基于RS485總線的土工膜水力性能測(cè)試系統(tǒng)

土工膜主要應(yīng)用于防滲工程中。它的滲透系數(shù)和耐靜水壓是土工膜水力性能的主要指標(biāo)，因此在質(zhì)量檢測(cè)中是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的必測(cè)項(xiàng)目。在工程應(yīng)用中，土工膜在一定水壓下不能破裂，還要保證最小的滲透率，防止水的流失。為了在施工前就能確定某一種土工膜是否符合工程需要，必須在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)所使用的土工膜進(jìn)行測(cè)定。其測(cè)試裝置要求較高，測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求每組試樣不得少于五塊。2001年作者等人承擔(dān)了河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目“土工膜水力性能測(cè)試儀的研制”，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)手動(dòng)/自動(dòng)測(cè)試功能。但由于選取試樣多，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，每塊試樣需要數(shù)小時(shí)才能完成，每組實(shí)驗(yàn)需要兩天，因此在原測(cè)試儀的基礎(chǔ)上，采用RS-485總線通訊方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多臺(tái)測(cè)試裝置（五臺(tái)）進(jìn)行控制，大大縮短了測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)量精度，并由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試參數(shù)的制表打印、曲線繪制等功能，滿足了實(shí)際要求。

1 測(cè)試原理

土工膜在一定水力壓差作用下將產(chǎn)生微小滲流。在規(guī)定水力壓差（一般為100kPa）下，測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)試樣的滲變量，然后即可根據(jù)試樣厚度計(jì)算出滲透系數(shù)及透水率。滲透系數(shù)和透水率可按（1）式、（2）式分別計(jì)算。

K=v·T/(t·A·Δp)

ψ=v/(t·A·Δp)

式中，K為滲透系數(shù)；ψ為透水率，單位為m2/s；v為時(shí)間t內(nèi)的滲流量，單位為cm3；T為試樣厚度（實(shí)驗(yàn)壓力Δp下），單位為cm；t為測(cè)定時(shí)間，單位為s；A為有效流流面積，單位為cm2；Δp為試樣兩側(cè)的水力壓差，單位為cm。

在測(cè)試裝置的高壓倉(cāng)中注滿水，放上經(jīng)過(guò)充分浸泡濕潤(rùn)的土工膜試樣，并利用網(wǎng)絡(luò)使試樣保持一定形狀，連接低壓倉(cāng)，注入一定量的水。在高壓倉(cāng)中有一個(gè)和加壓氣源相通的氣囊，通過(guò)調(diào)節(jié)氣源的壓力，使氣囊膨脹，在高壓倉(cāng)產(chǎn)生壓力，使試樣兩側(cè)建立起一定的壓差。

試樣測(cè)試直徑為φ=16cm，有效測(cè)試面積為201cm2，壓力在0～1.6MPa之間連續(xù)可調(diào)。上述加壓裝置在試樣兩側(cè)建立一定的壓差，通過(guò)高壓倉(cāng)上安裝的壓力傳感器檢測(cè)出壓力信號(hào)送入下位機(jī)。在一定壓差情況下，用標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)計(jì)量管及光柵位移傳感器測(cè)量出時(shí)間t內(nèi)的滲流量V，求出滲透系數(shù)。通過(guò)改變壓差來(lái)測(cè)定不同水力壓差條件下的滲透系統(tǒng)。在土工膜兩側(cè)的壓差達(dá)到一定值后，土工膜就會(huì)破裂。耐水靜壓的測(cè)定是通過(guò)逐級(jí)增加試樣兩側(cè)的水力壓差并保持一定時(shí)間實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)滲透急速增加時(shí)，表明試樣受到破壞，通過(guò)下位機(jī)采助記歌到這時(shí)的壓差值，那么前一級(jí)壓差值就是試樣的耐水靜壓值。如果只需判定試樣是否能達(dá)到某一規(guī)定耐靜水壓值，則可直接加壓到此壓差值，并保持兩小時(shí)。如果土工膜沒(méi)發(fā)生破裂，就判定試樣符號(hào)此耐靜水壓值的要求。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T17642-1998規(guī)定，有效滲流面積A≥200cm2。把高低壓倉(cāng)的口徑及網(wǎng)絡(luò)的有效滲流面積設(shè)計(jì)為A=201cm2，符合國(guó)標(biāo)GB/T17642-1998的要求。

2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由三部分組成：測(cè)試裝置、下位機(jī)、上位機(jī)。

2.1 測(cè)試裝置

測(cè)試裝置包括：高壓倉(cāng)、低壓倉(cāng)、氣囊、氣源、進(jìn)氣孔、注水口、網(wǎng)絡(luò)、加壓裝置、水量、壓力檢測(cè)等。其功能主要是放置土工膜試樣、調(diào)節(jié)壓力、建立壓差、輸出壓差信號(hào)、檢測(cè)滲透水量及水量突變等。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T17642-1998的要求，滲透水量測(cè)定范圍為0～3.7ml，精度為1/1000；壓差值測(cè)試面積為201cm2，壓差在0～1.6MPa之間連續(xù)可調(diào)；壓力傳感器工作電壓為6V，量程為0～1.6MPa，精度為1/1000。

2.2 下位機(jī)

以單片計(jì)算機(jī)89C52為核心，并配置由10位A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、功能按鍵、MAX487組成的RS-485接口等，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)的設(shè)定，對(duì)壓力、水量、時(shí)間的測(cè)定和與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。按鍵用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)定以及啟、停等功能控制，壓力傳感器用來(lái)檢測(cè)壓力，電動(dòng)調(diào)壓閥用來(lái)控制加壓裝置以使壓力保持恒定，位移傳感器用來(lái)檢測(cè)滲水量。其中，電動(dòng)調(diào)壓閥的控制采用光電耦合器，以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

2.3 上位機(jī)

利用PC機(jī)自帶的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，通過(guò)專用的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，形成RS-485總線與下位機(jī)的連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)測(cè)量過(guò)程的監(jiān)控，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、制表打印、繪制曲線。