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基于RS-485總線(xiàn)的土工膜水力性能測(cè)試系統(tǒng)
摘要:介紹了一種土工膜水力性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法。該系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線(xiàn)連接上位機(jī)與89C52單片機(jī)(下位機(jī)),實(shí)現(xiàn)了土工膜水力性能測(cè)試系統(tǒng)。下位機(jī)可完成自動(dòng)加壓和對(duì)壓力、水量、時(shí)間的自動(dòng)測(cè)定;上位機(jī)與多個(gè)下位機(jī)通信,對(duì)其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、制表打印、顯示存儲(chǔ),提高了測(cè)量精度,減少了測(cè)試時(shí)間。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(xiàn)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(xiàn)繪制等功能,滿(mǎn)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(mǎn)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),如圖1所示。
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。測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖2所示。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(zhuān)用的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器,形成RS-485總線(xiàn)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(xiàn)。
3 通訊協(xié)議
通訊協(xié)議采用半雙工異步通訊方式。數(shù)據(jù)格式為:1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。幀格式包含呼叫幀和數(shù)據(jù)幀。呼叫幀由上位機(jī)發(fā)出,其格式為:起始字符,下位機(jī)地址,停止字符等。數(shù)據(jù)幀是下位機(jī)對(duì)上位機(jī)呼叫的響應(yīng),上位機(jī)呼叫地址與下位機(jī)地址一致時(shí),下位機(jī)才發(fā)送數(shù)據(jù)幀,每一時(shí)刻只有一臺(tái)下位機(jī)和上位機(jī)通訊。數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。
表1 數(shù)據(jù)幀格式
其中,狀態(tài)字段是當(dāng)前的測(cè)試狀態(tài),每位表示的功能及操作如表2所示。
表2 狀態(tài)字段各位含義
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