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基于RS-485總線的土工膜水力性能測試系統(tǒng)
摘要：介紹了一種土工膜水力性能測試系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法。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試系統(tǒng)。下位機(jī)可完成自動加壓和對壓力、水量、時間的自動測定；上位機(jī)與多個下位機(jī)通信，對其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、制表打印、顯示存儲，提高了測量精度，減少了測試時間。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)量檢測中是國家標(biāo)準(zhǔn)要求的必測項(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)室中對所使用的土工膜進(jìn)行測定。其測試裝置要求較高，測試過程復(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“土工膜水力性能測試儀的研制”，實(shí)現(xiàn)了單臺手動/自動測試功能。但由于選取試樣多，測試時間長，每塊試樣需要數(shù)小時才能完成，每組實(shí)驗(yàn)需要兩天，因此在原測試儀的基礎(chǔ)上，采用RS-485總線通訊方式，實(shí)現(xiàn)了對多臺測試裝置（五臺）進(jìn)行控制，大大縮短了測試時間，提高了測量精度，并由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了測試參數(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，測定一定時間內(nèi)通過試樣的滲變量，然后即可根據(jù)試樣厚度計算出滲透系數(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為測定時間，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。
試樣測試直徑為φ=16cm，有效測試面積為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出壓力信號送入下位機(jī)。在一定壓差情況下，用標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)計量管及光柵位移傳感器測量出時間t內(nèi)的滲流量V，求出滲透系數(shù)。通過改變壓差來測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，土工膜就會破裂。耐水靜壓的測定是通過逐級增加試樣兩側(cè)的水力壓差并保持一定時間實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)滲透急速增加時，表明試樣受到破壞，通過下位機(jī)采助記歌到這時的壓差值，那么前一級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。如果土工膜沒發(fā)生破裂，就判定試樣符號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：測試裝置、下位機(jī)、上位機(jī)，如圖1所示。
2.1 測試裝置
測試裝置包括：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、檢測滲透水量及水量突變等。根據(jù)國標(biāo)GB/T17642-1998的要求，滲透水量測定范圍為0～3.7ml，精度為1/1000；壓差值測試面積為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)對測試系統(tǒng)狀態(tài)的設(shè)定，對壓力、水量、時間的測定和與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。測試系統(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壓力，電動調(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滲水量。其中，電動調(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)對下位機(jī)測量過程的監(jiān)控，并對測試數(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，下位機(jī)才發(fā)送數(shù)據(jù)幀，每一時刻只有一臺下位機(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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