有技术的水泥灌浆记录仪仍然存在若干问题和缺陷，本技术解决的主要问题和关键技术难点包括：
8.(1)现有技术的灌浆记录仪在深入使用过程中存在以下两个问题：一是对于施工过程中出现失水回浓现象，无法准确的进行灰量计算；二是抬动监测方式为有线方式，每个抬动监测数据只能绑定一个灌浆施工作业面，严重影响施工效率；现有技术缺少在大循环管路中安置双支向进出密度计的方法，缺少分别计算进浆灰量和回浆灰量，利用进浆灰量与回浆灰量做差获得真实的灌灰量的方法，无法解决失水回浓现象时，无法准确计量耗灰量的问题；缺少对抬动监测设备进行无线改造，无法采用电池供电，抬动仪外型上连接线较多，无法实现一个抬动点的监测数据提供给多个施工作业面使用，无法解决每个抬动监测数据只能绑定一个灌浆施工作业面施工的问题，施工干扰多，施工效率低。
9.(2)失水回浓状态下常规灌浆智能记录仪存在的问题，现有技术水泥灌浆工程采用单支密度计，且安装在灌浆孔后大循环方式进行灌浆，这种方式在失水回浓的情况下灰量计量不准确，灌浆生产过程中，可能出现密度计显示浆液密度不断上升，并且达到一个比级及以上并持续变浓的情况，出现失水回浓或回浆返浓，出现该情况时，浆液较快变浓，容易产生孔内事故，如钻杆被抱死等，现有灌浆智能记录仪，通过累计流量和密度计算灰量的方式，却会计算出大量的耗灰量，这种计算得出的结果明显与实际不符，对工程数据分析及工程质量产生较大影响。产生这种明显计算差值的原因在于在失水回浓的条件下施工，水泥浆液中的水渗入地层的速度明显的快于水泥颗粒，导致浆液密度逐步增大﹐使灌浆孔前和灌浆孔后的水泥浆的密度不一致，然而现有的灌浆智能记录仪无法对这一动态过程进行合理的监测，导致对实际灌灰量进行了错误的计算，使设备计量的灌灰量和实际灌灰量存在较大差异，必须采取新的方法测量这种特殊情况的灌灰量。
10.(3)现有技术有线抬动监测不支持多个施工部位同时施工的要求，由于灌浆施工工期一般较紧，常需要对多个灌浆施工作业面进行抬动监测，采用传统的有线的抬动传输方式只能连接一个灌浆记录仪通道，不能把数据提供给多个灌浆智能记录仪，不能支持多个需要抬动监测的作业面同时施工；有线抬动设备存在线缆，灌浆作业常常有大型设备移动，难免挂到或挂伤线缆，对正在监测的数据产生不良影响，同时缺乏可靠的功耗管理，灌浆记录的压力、流量和密度经常出现较大误差。


技术实现要素：

11.本技术解决了工程实际施工中的两个问题：一是失水回浓状态下的累计灰量计量不准确，二是有线抬动监测不支持多个施工部位同时施工的要求。本技术新型灌浆智能记录仪创造性的采用双向密度计大循环灰量灌浆方式计量灌入地层的真实灰量，为了减小测量误差，采用变频器控制旁路抽浆泵的排量，使旁路的流量和回浆的流量一致，从而使流经两个密度计的浆液流态也相近，这样测量的数据更加准确。合理的运用了无线通讯技术，通过小型自组网络实现单个抬动监测点支持多个灌浆施工作业面同时施工的要求。
12.为实现以上技术效果，本技术所采用的技术方案如下：
13.水利施工水泥灌浆无线智能记录仪改进方法，采用双支比重计大循环灰量灌浆方法解决灰量计量失真的问题，采用旁路循环支路使得误差满足工程需求，采用无线网络传感器对现有无线灌浆地表抬动仪进行改进，使其成为一款不带有任何外部连接线的电池供
电系统，通过小型无线网络使抬动监测数据供给多个作业面使用；
14.p1：双支向进出密度计大循环灰量灌浆方法：一是基于双支向进出密度计的灌浆，包括：主路式双向密度计、优化后的旁路式双向密度计，二是基于双支向进出密度计的灌浆智能记录仪，包括：系统架构、ad隔离电路、单片机与变频器链接、软件结构；
15.结合灌浆记录仪灰量测量方法，在大循环管路中安置双支向进出密度计，分别计算进浆灰量和回浆灰量，利用进浆灰量与回浆灰量做差获得真实的灌灰量，采用变频器控制旁路抽浆泵的排量，使旁路的流量和回浆的流量一致，解决失水回浓现象时，无法准确计量耗灰量的问题；
16.p2：无线灌浆地表抬动仪：一是无线灌浆地表抬动仪整体架构，二是无线灌浆地表抬动仪的电气设置，包括：系统组成、工作流程方式、ad采集、电气无线网络，三是无线灌浆地表抬动仪的软件算法，包括：位移因子采集、无线灌浆地表抬动仪与灌浆智能记录仪的数据传输、功耗管理；
17.改进zigbee对抬动监测设备进行无线改造，并采用电池供电，改造后的抬动仪外型上没有任何连接线，同时通过zigbee的小型自组无线网络实现一个抬动点的监测数据提供给多个施工作业面使用，解决每个抬动监测数据只能绑定一个灌浆施工作业面施工的问题。
18.进一步的，改进密度计灌浆孔大循环得到主路式双向密度计灌浆方法，基于大循环灰量灌浆安装两只密度计，分别测量进浆的密度和回浆的密度，反应水泥浆经过灌浆孔后密度发生的变化，采集2路流量信号，2路密度信号，1路压力信号，灌浆记录仪多采集1路密度信号；
19.设进入灌浆孔的水泥灰量为c1，返出灌浆孔的水泥灰量为c2，基于质量守恒实际灌灰量c如式1所示：
20.c＝c
1-c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
21.设密度计密度为ρ1，进浆流量为q1，灌浆时间为t，水泥干灰密度为r，得到进入灌浆孔的水泥灰量c1如式2所示：
22.c1＝q1tr(ρ
1-1)/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式2
23.设置密度计密度为ρ2，回浆流量为q2，灌浆时间为t，水泥干灰密度为r，得到返出灌浆孔的水泥灰量c2如式3所示：
24.c2＝q2tr(ρ
2-1)/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3
25.将式2、式3代入式1得到实际灌灰量c如式4所示：
26.c＝tr(q1ρ
1-q
1-q2ρ2 q2)/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式4
27.其中ρ1和ρ2的测量根据式5进行计算，修正黏度引起的误差：
28.ρ＝p/(gh 1/2v2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式5
29.式中p为压力传感器读数，v为水泥浆流速，g为重力加速度，h为测量桶的测量高度，其中p，v为测量值，进行管路连接，对进浆灰量和返浆灰量分别进行计算，使两者做差，得到实际耗灰量。
30.密度1工作时调节阀应尽量开到最小，实际施工时因为人为的因素，做不到这点，这也是造成测量值偏高的原因。
31.对这些推论分析后，本技术认为该设计的对比耗灰量和实际耗灰量差距较大，无
法满足工地上实际的测量需求，需要对测量方法进一步优化，使得误差范围能够控制在3％以内。
32.进一步的，优化后的旁路式双向密度计：在灌浆桶和灌浆泵之间的低压区分流，从低压区分流的水泥浆基本没有附加压力，需要加一个抽浆泵，另外增加一个变频器控制抽浆泵，使流经密度计1的流量和流经密度计2的流量一致，这样从循环管路中分离出来，单独形成一只回路；
33.基于主路式双向密度计大循环灰量灌浆方法，系统的循环旁路设计在低压区，循环旁路的流量由抽浆泵和变频器控制，抽浆泵的流量随着流量计2的变化而变化，密度计1安装在循环旁路上，测量的的是灌浆桶内的浆液密度，理论上等于进浆密度；密度计2安装在主循环的回浆流量计之后，计算的是回浆密度；灌浆智能记录仪采集流量计2的流量，并通过控制技术控制抽浆泵的流量，使得流经密度计1和密度计2的浆液流量和流态大体一致，由此消除因两个密度计附加压力和流态不同而造成的误差。
34.进一步的，基于双支向进出密度计的灌浆智能记录仪：
35.1)系统架构：系统包括1台灌浆智能记录仪主机，4种传感器，1台变频器，1套抽浆泵，传感器包括压力传感器、密度传感器、流量传感器和位移传感器，主机包括msp430f5438处理器、人机界面、传感器输入接口、打印机接口和变频器接口；
36.2)ad隔离电路：采用hsnr201设计ad隔离电路，其中i ，i-为电流输入，接入4至20ma输出的传感器，r5为采样电阻，r1，r2为输入电阻，r7为限流电阻，z1齐纳二极管保护输出不过压，r3，r4，r9构成反馈电阻,r9调节放大系数；单片机内部集成12位a/d转换电路，模拟信号直接通过接口与单片机相连进行a/d，将测量系统和单片机系统进行有效的电气隔离。
37.3)单片机与变频器链接：采用2.2kw变频器，利用电力电子半导体器件控制通断变换频率，设置pid算法和modbus串口控制协议，励磁部分采用igbt控制，磁场进线熔断器和电抗器也集成在变频器中，磁场部分采用三相进线供电方式，直接取自为电枢供电的三相电源；采用rs485传输通信，数据传输信号采用差分传输方式，变频器和灌浆智能记录仪之间通过485转换模块进行连接；
38.灌浆智能记录仪的串口首先和485转换模块连接，然后由485模块连接acs400的通讯端子，485转换模块同变频器的通讯端子的连接线采用屏蔽线，其中scr脚连接屏蔽层，单片机把控制的频率数据通过modbus协议通讯送入到变频器的寄存器中，根据抽浆泵q＝f(f)曲线，q为流量输出，f为频率输入，功率2.2kw，控制流量，具体实现方法如下：
39.第一步：根据抽浆泵q＝f(f)曲线,单片机计算流量和频率之间的对应关系；
40.第二步：单片机采集回浆流量计的流量因子，通过流量和频率之间的对应关系，换算出应送入变频器的频率因子；
41.第三步：将获得的频率因子通过modbus协议进行封装，用单片机的串口传输到变频器的寄存器中；
42.第四步：抽浆泵获得相应频率的电压调节支路循环流量输出；
43.步骤执行完1次后，从第二步进行循环，到第四步后进行下一次循环，整个过程开环控制。
44.进一步的，无线灌浆地表抬动仪整体架构改进设计包括：一是整个装置采用电池
供电，没有任何外部接线；二是设备带有无线发射器，便于信号传输，发射信号采用zigbee无线传输方式；三是外保护罩为金属骨架嵌套环氧树脂板，即有一定的强度，又能保证信号的正常传输；四是电气部分采用架空防水淹设计；五是同时将测量数据发送到4个记录仪通道，使得四个相关作业面同时施工。
45.进一步的，无线灌浆地表抬动仪的电气设置有5个部分组成，包括：电源管理模块、数据采集模块、数据发送模块、cpu模块和ad采集模块；
46.电源管理为无线数据发送模块、数据采集模块以及cpu模块提供供电电源，并且对电池进行充电管理；数据发送模块负责无线抬动采集器和灌浆智能记录仪主机之间通讯；数据采集器将地表的微小抬动位移转化为电压信号送入cpu模块，本技术对cpu模块和ad采集模块的选型包括：
47.s1：cpu模块采用msp430f149芯片，低功耗模式，适合开发电池供电的电子系统；
48.s2：数据采集模块采用低噪声，低漂移的24位ad7192转换器，内部集成温度传感器，并且亦可设置低功耗模式；
49.s3：数据发送模块采用zigbee发送模块，通过无线组网的模式实现一个抬动孔对多个灌浆作业面的无线数据传输。
50.进一步的，电气无线网络：无线网络模块采用基于zigbee的嵌入式sz05-adv模块，sz05-adv无线串口通信模块采用加强型的zigbee无线，集成符合zigbee协议的射频收发器和微处理器，通过无线zigbee进行组网通信，实现一点对多点或多点对多点之间的数据透明传输及中继转发作用，将模块分别设置为中心结点，中继路由和终端结点三种工作模式；
51.芯片和单片机的连接设置3个管脚，其中rs232_tx0、rs32_rx0为数据通讯脚，sleep脚为功能脚，当不需要通讯的时,控制sleep将设备设置在休眠状态，d2至d4是工作状态指示灯，指示通讯模块的工作状态，单片机通过rs232_tx0、rs232_rxo通讯口将数据透明转发到目标设备上；
52.整个组网方案采用多通道网状网进行组建，数据自动重新路由到一个通信流量较小的邻近结点进行传输，依此类推，数据包根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个结点进行传输，直到到达最终目的地为止；
53.无线串口通信模块采用串口配置，配置按照以下步骤：
54.步骤一：将模块插在评估板上，评估板与计算机相连，在计算机上安装串口超级终端软件，打开后将波特率设置为38400bps、数据位8、校验none、停止位1、流控无；
55.步骤二：评估板上电,无线通信模块config跳线短接或外部控制线进入低电平状态3秒，系统进入配置状态；
56.步骤三：按照串口软件一步步进行配置；
57.步骤四：配置完毕后拔掉配置线，重启模块即正常使用。
58.进一步的，位移因子采集：ad模块定义功能函数为：u8 ad7192config(u8 channalmask,
59.u8 set_gain,
60.u8 lenth,
61.u32 freq,
62.void(*cbinread)(u32*buff,u16 tims))；
63.其中u8 channalmask采样设备的通道，本系统设置1个采样通道；u16 set_gain设置增益,本系统设置的采样增益为l；u32 freq设置采样频率，本系统设置的采样频率为100hz；(*cbinread)(u32*buff,u16 lenth)为回调函数指针,该回调函数设置两个因子，第一个是*buff指针，是单片机通过spi总线读取的温度返回值以及电压返回值，u16tims值采集次数，表示采集数据后返回的次数，采用回调函数法，把读取值的计算方法定义在应用层，ad7192的spi数据总线返回到单片机的数据格式为：数据前24位为ad数据，后8位为通道指示；
64.数据结构的前24位为ad转换值，高位在前，低位在后，通道指示位指示数据是在哪个通道下进行转化以及工作模式；
65.无线灌浆地表抬动仪采用电感式位移传感器，通过软件进行修正；
66.本技术每5℃对电感位移传感器输出曲线进行标定，标定的范围为0至60
°
℃,标定出12组曲线，根据直线方程式6所示：
67.aix biy c＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式6
68.将标记后的[a1,b1]，[a2,b2]
…
[a
12
，b
12
]二阶矩阵存入数组中，其中c为因子，根据温度变化区间调用合适的因子获得真实值，设计的函数接口为：
[0069]
void correctionmv(u8 tmp，ul6 predat,u16 dat)
[0070]
其中u8 tmp为当前环境温度，u16 predat为未处理的传感器读数，u16 dat为处理后的传感器输出值；
[0071]
根据在不同温度条件下对传感器进行标定的数据，记录[a1,b1]，[a2,b2]
…
[a
12
，b
12
]二阶矩阵数据，然后将这些数据以二维数组存入单片机，由单片机调用，为验证误差，利用千分表的读数作为可靠值设备修正后的输出值记为xi，得到：
[0072][0073]
取n＝10，将10次测量的结果代入式7，得到平均标准偏差s＝0.8微米，现场测量要求误差为2至5微米，满足要求。
[0074]
进一步的，无线灌浆地表抬动仪与灌浆智能记录仪的数据传输：避免网络层的重发导致数据识别，通信协议为：
[0075]
(1)主从查询通信模式，即从设备不主动发送数据，而只提供查询/控制服务，全通信系统工作在client/server模式下；
[0076]
(2)协议转义符：protocol_esc＝1b；
[0077]
(3)编码步骤：
[0078]
1)扫描原始数据所有字节，将原始数据中包括的非法字节转换为相对应的字节，并在字节前面加上转义符；
[0079]
2)计算原始数据的和校验，并按照低字节前，高字节后的方式，加在数据的后面，如果计算后的和校验也包括非法字节，按1)的方法转义操作后再加入；
[0080]
3)在整个数据的头加上protocol_begin(1a)，在数据末尾加上protocol_end(1d)；
[0081]
(4)解码步骤：
[0082]
1)检查数据头和数据尾是否为protocol_begin(1a)和protocol_end(1d)，否则错而不解；
[0083]
2)去掉数据头和尾，扫描剩下的数据，凡是以protocol_esc(1b)开头的，则检查跟随的字节是否为esc字节，是则反转义为对应的原始字节，否则错误或抛弃此字节；
[0084]
3)截取最后两字节为校验位，并计算前面剩余的所有字节的和校验，如果两者的值相等，则接收正确，否则为错；
[0085]
(5)定义帧数据的结构；
[0086]
(6)通讯帧遵从应答，三次重发机制，应答帧同样遵从上述帧结构，帧命令字全部定义为偶数，针对该命令的应答帧命令字为原命令字加一；
[0087]
(7)帧数据长度可以为0，既可以为带数据的帧，也可以为不带数据的帧；
[0088]
(8)接收方根据发送方id和接收方id的内容和帧序号来决定是否回应数据帧；
[0089]
(9)在帧数据被发送完毕后，盼望500ms内能够收到应答帧，如果没有收到，则进行重发，同样等待约500ms，重发次数一般限制为3次，如果仍未收到应答，则确认通讯失败；
[0090]
(10)基础协议不规定传输媒介，通讯信道既是基于rs485的半双工串行接口,也是基于uart的全双工串行接口,基于tcp连接的全双工数据流；
[0091]
(11)基础协议不规定终端平台，即终端平台是pc机、工控机、嵌入式系统中的任何可编程部分。
[0092]
进一步的，功耗管理：设计3种不同的工作模式：
[0093]
(1)当无线灌浆地表抬动监测值变化率小于临界值k1，则无线灌浆地表抬动仪的工作周期为2s；
[0094]
(2)当地表抬动监测值变化率大于临界值k1而小于临界值k2，则无线灌浆地表抬动仪的工作周期为1s；
[0095]
(3)当地表抬动监测值变化率大于临界值k2，则无线灌浆地表抬动仪的工作周期为0.5s；
[0096]
实现低功耗进一步的对cpu和片内外设进行管理，不使用时使得设备处于低功耗状态，分别对系统外设和cpu做工作状态管理，降低功耗：
[0097]
1)外设低功耗设计：首先通过单片机控制脚置位，打开ad转换模块，读取相关转换值后，关闭ad转换模块；然后cpu对数据进行运算；接着运算完毕后，打开无线发射模块进行数据发送，数据发送完毕后关闭无线发送模块，所有的外设均设置了低功耗模式；
[0098]
2)cpu的低功耗设计：通过定时器件的唤起来实现，结合无线灌浆地表抬动仪的三种工作状态设计软件控制流程图如下，如果抬动变化速率大于临界值则修改定时器后休眠，否则直接休眠cpu，通过定时器唤起cpu的工作。
[0099]
与现有技术相比，本技术的创新点和优势在于：
[0100]
第一，本技术解决了工程实际施工中的两个问题：一是失水回浓状态下的累计灰量计量不准确，二是有线抬动监测不支持多个施工部位同时施工的要求。本技术新型灌浆智能记录仪创造性的采用双向密度计大循环灰量灌浆方式计量灌入地层的真实灰量，为了减小测量误差，采用变频器控制旁路抽浆泵的排量，使旁路的流量和回浆的流量一致，从而使流经两个密度计的浆液流态也相近，这样测量的数据更加准确。合理的运用了无线通讯技术，通过小型自组网络实现单个抬动监测点支持多个灌浆施工作业面同时施工的要求。
[0101]
第二，本技术采用双支比重计大循环灰量灌浆方法解决灰量计量失真的问题，采用旁路循环支路使得误差满足工程需求，采用无线网络传感器对现有无线灌浆地表抬动仪进行改进，使其成为一款不带有任何外部连接线的电池供电系统，通过小型无线网络使抬动监测数据供给多个作业面使用；改造后的无线抬动设备采用电池供电，续航时间5至7天；能够连接4个灌浆智能记录仪的通道，即可将监测数据同时提供给4个作业面；信号覆盖面积为600平方米；数据传输异常中断报警，低电压报警，并恢复报警前的数据。通过这些针对性的关键技术的改进措施，新型灌浆智能记录仪将能够满足普通地质条件和特殊的“失水回浓”地质条件下的施工要求，进行准确的计量，进而真实的反应地质情况；多个灌浆智能记录仪能够接收到某单个抬动测量孔的地表抬动位移值，使影响多个灌浆作业面同时施工的技术瓶颈得以解除。
[0102]
第三，提出了双支向进出密度计大循环灰量灌浆方法，一是基于双支向进出密度计的灌浆，二是基于双支向进出密度计的灌浆智能记录仪，灌浆智能记录仪的施工装置和设备进行改进，使其能够适用与回浆返浓条件的准确计量，保证施工资料的准确性，通过对灌浆工艺进行数据分析，测量在不同条件下的灰量的计量误差，通过误差分析，找到灰量计量失真的原因并通过改进计算方法获得接近真实值的灌浆方法。，采用变频器控制旁路抽浆泵的排量，使旁路的流量和回浆的流量一致，解决了失水回浓现象时，无法准确计量耗灰量的问题。
[0103]
第四，提出了无线灌浆地表抬动仪：一是无线灌浆地表抬动仪整体架构，二是无线灌浆地表抬动仪的电气设置，三是无线灌浆地表抬动仪的软件算法；改进zigbee对抬动监测设备进行无线改造，并采用电池供电，改造后的抬动仪外型上没有任何连接线，同时通过zigbee的小型自组无线网络实现一个抬动点的监测数据提供给多个施工作业面使用，解决每个抬动监测数据只能绑定一个灌浆施工作业面施工的问题。
附图说明
[0104]
图1是常规灌浆记录仪记录失水回浓累计灰量差值变化图。
[0105]
图2是主路式双密度计的大循环灌浆方法示意图。
[0106]
图3是旁路式双密度计的大循环灌浆方法示意图。
[0107]
图4是含双支密度计的灌浆自动记录仪的系统结构示意图。
[0108]
图5是采用hsnr201设计ad隔离电路示意图。
[0109]
图6是灌浆记录仪与变频器硬件接线示意图。
[0110]
图7是改进后的地表抬动装置整体设计图。
[0111]
图8是无线地表抬动仪的结构框图。
[0112]
图9是无线地表抬动仪模块工作电流图。
[0113]
图10是无线地表抬动仪工作功率变化图。
[0114]
图11是无线地表抬动仪网状网组网结构图。
[0115]
图12是电感式位移传感器温度漂移示意图。
[0116]
图13是定义帧数据的结构示意图。
[0117]
图14是无线灌浆地表抬动仪三种工作状态软件控制流程图
[0118]
具体实施方法
[0119]
下面结合附图，对本技术提供的水利施工水泥灌浆无线智能记录仪改进方法的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员能够更好的理解本技术并能够予以实施。
[0120]
水泥灌浆是基础处理最有效的方法之一，在水利水电工程领域应用尤为广泛。灌浆记录仪是实时记录灌浆进程中灌浆压力、注入量、浆液密度等的计量监测仪器，是帮助现场施工及监理人员控制灌浆质量和工程计量的有力手段。灌浆记录仪自动记录灌浆参数，真实客观的记录能够帮助工程管理者准确的了解工程情况。
[0121]
现有技术的灌浆记录仪深入使用过程中存在以下两个问题：一是对于施工过程中出现失水回浓现象，无法准确的进行灰量计算；二是抬动监测方式为有线方式，每个抬动监测数据只能绑定一个灌浆施工作业面，影响施工效率。为了完善过程管理，提高施工效率，需要对上述两个问题进行合理解决。
[0122]
本技术结合灌浆记录仪灰量测量方法，在大循环管路中安置双支向进出密度计，分别计算进浆灰量和回浆灰量，利用进浆灰量与回浆灰量做差获得真实的灌灰量，解决失水回浓现象时，无法准确计量耗灰量的问题；改进zigbee对抬动监测设备进行无线改造，并采用电池供电，改造后的抬动仪外型上没有任何连接线，同时通过zigbee的小型无线网络实现一个抬动点的监测数据提供给多个施工作业面使用，解决每个抬动监测数据只能绑定一个灌浆施工作业面施工的问题，避免施工干扰，提高施工效率。
[0123]
最后对研制的新型灌浆智能记录仪的适用性、故障率、计量精度、施工效果等多个方面进行了测试。测试的结果证明，新型灌浆智能记录仪满足工地施工生产的实际需求。
[0124]
一、双支向进出密度计大循环灰量灌浆方法
[0125]
(一)失水回浓状态下常规灌浆智能记录仪存在的问题
[0126]
水泥灌浆工程现在一般采用单支密度计，且安装在灌浆孔后大循环方式进行灌浆，这种方式在失水回浓的情况下灰量计量不准确，必须采取新的方法测量这种特殊情况的灌灰量。
[0127]
工程建设中，由于工程地质条件复杂地质特殊，在灌浆生产过程中，可能出现密度计显示浆液密度不断上升，并且达到一个比级及以上并持续变浓的情况。出现失水回浓或回浆返浓，出现该情况时，浆液较快变浓，容易产生孔内事故，如钻杆被抱死等。
[0128]
出现失水回浓,一般是由于在灌浆生产过程中，地层的裂缝对水和水泥颗粒选择性通过，水相对容易渗入裂隙，当渗入裂隙的水明显多于水泥颗粒时，失水回浓的现象就会发生，该现象表现在回浆桶中的浆液密度显著上升。由于灌入岩层裂隙的水占较大比例，但是现有灌浆智能记录仪，通过累计流量和密度计算灰量的方式，却会计算出大量的耗灰量，这种计算得出的结果明显与实际不符，对工程数据分析及工程质量产生较大影响。
[0129]
本技术选取灌浆中出现失水回浓记录段，进回浆流量差在10至15l/min，记录时长为15分钟，起始灌浆密度为1.35kg/l的3组曲线进行分析，得到如图1所示的曲线。
[0130]
经过测量系列1的终止密度为1.58kg/l，系列2的终止密度为1.55kg/l，系列3的终止密度为1.60kg/l，结合图1可以推断出以下推论：
[0131]
(1)随着时间的推移，记录仪计算的耗灰量与实际耗灰量的差值越来越大，仅15分钟后，都已经超过30kg；(2)回浓速度越快则累计灰量差值越大；(3)从曲线斜率上分析，随着时间的推移，累计差值变化率变大。
[0132]
产生这种明显计算差值的原因在于在失水回浓的条件下施工，水泥浆液中的水渗
入地层的速度明显的快于水泥颗粒，导致浆液密度逐步增大，使灌浆孔前和灌浆孔后的水泥浆的密度不一致，然而现有的灌浆智能记录仪无法对这一动态过程进行合理的监测，导致对实际灌灰量进行了错误的计算，使设备计量的灌灰量和实际灌灰量存在较大差异。
[0133]
(二)基于双支向进出密度计的灌浆
[0134]
1.主路式双向密度计
[0135]
大循环出现回浆返浓的情况，说明浆液的浓度在循环管路中已发生明显变化，而这个变化发生的转折点就发生在浆液进入灌浆孔后，如果能对测量方式进行改进，使得循环系统能够分别对进入和返出灌浆孔的浆液密度进行监测，才有可能解决在大循环模式下，出现失水回浓状态时的灌灰量计算失真的问题。基于上述分析，改进密度计灌浆孔大循环得到主路式双向密度计灌浆方法，如图2所示。
[0136]
本技术基于大循环灰量灌浆安装两只密度计，分别测量进浆的密度和回浆的密度，反应水泥浆经过灌浆孔后密度发生的变化，采集2路流量信号，2路密度信号，1路压力信号，灌浆记录仪多采集1路密度信号；
[0137]
设进入灌浆孔的水泥灰量为c1，返出灌浆孔的水泥灰量为c2，基于质量守恒实际灌灰量c如式1所示：
[0138]
c＝c
1-c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
[0139]
按照图2，设密度计密度为ρ1，进浆流量为q1，灌浆时间为t，水泥干灰密度为r，得到进入灌浆孔的水泥灰量c1如式2所示：
[0140]
c1＝q1tr(ρ
1-1)/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式2
[0141]
同理按照图2，设置密度计密度为ρ2，回浆流量为q2，灌浆时间为t，水泥干灰密度为r，得到返出灌浆孔的水泥灰量c2如式3所示：
[0142]
c2＝q2tr(ρ
2-1)/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3
[0143]
将式2、式3代入式1得到实际灌灰量c如式4所示：
[0144]
c＝tr(q1ρ
1-q
1-q2ρ2 q2)/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式4
[0145]
其中ρ1和ρ2的测量根据式5进行计算，修正黏度引起的误差：
[0146]
ρ＝p/(gh 1/2v2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式5
[0147]
式中p为压力传感器读数，v为水泥浆流速，g为重力加速度，h为测量桶的测量高度，其中p，v为测量值，按照图2的方式进行管路连接，对进浆灰量和返浆灰量分别进行计算，使两者做差，得到实际耗灰量。
[0148]
如果按照该图2的设计，增加一路采集通道，根据图所示的双向密度计大循环灰量灌浆方法进行管路连接，仪器采集两路流量，两路密度，一路压力，用记录仪对测量过程进行记录，对系统的可行性进行测试，测试条件如下：
[0149]
(1)按照正常灌浆过程1.21kg/l密度进行开灌；
[0150]
(2)回浓一个比级(1.34kg/l)后进行计算灰量误差；
[0151]
(3)实际耗灰量按照搅拌桶内浆液密度以及进尺进行计算；
[0152]
(4)对比的耗灰量按照灌浆智能记录仪记录数据进行计算；
[0153]
(5)灌浆泵的排量为75l/min。
[0154]
得到对应曲线。
[0155]
经过实际对比测试得到以下推论：
[0156]
(1)对比组灰量计算基本符合失水回浓状态下的灰量累计曲线特征；
[0157]
(2)对比耗灰量和实际耗灰量之间存在6至7％的误差；
[0158]
(3)误差的产生存在于灌浆过程的前20分钟；
[0159]
(4)所有的误差为正向误差。
[0160]
产生6至7％误差的原因：水泥浆从高压区经调节阀1出来后有附加压力，具有黏性的水泥浆在管道中流动会和管道产生摩擦，因为摩擦而产生的阻力会使压力损失，这种压力损失为沿程压力损失，它和管道的长度、水泥浆的流动速度及粘度相关，由于施工的需要密度计2距离高压区距离较长，在20米以上，流经密度计2压力已损失完，流态平稳，密度计2的测量误差很小；而密度计1距离高压区距离较短，只有2到3米，水泥浆流经密度计1时压力没损失完，流态不稳定，因而造成密度计1的测量值高于实际值，从而使计算的灰量误差增大。
[0161]
密度1工作时调节阀应尽量开到最小，实际施工时因为人为的因素，做不到这点，这也是造成测量值偏高的原因。
[0162]
对这些推论分析后，本技术认为该设计的对比耗灰量和实际耗灰量差距较大，无法满足工地上实际的测量需求，需要对测量方法进一步优化，使得误差范围能够控制在3％以内。
[0163]
2.优化后的旁路式双向密度计
[0164]
首先解决附加压力产生误差问题，按图2的接法，加长高压区到密度计1的距离虽也可以解决附加压力的问题，前提是的调节阀1分流的流量不能太大，否则动压头1/2pv过大，而流经密度计1的水泥浆的流速无法测量，又会造成误差。实际施工时,施工单位追求经济效益，把调节阀1的分流流量开得很大，人为造成误差,因此这种方法有很大的弊端。
[0165]
本技术不从高压区分流，在灌浆桶和灌浆泵之间的低压区分流，从低压区分流的水泥浆基本没有附加压力，采用这种办法分流没有动力，需要加一个抽浆泵。这样存在另外一个问题：流经密度计1的水泥浆的流速未知，动压头无法测量，加一个流量计测量成本太高，还增加一个故障点(流量计的故障率很高)。另外增加一个变频器控制抽浆泵，使流经密度计1的流量和流经密度计2的流量一致，这样从循环管路中分离出来，单独形成一只回路，如图3所示。
[0166]
基于主路式双向密度计大循环灰量灌浆方法，系统的循环旁路设计在低压区，循环旁路的流量由抽浆泵和变频器控制，抽浆泵的流量随着流量计2的变化而变化，密度计1安装在循环旁路上，测量的的是灌浆桶内的浆液密度，理论上等于进浆密度；密度计2安装在主循环的回浆流量计之后，计算的是回浆密度；灌浆智能记录仪采集流量计2的流量，并通过控制技术控制抽浆泵的流量，使得流经密度计1和密度计2的浆液流量和流态大体一致，由此消除因两个密度计附加压力和流态不同而造成的误差。
[0167]
(三)基于双支向进出密度计的灌浆智能记录仪
[0168]
1.系统架构
[0169]
系统包括1台灌浆智能记录仪主机，4种传感器，1台变频器，1套抽浆泵，传感器包括压力传感器、密度传感器、流量传感器和位移传感器，主机包括msp430f5438处理器、人机界面、传感器输入接口、打印机接口和变频器接口等，如图4所示。
[0170]
2.ad隔离电路
[0171]
采用hsnr201设计ad隔离电路。如图5所示。其中i ，i-为电流输入，接入4至20ma输出的传感器，r5为采样电阻，r1，r2为输入电阻，r7为限流电阻，z1齐纳二极管保护输出不过压，r3，r4，r9构成反馈电阻,r9调节放大系数。
[0172]
单片机内部集成12位a/d转换电路，模拟信号直接通过接口与单片机相连进行a/d，有效防止外界的各种干扰，避免将输出电路的噪声引入其它回路，将测量系统和单片机系统进行有效的电气隔离。
[0173]
3.单片机与变频器链接
[0174]
采用2.2kw变频器，利用电力电子半导体器件控制通断变换频率，设置pid算法和modbus串口控制协议，励磁部分采用igbt控制，磁场进线熔断器和电抗器也集成在变频器中，磁场部分采用三相进线供电方式，直接取自为电枢供电的三相电源。
[0175]
采用rs485传输通信，数据传输信号采用差分传输方式，变频器和灌浆智能记录仪之间通过485转换模块进行连接，如图6所示。
[0176]
灌浆智能记录仪的串口首先和485转换模块连接，然后由485模块连接acs400的通讯端子，485转换模块同变频器的通讯端子的连接线采用屏蔽线，其中scr脚连接屏蔽层，单片机把控制的频率数据通过modbus协议通讯送入到变频器的寄存器中，根据抽浆泵q＝f(f)曲线，q为流量输出，f为频率输入，功率2.2kw，控制流量，具体实现方法如下：
[0177]
第一步：根据抽浆泵q＝f(f)曲线,单片机计算流量和频率之间的对应关系；
[0178]
第二步：单片机采集回浆流量计的流量因子，通过流量和频率之间的对应关系，换算出应送入变频器的频率因子；
[0179]
第三步：将获得的频率因子通过modbus协议进行封装，用单片机的串口传输到变频器的寄存器中；
[0180]
第四步：抽浆泵获得相应频率的电压调节支路循环流量输出；
[0181]
步骤执行完1次后，从第二步进行循环，到第四步后进行下一次循环，整个过程开环控制，控制精度5％-10％。
[0182]
4.软件结构
[0183]
基于功能分块、结构分层设计，软件系统划分为3个层次，分别是应用层、设备驱动层、基础层，应用层管理算法，设备驱动层管理和单片机连接的外部设备，基础层管理单片机内部资源。
[0184]
二、无线灌浆地表抬动仪
[0185]
由于灌浆施工工期一般较紧，常需要对多个灌浆施工作业面进行抬动监测，采用传统的有线的抬动传输方式存在以下几个弊端：
[0186]
(1)有线抬动只能连接一个灌浆智能记录仪通道，不能把数据提供给多个灌浆智能记录仪，不能支持多个需要抬动监测的作业面同时施工；
[0187]
(2)有线抬动设备存在线缆，灌浆作业常常有大型设备移动，难免挂到或挂伤线缆，对正在监测的数据产生不良影响。
[0188]
(一)无线灌浆地表抬动仪整体架构
[0189]
对上述不足进行针对性的改进，改进后的地表抬动装置整体设计如图7所示。
[0190]
无线灌浆地表抬动仪整体架构改进设计包括：一是整个装置采用电池供电，没有任何外部接线；二是设备带有无线发射器，便于信号传输，发射信号采用zigbee无线传输方
式；三是外保护罩为金属骨架嵌套环氧树脂板，即有一定的强度，又能保证信号的正常传输；四是电气部分采用架空设计，有一定的防水淹的能力；五是同时将测量数据发送到4个记录仪通道，使得四个相关作业面同时施工。
[0191]
(二)无线灌浆地表抬动仪的电气设置
[0192]
1.系统组成
[0193]
无线灌浆地表抬动仪的电气设置有5个部分组成，包括：电源管理模块、数据采集模块、数据发送模块、cpu模块和ad采集模块。其结构图如图8所示。
[0194]
电源管理为无线数据发送模块、数据采集模块(电感式位移传感器)以及cpu模块提供供电电源，并且对电池进行充电管理；数据发送模块负责无线抬动采集器和灌浆智能记录仪主机之间通讯；数据采集器将地表的微小抬动位移转化为电压信号送入cpu模块，本技术对cpu模块和ad采集模块的选型包括：
[0195]
s1：cpu模块采用msp430f149芯片，低功耗模式，适合开发电池供电的电子系统；
[0196]
s2：数据采集模块采用低噪声，低漂移的24位ad7192转换器，内部集成温度传感器，并且亦可设置低功耗模式；
[0197]
s3：数据发送模块采用zigbee发送模块，通过无线组网的模式实现一个抬动孔对多个灌浆作业面的无线数据传输。
[0198]
2.工作流程方式
[0199]
无线灌浆地表抬动仪采用电池供电，这就要求设备有一定的功耗管理方案，本技术电池工作的设计时间为1周。无线灌浆地表抬动仪模块工作电流表如图9所示。
[0200]
电源管理芯片的效率为65％，如果不对相关模块的工作模式进行管理，工作一周需要的电量为(3 40 90 35)ma*24h*7/0.65＝43421mah，按照这种电量，市面上很难找到一款合适并且安全的电池。
[0201]
设计一种通过休眠唤醒的工作模式来降低设备功耗，监测的地表抬动位移是一个变化相对缓慢的物理量，本技术设计定时器中断来唤起cpu模块的工作，设置定时器产生中断产生的周期为t，完成一次数据采集的时间为130ms，完成一次数据发送的时间为20ms，cpu模块唤起时间为5ms，抬动系统工作示意图如图10所示。
[0202]
完成一次采集发送的时间为155ms，根据工作情况中断产生频率分为3个分档：如果抬动变化小于等于1um，则定时器t产生中断的周期为2s，这种情况最多，占监测周期的65％；如果抬动变化小于3um而大于1um，则定时间t产生中断的周期为1s,占监测周期的25％；如果抬动变化大于3um，则定时器产生中断的周期为0.5s，占监测周期的10％；按照t＝1s的周期来计算功耗，则总功耗为6720mha，根据计算结果，选择容量为10ah，供电电压为12v的蓄电池满足整个系统的供电需求。
[0203]
3.ad采集
[0204]
设置高精密低噪声测量完整模拟前端，内置一个低噪声、24位∑
‑△
型模数转换器，片内低噪声增益级直接输入小信号，配置两路差分输入或四路伪差分输入，片内通道序列器多通道按顺序在各使能通道上执行转换，简化与器件的通信，片内4.92mhz时钟用作adc的时钟源；通讯方法采用spi通讯，通过spi时钟写入指令，然后读取相关数据。
[0205]
ad7192串行接口设置四个信号：cs、din、,sclk和dout/rdy，din线路将数据传输至片内寄存器中，dout/rdy则从片内寄存器中获取数据。sclk是器件的串行时钟输入，所有数
据传输(无论是din上还是dout/rdy上)均相对于sclk信号进行。
[0206]
dout/rdy引脚作数据就绪信号，当输出寄存器中有新数据字可用时，该线路变为低电平。对数据寄存器的读操作完成时，该线路复位为高电平，数据寄存器更新之前，该线路也变为高电平，以提示此时不应读取器件，确保寄存器正在更新时不发生数据读取操作，cs选择器件，在多个器件与串行总线相连的系统中，用cs对ad7192进行解码。
[0207]
4.电气无线网络
[0208]
无线网络模块采用基于zigbee的嵌入式sz05-adv模块，sz05-adv无线串口通信模块采用加强型的zigbee无线，集成符合zigbee协议的射频收发器和微处理器，通过无线zigbee进行组网通信，实现一点对多点或多点对多点之间的数据透明传输及中继转发作用，将模块分别设置为中心结点，中继路由和终端结点三种工作模式。
[0209]
芯片和单片机的连接设置3个管脚，其中rs232_tx0、rs32_rx0为数据通讯脚，sleep脚为功能脚，当不需要通讯的时,控制sleep将设备设置在休眠状态，d2至d4是工作状态指示灯，指示通讯模块的工作状态，单片机通过rs232_tx0、rs232_rxo通讯口将数据透明转发到目标设备上；
[0210]
整个组网方案采用多通道网状网进行组建，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，那么数据自动重新路由到一个通信流量较小的邻近结点进行传输，依此类推，数据包根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个结点进行传输，直到到达最终目的地为止，组网结构示意图如图11所示。
[0211]
三角形为工地现场安装的中心结点，圆形的灌浆智能记录仪设置成中继路由，中心结点和中继路由连接成为粗线条的骨干网，将无线灌浆地表抬动设置成终端结点，终端结点绑定到灌浆智能记录仪上加入网络，在不工作时退出网络。
[0212]
无线串口通信模块采用串口配置，配置按照以下步骤：
[0213]
步骤一：将模块插在评估板上，评估板与计算机相连，在计算机上安装串口超级终端软件，打开后将波特率设置为38400bps、数据位8、校验none、停止位1、流控无；
[0214]
步骤二：评估板上电,无线通信模块config跳线短接或外部控制线进入低电平状态3秒，系统进入配置状态；
[0215]
步骤三：按照串口软件一步步进行配置；
[0216]
步骤四：配置完毕后拔掉配置线，重启模块即正常使用。
[0217]
(三)无线灌浆地表抬动仪的软件算法
[0218]
包括：一是无线灌浆地表位移传感器因子的采集；二是无线灌浆地表抬动仪与灌浆智能记录仪的数据传输；三是无线灌浆地表抬动仪的功耗管理。
[0219]
1.位移因子采集
[0220]
ad模块定义功能函数为：u8 ad7192config(u8 channalmask,
[0221]
u8 set_gain,
[0222]
u8 lenth,
[0223]
u32 freq,
[0224]
void(*cbinread)(u32*buff,u16 tims))；
[0225]
其中u8 channalmask采样设备的通道，本系统设置1个采样通道；u16 set_gain设置增益,本系统设置的采样增益为l；u32 freq设置采样频率，本系统设置的采样频率为
100hz；(*cbinread)(u32*buff,u16 lenth)为回调函数指针,该回调函数设置两个因子，第一个是*buff指针，是单片机通过spi总线读取的温度返回值以及电压返回值，u16tims值采集次数，表示采集数据后返回的次数，采用回调函数法，把读取值的计算方法定义在应用层，ad7192的spi数据总线返回到单片机的数据格式为：数据前24位为ad数据，后8位为通道指示。
[0226]
数据结构的前24位为ad转换值，高位在前，低位在后，通道指示位指示数据是在哪个通道下进行转化以及工作模式。
[0227]
无线灌浆地表抬动仪采用电感式位移传感器，通过软件进行修正。
[0228]
电感位移传感器存在的温度漂移规律示意如图12所示。
[0229]
从图12来看电感位移传感器的温度漂移存在以下几个特点：
[0230]
(1)温度的改变不影响电感位移传感器输出曲线的线性；
[0231]
(2)温度影响电感位移传感器输出曲线的零点，温度升高，零点升高；温度降低，零点降低；
[0232]
(3)温度影响电感位移传感器输出曲线的斜率，温度升高，斜率变大；温度降低，斜率变小。
[0233]
由于电感式位移传感器的温度漂移大约为0.02-0.03um/℃，为保证测量精度，本技术每5℃对电感位移传感器输出曲线进行标定，标定的范围为0至60
°
℃,标定出12组曲线，根据直线方程式6所示：
[0234]ai
x biy c＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式6
[0235]
将标记后的[a1,b1]，[a2,b2]
…
[a
12
，b
12
]二阶矩阵存入数组中，其中c为因子，根据温度变化区间调用合适的因子获得真实值，设计的函数接口为：
[0236]
void correctionmv(u8 tmp，ul6 predat,u16 dat)
[0237]
其中u8 tmp为当前环境温度，u16 predat为未处理的传感器读数，u16 dat为处理后的传感器输出值；
[0238]
根据在不同温度条件下对传感器进行标定的数据，记录[a1,b1]，[a2,b2]
…
[a
12
，b
12
]二阶矩阵数据，然后将这些数据以二维数组存入单片机，由单片机调用，为验证误差，利用千分表的读数作为可靠值设备修正后的输出值记为xi，得到：
[0239][0240]
取n＝10，将10次测量的结果代入式7，得到平均标准偏差s＝0.8微米，现场测量要求误差为2至5微米，满足要求。
[0241]
2.无线灌浆地表抬动仪与灌浆智能记录仪的数据传输
[0242]
避免网络层的重发导致数据识别，通信协议为：
[0243]
(1)主从查询通信模式，即从设备不主动发送数据，而只提供查询/控制服务，全通信系统工作在client/server模式下；
[0244]
(2)协议转义符(前导符)：protocol_esc＝1b；
[0245]
(3)编码步骤：
[0246]
1)扫描原始数据所有字节，将原始数据中包括的非法字节转换为相对应的字节，
并在字节前面加上转义符；
[0247]
2)计算原始数据(不是转义后的数据)的和校验，并按照低字节前，高字节后的方式，加在数据的后面，如果计算后的和校验也包括非法字节，按1)的方法转义操作后再加入；
[0248]
3)在整个数据的头加上protocol_begin(1a)，在数据末尾加上protocol_end(1d)；
[0249]
(4)解码步骤：
[0250]
1)检查数据头和数据尾是否为protocol_begin(1a)和protocol_end(1d)，否则错而不解；
[0251]
2)去掉数据头和尾，扫描剩下的数据，凡是以protocol_esc(1b)开头的，则检查跟随的字节是否为esc字节，是则反转义为对应的原始字节，否则错误或抛弃此字节；
[0252]
3)截取最后两字节为校验位，并计算前面剩余的所有字节的和校验，如果两者的值相等，则接收正确，否则为错；
[0253]
(5)定义帧数据的结构如图13所示；
[0254]
(6)通讯帧遵从应答，三次重发机制，应答帧同样遵从上述帧结构，帧命令字全部定义为偶数，针对该命令的应答帧命令字为原命令字加一；
[0255]
(7)帧数据长度可以为0，既可以为带数据(因子)的帧，也可以为不带数据(因子)的帧；
[0256]
(8)接收方根据发送方id和接收方id的内容和帧序号来决定是否回应数据帧；
[0257]
(9)在帧数据被发送完毕后，盼望500ms内能够收到应答(确认)帧，如果没有收到，则进行重发，同样等待约500ms，重发次数一般限制为3次，如果仍未收到应答，则确认通讯失败；
[0258]
(10)基础协议不规定传输媒介，通讯信道既是基于rs485的半双工串行接口,也是基于uart的全双工串行接口,基于tcp连接的全双工数据流；
[0259]
(11)基础协议不规定终端平台，即终端平台是pc机、工控机、嵌入式系统中的任何可编程部分。
[0260]
其中第(6)、(8)条机制，保证数据在传输过程中不会出现识别错位的错误。
[0261]
3.功耗管理
[0262]
设计3种不同的工作模式：
[0263]
(1)当无线灌浆地表抬动监测值变化率小于临界值k1，则无线灌浆地表抬动仪的工作周期为2s；
[0264]
(2)当地表抬动监测值变化率大于临界值k1而小于临界值k2，则无线灌浆地表抬动仪的工作周期为1s；
[0265]
(3)当地表抬动监测值变化率大于临界值k2，则无线灌浆地表抬动仪的工作周期为0.5s；
[0266]
实现低功耗进一步的对cpu和片内外设进行管理，不使用时使得设备处于低功耗状态，分别对系统外设和cpu做工作状态管理，降低功耗：
[0267]
(1)外设低功耗设计
[0268]
外部设备低功耗的设计流程：首先通过单片机控制脚置位，打开ad转换模块，读取
相关转换值后，关闭ad转换模块；然后cpu对数据进行运算；接着运算完毕后，打开无线发射模块进行数据发送，数据发送完毕后关闭无线发送模块，所有的外设均设置了低功耗模式。
[0269]
(2)cpu的低功耗设计
[0270]
cpu的低功耗是通过定时器件的唤起来实现，结合无线灌浆地表抬动仪的三种工作状态设计软件控制流程图如下，如图14所示。如果抬动变化速率大于临界值则修改定时器后休眠，否则直接休眠cpu，通过定时器唤起cpu的工作。
[0271]
三、新型灌浆智能记录仪的测试及分析
[0272]
(一)新型灌浆智能记录仪测算灰量的测试
[0273]
1.计量普通灌浆施工的灰量情况
[0274]
新型灌浆智能记录仪的研制的目的是为了解决灌浆实际施工发生失水回浓的情况时，普通灌浆智能记录仪记录灰量存在较大误差的问题，所以研制的新型灌浆智能记录仪也必须满足普通灌浆施工的现场使用要求。
[0275]
(1)设备故障率分析
[0276]
设置一套本技术新型灌浆智能记录仪和一套普通灌浆智能记录仪，在某水电站二道坝固结灌浆区域的3单元和4单元进行灌浆施工，工期为30天。本技术新型灌浆智能记录仪记数据记为a组，普通灌浆智能记录仪记为b组。设备故障率如表4-1所示。
[0277]
根据a、b组数据对比可以获得如下信息：
[0278]
(1)a、b两组数据的施工强度大致相同，大约为18小时/天；
[0279]
(2)管路，主机，流量计压力机，打印机产生的故障在改造前后没有明显变化；
[0280]
(3)密度计量故障由于4次上升到5次，其它故障也对应升高；
[0281]
(4)设备的mtbf由51小时下降到37小时。
[0282]
对这4条进行进一步的分析：
[0283]
(1)新型的灌浆智能记录仪增加了一个密度计，虽然密度计的故障数值上升了，但每个密度计的故障率上升不明显。
[0284]
(2)从其它故障来看，新型灌浆智能记录仪的其它故障上升2次，这两次都是由于抽浆泵再启动的时候出现了泵不工作的情况，产生的原因是由于水泥的附着导致，电机启动转矩不够，通过对泵进行清理排除故障。
[0285]
(3)由于故障总数提高了，mtbf出现较明显的下降，但是对于水泥灌浆施工，对传感器及管路进行适当的清理和维护是必要的，只要每天对管路清理一次，可以防止这些故障的发生。
[0286]
(2)设备测量精度分析
[0287]
设置一套本技术新型灌浆智能记录仪和普通灌浆智能记录仪，对某水电站二道坝固结灌浆区域的5单元的灌浆资料的灰量进行统计，其中新型灌浆智能记录仪记数据记为a组，普通灌浆智能记录仪记为b组；对施工后的灌浆资料选取10份样本，对样本的累计灌灰量进行分析。
[0288]
a、b两组各取10份灌浆资料，按照灌浆时间长短进行排列，根据测量结果，a组累计灰量之和为2080.4kg，b组累计灰量之和为2102.5kg，c组实际灌灰量之和为2044.1kg。a组的平均相对误差为1.7％；b组的平均相对误差为2.8％，两者差1.1％，差别不是很大，新型灌浆智能记录仪测量的数据更加准确，都满足现场施工计量精度要求。
[0289]
2.失水回浓灌浆施工的灰量计量测试和效果分析
[0290]
(1)设备测量精度分析
[0291]
本方案对进浆累积灰量、回浆累积灰量分别计量后，再对实际灌入灰量进行计算，解决了在失水回浓现象时，传统记录仪将大量的水当做灰进行计算的问题。为了更准确的了解新型灌浆智能记录仪在失水回浓现象时灰量计量的情况，在现场选取10段对照施工进行测试。
[0292]
将开灌时灌浆桶容浆液体积计为vm，灌浆结束后灌浆桶内剩余浆液体积计为v1，设v
c1
为灌浆桶到灌浆孔进口的输浆管体积，v
c2
为灌浆孔内钻杆容积和灌浆孔出口到回浆密度计的输浆管体积，其中灌浆桶内浆液密度和进浆密度为ρ1，回浆密度为ρ2，ρ1和ρ2用精度等级为1的泥浆密度计测量，水泥密度r为常数，取3.14kg/l，该机组的输浆管每米为1.2l，灌浆孔钻杆每米为4l，则开灌时总灰量c如式8所示：
[0293]
c＝(vm v
c1
v
c2
)
×
(ρ
1-1)
×
r/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式8
[0294]
总灰量是累计量，灌浆量大的时候要多次测量累加，发生失水回浓，灌浆结束后，记入剩余灰量c0如式9所示：
[0295]
c0＝v
c2
×
(ρ
2-1)
×
r/(r-1) (v
l
v
c1
)
×
(ρ
1-1)
×
r/(r-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
式9
[0296]
得到实际灌灰量为总灰量c和剩余灰量c0的差值。
[0297]
根据以上分析，这10段对照施工的测试结果。对数据进一步分析得出：在失水回浓的情况下：浆液密度很快增大，普通记录仪测量的误差较大，平均相对误差为7.5％，而且误差的变化范围也很大，失水回浓的速度越快，计量越不准确，不能满足工程对灌灰量的计量要求；新型记录仪测量的误差较小，平均相对误差为2.6％，满足工程对灌灰量的计量要求，改进后的设备精度提高了近5％，说明用双向密度计大循环的灌浆方法计量灌灰量是可行的；
[0298]
本技术新型灌浆智能记录仪在普通灌浆，失水回浓状态下的灌浆都能够较为准确的进行计量，满足施工要求，解决了实际施工中的问题，为工程施工提供了准确的数据，为工程管理者的决策作出有力支持。
[0299]
(二)新型地表抬动仪的性能测试
[0300]
本技术选用三种测量设备：a组采用新型地表抬动仪测量，b组采用千分表测量，c组采用光栅尺测量，三种测量设备安装在同一个抬动观测孔的主测量钢管上进行测量，所有传感器安装的起始位置为0.8毫米，进行24小时的连续监测。
[0301]
由于光栅尺的精度最高，本技术选取光栅尺曲线作为标准(c组)，对比分析后发现曲线呈现以下特征：(1)在温度的变化的情况下，a,b,c三组曲线保持了较高的一致性。(2)在抬动变化较快的阶段，三种测量方式几乎没有差异；(3)在抬动变化较慢的阶段，三种测量方式出现微小的差距；如果以c组读数曲线作为基准，a组(新型地表抬动仪)的最大误差不超过2微米。
[0302]
综合以上，以电感式位移传感器作为测量核心的新型地表抬动仪经过添加修正算法后，能够用于对施工部位的地表抬动位移进行连续监测，几乎不受温度影响，测量精度较高。