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基于RS-485總線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RS-485總線連接上位機(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。關(guān)鍵詞：RS-485總線土工膜滲透系數(shù)耐靜水壓測(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)試過程復(fù)雜，國家標(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，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)試裝置的高壓倉中注滿水，放上經(jīng)過充分浸泡濕潤的土工膜試樣，并利用網(wǎng)絡(luò)使試樣保持一定形狀，連接低壓倉，注入一定量的水。在高壓倉中有一個(gè)和加壓氣源相通的氣囊，通過調(diào)節(jié)氣源的壓力，使氣囊膨脹，在高壓倉產(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，通過高壓倉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)。通過改變壓差來測(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)國標(biāo)GB/T17642-1998規(guī)定，有效滲流面積A≥200cm2。把高低壓倉的口徑及網(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、低壓倉、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，壓力傳感器用來檢測(cè)壓力，電動(dòng)調(diào)壓閥用來控制加壓裝置以使壓力保持恒定，位移傳感器用來檢測(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。
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
起始字符下位機(jī)地址狀態(tài)字段數(shù)據(jù)序列和校驗(yàn)停止字符8位8位8位4×8位8位8位
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
測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試狀態(tài)測(cè)試次數(shù)測(cè)試物理量D7D6
00-滲透系數(shù)
01-耐靜水壓D5D4
00-正常測(cè)試01-測(cè)試失敗
10-狀態(tài)過度11-測(cè)試完畢
D3D2
00-第1塊
01-第2塊D1D0
00-壓力
01-位移
表2中，正常測(cè)試表示正在測(cè)試，所傳送數(shù)據(jù)有效；測(cè)試挫敗表示所傳送數(shù)據(jù)無效；狀態(tài)過度表示正在進(jìn)行其它操作，所傳送數(shù)據(jù)也無效。數(shù)據(jù)系列中，兩個(gè)字節(jié)表示一個(gè)測(cè)試狀態(tài)下的測(cè)試時(shí)間，另兩個(gè)字節(jié)表示該測(cè)試狀態(tài)下的測(cè)試物理量。
為了保證數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確性，對(duì)兩種情況采用如下的差錯(cuò)處理方法：
�。�1）上位機(jī)發(fā)出呼叫幀4秒內(nèi)沒有收到下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則上位機(jī)連續(xù)發(fā)4次呼叫幀；如下位機(jī)仍沒有響應(yīng)，則認(rèn)為通訊故障，上位機(jī)報(bào)警。
（2）下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，上位機(jī)收到后如果累加和有誤，則要求重新發(fā)送；如果連續(xù)四次仍有錯(cuò)誤，則上位機(jī)報(bào)警。
4軟件設(shè)計(jì)
4.1下位機(jī)軟件
根據(jù)測(cè)試原理及工藝過程，主程序框圖如圖3所示。先設(shè)系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)，再判斷是滲透系數(shù)測(cè)定還是耐靜水壓測(cè)定。采用壓力傳感器檢測(cè)壓力變化，用位移傳感器檢測(cè)水量，用89C52的定時(shí)器T0計(jì)時(shí)，通過RS-485接口響上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。改變壓差，測(cè)不定期不同水力壓差條件下的值，其間實(shí)時(shí)采集壓力信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字濾波后，與該壓力的給定值比較得到偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)經(jīng)PI運(yùn)算后，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，得到所需壓力值。
4.2上位機(jī)軟件編程技術(shù)
本系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于WINDOWS操作系統(tǒng)，編程軟件為VB6.0，主要實(shí)現(xiàn)菜單/畫面顯示，接收下位機(jī)傳送過來的信號(hào)及數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）求出滲透系數(shù)或耐靜水壓值，算出五臺(tái)下位機(jī)測(cè)試結(jié)果的平均值，繪制測(cè)試曲線，打印測(cè)試報(bào)表。
4.3測(cè)試結(jié)果
利用該儀器對(duì)某廠生產(chǎn)的短纖針刺土工膜CGA1B1800/0.35進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。
表3CGA1B1800/0.35短纖針刺復(fù)合土工膜測(cè)試結(jié)果
試樣抗?jié)B透壓（Mpa）滲透系數(shù)（cm3/cm2·s）10.786.0×10-10230.767.0×10-1030.806.8×10-1040.776.0×10-1050.796.3×10-10
基于RS-485總線的土工膜水力性能測(cè)試系統(tǒng)，其檢測(cè)方法安全符合國家標(biāo)準(zhǔn)，為土工膜產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的保證，實(shí)現(xiàn)了全過程的自動(dòng)測(cè)試，成本較低，方便可靠，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)試時(shí)間短，并能顯示曲線、打印測(cè)試結(jié)果，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯而易見的。它減少了人為影響和環(huán)境因素的影響，提高了測(cè)試精度，方便了用戶。
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