土工布滲透率智能測(cè)試儀

摘要：為解決土工布滲透率的測(cè)試僅有國家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)而沒有規(guī)范的測(cè)試儀器問題，研制了一種土工布滲透率智能測(cè)試儀。該測(cè)試儀采用微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化控制，可以測(cè)試不同壓力/梯度條件下的滲透率且重現(xiàn)性好。

關(guān)鍵詞：土工布 滲透率 智能測(cè)試

土工布是指用于巖土工程和土要工程的滲透聚合物材料。土工布有關(guān)產(chǎn)品綜合了紡織、化工、塑料、造紙各工業(yè)部門的技術(shù)成就，包括機(jī)織土工布，針織土工布、非織造土工布、土工格柵和土工復(fù)合物等產(chǎn)品。土工布及其產(chǎn)品在工程中主要用于防護(hù)、隔離、過濾、加強(qiáng)和排水等。它以生產(chǎn)工藝流程短、使用簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、柔性大等優(yōu)勢(shì)，在水利、電力、交通、建筑等各領(lǐng)域中被廣泛采用，成為新型建筑材料。與國外先進(jìn)國家相比，我國在土工布的開發(fā)和應(yīng)用上起步較晚，配套的保證和規(guī)范還很不完善。隨著人們對(duì)土工布在巖土工程和土要工程中所起作用的認(rèn)識(shí)逐步加深，土工布的應(yīng)用范圍越來越大。特別是1998年我國遭受特大洪水災(zāi)害以來，我國對(duì)土工布的應(yīng)用和推廣給以了極大的重視。國家經(jīng)貿(mào)委成立了土工布推廣應(yīng)用協(xié)調(diào)小組，從制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)和施工規(guī)范到產(chǎn)品質(zhì)量及價(jià)格，均提出了要求。國家質(zhì)量監(jiān)頻局和紡織工業(yè)局如期完成了標(biāo)準(zhǔn)制定。“土工布滲透率智能測(cè)試儀”就是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求研制出的配套測(cè)試儀器。

1 測(cè)試原理

該儀器的測(cè)試原理是：在規(guī)定的水力梯度和接觸材料條件下，改變法向壓力，測(cè)量在土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)的水流量?jī)x器應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試要求。

2 測(cè)試方法

由于土工布及其有關(guān)產(chǎn)品本身的特性與原料的種類、制造工藝、產(chǎn)品規(guī)格等均有著密切的關(guān)系，因而在各項(xiàng)工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境和地質(zhì)條件、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和土工布在工程中的作用等，對(duì)土工布品種及其指標(biāo)的選擇有不同的要求。因此必須通過測(cè)試了解產(chǎn)品的性能指標(biāo)，供設(shè)計(jì)部門選用，達(dá)到合理應(yīng)用土工布的目的。

將經(jīng)過含濕潤(rùn)劑的液體浸泡過的土工布試樣放入試樣框中，在法向加一定壓力后，向進(jìn)水槽內(nèi)注水并建立一定的水力梯度。當(dāng)出水槽有滲透出的水流入集水器時(shí)，開始測(cè)試。在集水器的水量達(dá)到一定的容積時(shí)，產(chǎn)生水滿信號(hào)，停止測(cè)試。

影響沿織物平面滲透性能的因素很多，難以統(tǒng)一規(guī)范，但任何一種土工布的滲水性能、滲透率與壓力、梯度、水流方向都有關(guān)系，要想測(cè)得準(zhǔn)確就必須按國標(biāo)要求。對(duì)一種土工布取三塊（或六塊）試樣，每塊試樣在0.1或1.0梯度下，在20kPa、100kPa、200kPa的壓力下分別測(cè)試，每種梯度/壓力情況下測(cè)3次，然后取一個(gè)平均值，這樣共需測(cè)18次，取出6個(gè)平均值數(shù)據(jù)。然后更換試樣三次再進(jìn)行測(cè)量，需測(cè)54次。然后將不同壓力/梯度下三塊試樣的測(cè)試結(jié)果再取平均值，得出各壓力/梯度下的滲透率。

3 儀器硬件的組成及主要技術(shù)特征

本儀器由兩大部分組成：透水儀主機(jī)部分和智能測(cè)試裝置。透水儀主機(jī)包括進(jìn)水槽、出水槽、試樣框、集水器、加壓部分和箱體等。智能測(cè)試裝置以MCS-51系列單片機(jī)8031為信心，配置有只讀存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、6個(gè)功能鍵按鈕、6位LED數(shù)字顯示板、TP-16打印機(jī)、RS232通訊接口等，可以對(duì)土工布的測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定（梯度、試樣數(shù)），對(duì)壓力、集水時(shí)間、試樣厚度進(jìn)行測(cè)定，具有數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算處理功能，并能對(duì)壓力、厚度、集水時(shí)間、水力梯度有選擇地進(jìn)行數(shù)字顯示，水滿信號(hào)來時(shí)，能打印出測(cè)試滲透率結(jié)果。土工布?jí)毫z測(cè)環(huán)節(jié)采用應(yīng)變式壓力傳感器，厚度采用差動(dòng)位移傳感器。因信號(hào)微弱易受干擾，采集時(shí)進(jìn)行了濾波、放大處理后送A/D轉(zhuǎn)換器。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)了抗干擾程序，減小了測(cè)量誤差。由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)（最長(zhǎng)為10小時(shí)/次），為避免因停電造成數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)及鋰電池供電電路。掉電時(shí)使測(cè)試狀態(tài)數(shù)據(jù)保存在耗電極小的81C55內(nèi)的RAM中。提高了測(cè)試的可靠性。由于采用微機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和計(jì)時(shí)，不需要人為干預(yù)，能自動(dòng)地測(cè)試，從根本上避免了人為因素的影響，實(shí)現(xiàn)了智能化。硬件電路組成如圖1所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

由測(cè)試原理及工藝要求編寫了程序。在測(cè)試過程中所測(cè)數(shù)據(jù)存放在81C55內(nèi)的RAM中，以便計(jì)算各壓力、梯度下的平均值，并由TP-16打印輸出。顯示器顯示結(jié)果，經(jīng)RS232向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。一塊試樣測(cè)完后，更換試樣，用同樣的過程再測(cè)試一遍。幾塊試樣均測(cè)測(cè)完后（試樣數(shù)事先有設(shè)定），打印機(jī)能打印出不同的壓力、梯度下的各項(xiàng)總平均值。

數(shù)據(jù)的運(yùn)算采用三字了浮點(diǎn)數(shù)，以滿足系統(tǒng)的精度要求，計(jì)時(shí)采用8031內(nèi)部定時(shí)器T0。

5 與上位機(jī)通訊的設(shè)計(jì)

可以根據(jù)需要與上位機(jī)（586以上機(jī)型）進(jìn)行通訊，向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。上位機(jī)能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)加工、整理、保存、制表、顯示、實(shí)時(shí)測(cè)試并能存盤。上位機(jī)平臺(tái)基于WINDOWS操作系統(tǒng)，開發(fā)軟件為BrolandC++Build4.0。上位機(jī)與下位機(jī)之間以串行通訊實(shí)現(xiàn)信息交換，通訊時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)Windows API的函數(shù)文件完成數(shù)據(jù)處理與交換，利用多線程技術(shù)來管理通信任務(wù)。由于上位機(jī)完全工作于自動(dòng)狀態(tài)，因此軟件系統(tǒng)使用十分方便。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，上位機(jī)處于接收狀態(tài)，將接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)組織成相應(yīng)表格文件存入硬盤。表格菜單有三種：（1）列出所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（2）列出標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表一；（3）列出標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表二。

試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好、符合使用要求。該儀器測(cè)試原理、各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了GB/T-17633-1998的要求。圖2為某次的測(cè)試曲線。