基于RS485總線(xiàn)的土工膜水力性能測試系統

土工膜主要應用于防滲工程中。它的滲透系數和耐靜水壓是土工膜水力性能的主要指標，因此在質(zhì)量檢測中是國家標準要求的必測項目。在工程應用中，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(guò)程復雜，國家標準要求每組試樣不得少于五塊。2001年作者等人承擔了河南省科技攻關(guān)項目“土工膜水力性能測試儀的研制”，實(shí)現了單臺手動(dòng)/自動(dòng)測試功能。但由于選取試樣多，測試時(shí)間長(cháng)，每塊試樣需要數小時(shí)才能完成，每組實(shí)驗需要兩天，因此在原測試儀的基礎上，采用RS-485總線(xiàn)通訊方式，實(shí)現了對多臺測試裝置（五臺）進(jìn)行控制，大大縮短了測試時(shí)間，提高了測量精度，并由上位機實(shí)現了測試參數的制表打印、曲線(xiàn)繪制等功能，滿(mǎn)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。在規定水力壓差（一般為100kPa）下，測定一定時(shí)間內通過(guò)試樣的滲變量，然后即可根據試樣厚度計算出滲透系數及透水率。滲透系數和透水率可按（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；ψ為透水率，單位為m2/s；v為時(shí)間t內的滲流量，單位為cm3；T為試樣厚度（實(shí)驗壓力Δp下），單位為cm；t為測定時(shí)間，單位為s；A為有效流流面積，單位為cm2；Δp為試樣兩側的水力壓差，單位為cm。

在測試裝置的高壓倉中注滿(mǎn)水，放上經(jīng)過(guò)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(guò)調節氣源的壓力，使氣囊膨脹，在高壓倉產(chǎn)生壓力，使試樣兩側建立起一定的壓差。

試樣測試直徑為φ=16cm，有效測試面積為201cm2，壓力在0～1.6MPa之間連續可調。上述加壓裝置在試樣兩側建立一定的壓差，通過(guò)高壓倉上安裝的壓力傳感器檢測出壓力信號送入下位機。在一定壓差情況下，用標準的細計量管及光柵位移傳感器測量出時(shí)間t內的滲流量V，求出滲透系數。通過(guò)改變壓差來(lái)測定不同水力壓差條件下的滲透系統。在土工膜兩側的壓差達到一定值后，土工膜就會(huì )破裂。耐水靜壓的測定是通過(guò)逐級增加試樣兩側的水力壓差并保持一定時(shí)間實(shí)現的，當滲透急速增加時(shí)，表明試樣受到破壞，通過(guò)下位機采助記歌到這時(shí)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到某一規定耐靜水壓值，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，就判定試樣符號此耐靜水壓值的要求。

根據國標GB/T17642-1998規定，有效滲流面積A≥200cm2。把高低壓倉的口徑及網(wǎng)絡(luò )的有效滲流面積設計為A=201cm2，符合國標GB/T17642-1998的要求。

2 系統組成

該系統由三部分組成：測試裝置、下位機、上位機。

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、調節壓力、建立壓差、輸出壓差信號、檢測滲透水量及水量突變等。根據國標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之間連續可調；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

以單片計算機89C52為核心，并配置由10位A/D轉換器MC14433、功能按鍵、MAX487組成的RS-485接口等，實(shí)現對測試系統狀態(tài)的設定，對壓力、水量、時(shí)間的測定和與上位機進(jìn)行數據通訊。按鍵用來(lái)進(jìn)行系統狀態(tài)設定以及啟、停等功能控制，壓力傳感器用來(lái)檢測壓力，電動(dòng)調壓閥用來(lái)控制加壓裝置以使壓力保持恒定，位移傳感器用來(lái)檢測滲水量。其中，電動(dòng)調壓閥的控制采用光電耦合器，以提高系統的抗干擾性能。

2.3 上位機

利用PC機自帶的標準串行接口，通過(guò)專(zhuān)用的RS-232/RS-485轉換器，形成RS-485總線(xiàn)與下位機的連接，可實(shí)現對下位機測量過(guò)程的監控，并對測試數據進(jìn)行處理、制表打印、繪制曲線(xiàn)。