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1、第2 6 卷第1 期 2 0 0 5 年2 月 纺织学报 J o u m a lo f7 r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 1 F e b 2 0 0 5 基于R S 一4 8 5 总线的土工膜水力性能测试仪研制 李伟锋 ( 中原工学院电气工程系，河南郑州4 5 0 0 0 7 ) 摘要介绍了一种复合土工膜水力性能测试仪的设计原理和方法。该测试仪通过R s 。4 8 5 总线连接上位机与 8 9 c 5 2 单片机( 下位机) ，实现了复合土工膜水力性能测试，下位机可完成自动加压和对压力、水量、时间的测定。上 位机与多个下位机通讯对其采集的数
2、据进行整理、制表打印、显示存储，提高了测量精度，减少了测试时间。并对 影响测量精度的一些因素进行了讨论。 关键词复合土工膜；渗透系数；耐静水压；R s 一4 8 5 总线；测试仪 中图分类号：T s2 3文献标识码：B文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 5 ) 0 1 一0 1 0 7 - 0 3 R e s e a r c ha n dm a n l l l h c t u r eo fg e o m e m b r a n ew a t e r p o w e rt e s t i 璐t 删m e n tb 嬲e d 伽I 峪4 8 5b 鹏 L IW e i f e
3、 n g ( D e p o n 脚m0 ，E k r 溉zE 呼，删，l g ，腑n g y n ，醛疵u 把o ， 加研，纨n g = b “，胁加，l4 5 0 0 0 7 ，珊i M ) A 鼬a c t D e s i g np r i n c i p l ea r L dm e t h o do faw a t e r p o w e rt e s ti n s t r I l m e n tf o rc o m p o s “eg e o m e I I l b r a r L ew e r ed e s c r i b e d w a t e r p o w e r t e s
4、 tf o rc o m p o s i t eg e o m e m b r a n ew a sr e a l i z e db yl i n k i n gm a s t e rc o m p u t e rt os l a v e r8 9 c 5 2s i n d e - c h i pc o m p u t e rw i 山R S 4 8 5b u s S i n d e c h i pc o m p u t e rc o u l dc o n t r o lp r e s s u r ea n dm e a s u r eh y d m l l l i cp r e s s u
5、r e ，w a t e rV o l u m ea n dt i m e T h em a s t e rc o m p u t e rc o u l d p m c e s sc o l l e c t e dd a t a ，p d n tr e p o r t sa n dd r a wc u r v e sa sw e n a sd i s p l a ya n ds a v et l l er e s u ht h m u g hc o m m u n i c a t i n ga l ls l a V e rc o m p u t e r sw h i c hi m p m v
6、et h ep r e c i s i o na n de m c i e n c y0 fm e a s u r e m e n t s o m ef 如t o r sa f f e c t i n gt I I ep r e c i s i o no fm e 船u r e m e n tw e r ea l s o d i s c u s s e d K e yw o r d sc o m p o s i t eg e o m e m b m n e ；i T l f i l t m t i o nc o e m c i e n t ；s t i l 】w a t e 卜f a s tp
7、 r e s s u r e ；R S - 4 8 5b u s ；t e s t i n gi n s t m m e n t 复合土工膜主要应用于防渗土工工程中，它的 渗透系数和耐静水压是水力性能的主要指标，因此 在质量检测中是必测项目。在工程应用中，复合 土工膜在一定水压下不能破裂，还要保证最小的渗 透率，防止水的流失。为了在施工前能确定所用复 合土工膜是否符合工程需要，就必须在实验室中对 使用的复合土工膜进行测定选择1 。其测试装置要 求较高，测试过程复杂，标准要求每组试样不得少于 5 块。2 0 0 1 年承担的河南省科技攻关项目复合 土工膜水力性能测试仪的研制成功，实现了单台手 动
8、自动测试功能，解决了长期以来复合土工膜生产 测试手段的落后状况。但由于需要选取试样多，测 试时间长，每块试样需数小时才能完成，每组实验需 要2d 。为此在原测试仪的基础上，采用R s 4 8 5 总 线通讯方式，实现对多台测试装置( 5 台) 进行控制， 大大缩短了测试时间，提高了测量精度，并由上位机 实现了测试参数的制表打印，曲线绘制等功能，满足 了实际要求。 1 测试原理 复合土工膜在一定水力压差作用下会产生微小 渗流。测定在规定水力压差( 一般为1 0 0k P a ) 下，一 定时间内通过试样的渗流量，并根据试样厚度即可 计算求得渗透系数及透水率。渗透系数和透水率分 别按式( 1 )
9、、( 2 ) 计算。 K = y ( t A p ) ( 1 ) 驴= W ( A p ) ( 2 ) 式中，K 为渗透系数；函为透水率( m 2 s ) ；y 为时间 内的渗流量( c m 3 ) ；丁为试样厚度( c m ，实验压力_ p 下) ；为测定时间( s ) ；A 为有效渗流面积( c m 2 ) ；p 为试样两侧水力压差( c m ) 。 在测试装置的高压仓中注满水，放上经过充分 浸泡湿润的复合土工膜试样，并利用网格使试样保 持一定形状，连接低压仓，注入一定量的水。在高压 基金项目：河南省科技攻关资助项目( 0 0 1 1 2 0 1 0 2 ) 作者简介：李伟锋( 1 9 6
10、 3 一) ，男，汉族，高级工程师。主要从事纺织新材料及产业用纺织材料智能检测装置的研究。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【1 0 8 】 纺织学报2 0 0 5 年第l 期 仓中有一个和加压气源相通的气囊，通过调节气源 的压力，使气囊膨胀，在高压仓产生压力，使试样两 侧建立起一定的压差。 测试装置试样测试直径为1 6c m ，有效测试面积 为2 0 1c m 2 ，压力为0 1 6M P a 连续可调，上述加压 装置在试样两侧建立一定压差。通过
11、高压仓上安装 的压力传感器检测输出压力信号送人下位机。在一 定压差情况下，用标准的细计量管及光栅位移传感 器测量出时间f 内的渗流量y ，求出渗透系数。通 过改变压差测定不同水力压差条件下的渗透系数。 耐水静压测定是在复合土工膜两侧的压差达到一定 值后，复合土工膜就会破裂。逐级增加试样两侧的 水力压差并保持一定时间，当渗透急速增加时，表明 试样受到破坏，通过下位机采集到这时的压差值，前 一级压差值就是试样的耐水静压值。如果只需判定 试样是否能达到某一规定耐静水压值，则可直接加 压到此压差值，并保持2h 。如果复合土工膜没有发 生破裂，就判定此试样符合耐静水压值的要求。 根据G B T1 7 6
12、 4 2 1 9 9 8 的规定，有效渗流面积 A 2 0 0c m 2 。本文将高低压仓的口径及网格的有效 渗流面积设计为2 0 1c 矗，符合G B T1 7 6 4 2 1 9 9 8 的 要求。 2 系统组成 土工膜水力性能测试系统由测试装置、下位机、 上位机组成，如图1 所示。 1 一计量臂及位移传感器；2 一低压室；3 一试样； 4 一高压室；5 一注水口；6 一压力传感器；7 一调压阀； 8 一气源；9 一下位机；1 0 一上位机；1 1 一与其它下位机连线 图1 土工膜水力性能测试系统示意图 2 1 测试装置 测试装置包括：高压仓、低压仓、气囊、气源、进 气孔、注水口、网格、加
13、压装置、水量、压力检测等。 其功能主要是放置土工膜试样、调节压力、建立压 差、输出压差信号、检测渗透水量及水量突变。根据 G B ，I 1 7 6 4 2 1 9 9 8 的要求，渗透水量测定范围0 3 7m L ，精度1 1 0 0 0 ；压差值测试面积为2 0 1c m 2 ，压 差0 1 6M P a 连续可调；压力传感器工作电压6V ， 量程0 1 6M P a ，精度l 1 0 0 0 。 2 2 下位机 采用单片机8 9 c 5 2 为核心，配置有1 0 位A D 转 换器M c l 4 4 3 3 、功能按键、M A x 4 8 7 形成的R s 一4 8 5 接 口1 3 1
14、等，实现对测试系统状态的设定，对压力、水量、 时间的测定和与上位机的数据通讯。测试系统原理 如图2 所示。按键用来进行系统状态设定、启、停等 功能控制，压力传感器检测压力，通过电动调压阀控 制加压装置，使压力保持恒定值，用位移传感器检测 渗水量。其中电动调压阀的控制采用了光电耦合 器，以提高系统的抗干扰性能。根据测试原理及工 艺过程，先设系统工作状态和参数，再进行渗透系数 测定或耐静水压测定。改变压差测定不同水力压差 条件下的值，其间，实时采集压力信号，经过数字滤 波后，与该压力的给定值比较得到偏差信号，该偏差 信号经P I 运算后，控制电动调节阀，得到所需压 力值。 P 8 9 + _ _
15、一竺竺l C I 水量卜 5 2 【l M A X 4 8 7 r l 苴 上上 I 电动阀I 卜 片 R S 一4 8 5 总线 机 图2 下位机控制系统原理图 2 3 上位机 利用P c 机自带的标准串行接口，通过专用的 R S 一2 3 2 ，R S 4 8 5 转换器，形成R s 4 8 5 总线与下位机的 连接，上位机基于w i n d o w s 操作系统，编程软件为 V B 6 0 ，主要实现菜单画面显示，接受下位机传送过 来的信号及数据，根据式( 1 ) 求出渗透系数或耐静水 压值，算出5 台下位机测试结果的平均值，绘制测试 曲线，打印测试报表。 3 通讯协议 通讯协议采用半双
16、工异步通讯方式。数据格式 为：1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位。帧格式包 含呼叫帧和数据帧。呼叫帧由上位机发出，其格式 为起始字符、下位机地址、停止字符等。数据帧是下 位机对上位机呼叫的响应，上位机呼叫地址与下位 机地址一致时，下位机才发送数据帧，每一时刻，只 有1 台下位机和上位机通讯。数据帧的格式如表1 所示。其中，状态字段是当前的测试状态，每位表示 的功能及操作如表2 所示。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第l 期
17、 纺织学报【1 0 9 】 表l 数据帧格式 测试项目测试状态测试次数 测试物理量 表2 中，正常测试表示正在测试，所传送数据有 效，测试失败所传送数据无效，状态过渡表示正在进 行其它操作，所传送数据也无效。数据系列中，2 个 字节表示一个测试状态下的测试时间，另2 个字节 表示该测试状态下的测试物理量。 差错处理可保证数据传送的准确性，有2 种情 况及处理方法：1 ) 上位机发出呼叫帧4s 内没有收 到下位机发送数据帧，则上位机连续发4 次呼叫帧， 如下位机仍没有响应，则认为通讯故障，上位机报 警。2 ) 下位机发送数据帧，上位机收到后如果累加 和有误，则要求重新发送，如果连续4 次仍有错误
18、， 上位机报警。 4 测试结果与分析 利用该测试仪对某厂生产的短纤针刺复合土工 膜C GA 1 8 18 0 0 ，0 3 5 和C GA 2 8 11 0 0 0 0 4 5 进行测 试。结果如表3 、4 所示。从表3 、4 看出，该仪器所 测试的试样结果重现性好、完全符合国家标准、仪器 稳定可靠；抗渗透压符合膜越厚、抗渗透压越大，渗 透系数符合膜越厚、渗透系数越小( 在材质和质量一 定情况下) 的一般规律。 复合土工膜两边的气泡对测量精度的影响最 大，一是聚集在纤维之间的众多微小气泡，一是由于 操作不当在水与膜之间形成的大水泡。第一种必须 对复合土工膜试样充分浸泡湿润赶出微小气泡，第 二种
19、需按照正确的步骤操作，先在高压仓中注满水 并使其溢出，然后紧贴水面，在保证水面不低于高压 仓顶的情况下，放置试样。低压仓的气泡，可通过改 变主机倾斜角度，使其从计量管跑出。另外，应注意 夹持试样部分顺纤维的微小渗透，最好把试样夹持 部分的纤维去掉。 衰3c GA l B l8 0 0 0 3 5 短纤针刺复合土工膜 表4c GA 2 B l1 0 0 0 ，O 4 5 短纤针刺复合土工膜 5 结束语 基于R S 4 8 5 总线的复合土工膜水力性能测试 仪，检测方法完全符合国家标准，为复合土工膜产品 质量提供了可靠的保证，实现了全过程的自动测试， 成本较低，方便可靠，测试结果准确，测试时间短，
20、并 能显示曲线，打印测试结果，其经济效益和社会效益 显而易见。它减少了人为和环境因素的影响，提高 了测试精度，方便了用户。 参考文献： 1 李伟锋，张惠，霍书怀土工布平面水流量智能测试仪的研制 J 纺织科学研究，2 0 0 3 ，( 1 ) ：4 2 4 6 2 窦宝松土工膜的作用机理及其在水利水电工程中的应用 J 水利水电技术，2 0 0 0 ，( 4 ) ：2 2 2 4 3 马维华，奚抗生微型计算机及接口技术 M 北京：科学出版 社。2 0 0 0 3 0 l 一3 8 9 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark