基于RS-485總線的土工膜水力性能測試系統(tǒng)
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)通過試樣的滲流量，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。
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（實驗壓力Δp下），單位為cm；t為測定時間，單位為s；A為有效滲流面積，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)格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。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數(shù)。在土工膜兩側(cè)的壓差達到一定值后，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現(xiàn)的，當滲透急速增加時，表明試樣受到破壞，通過下位機采集到這時的壓差值，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，就判定試樣符合此耐靜水壓值的要求。
根據(jù)國標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)格的有效滲流面積設(shè)計為A=201cm2，符合國標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、上位機，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、進氣孔、注水口、網(wǎng)格、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
以單片計算機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進行數(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
利用PC機自帶的標準串行接口，通過專用的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，形成RS-485總線與下位機的連接，可實現(xiàn)對下位機測量過程的監(jiān)控，并對測試數(shù)據(jù)進行處理、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。呼叫幀由上位機發(fā)出，其格式為：起始字符，下位機地址，停止字符等。數(shù)據(jù)幀是下位機對上位機呼叫的響應(yīng)，上位機呼叫地址與下位機地址一致時，下位機才發(fā)送數(shù)據(jù)幀，每一時刻只有一臺下位機和上位機通訊。數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。
其中，狀態(tài)字段是當前的測試狀態(tài)，每位表示的功能及操作如表2所示。
表2中，正常測試表示正在測試，所傳送數(shù)據(jù)有效；測試失敗表示所傳送數(shù)據(jù)無效；狀態(tài)過度表示正在進行其它操作，所傳送數(shù)據(jù)也無效。數(shù)據(jù)系列中，兩個字節(jié)表示一個測試狀態(tài)下的測試時間，另兩個字節(jié)表示該測試狀態(tài)下的測試物理量。
為了保證數(shù)據(jù)傳送的準確性，對兩種情況采用如下的差錯處理方法：
（1）上位機發(fā)出呼叫幀4秒內(nèi)沒有收到下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則上位機連續(xù)發(fā)4次呼叫幀；如下位機仍沒有響應(yīng)，則認為通訊故障，上位機報警。
（2）下位機發(fā)送數(shù)據(jù)幀，上位機收到后如果累加和有誤，則要求重新發(fā)送；如果連續(xù)四次仍有錯誤，則上位機報警。
4 軟件設(shè)計
4.1下位機軟件
根據(jù)測試原理及工藝過程,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)測定還是耐靜水壓測定。采用壓力傳感器檢測壓力變化，用位移傳感器檢測水量，用89C52的定時器T0計時，通過RS-485接口向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。改變壓差，測定不同水力壓差條件下的值，其間實時采集壓力信號，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，該偏差信號經(jīng)PI運算后，控制電動調(diào)節(jié)閥，得到所需壓力值。
4.2 上位機軟件編程技術(shù)
本系統(tǒng)上位機軟件基于WINDOWS操作系統(tǒng)，編程軟件為VB6.0，主要實現(xiàn)菜單/畫面顯示，接收下位機傳送過來的信號及數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）求出滲透系數(shù)或耐靜水壓值，算出五臺下位機測試結(jié)果的平均值，繪制測試曲線，打印測試報表。
4.3 測試結(jié)果
利用該儀器對某廠生產(chǎn)的短纖針刺土工膜CG A1B1 800/0.35進行測試，結(jié)果如表3所示。
基于RS-485總線的土工膜水力性能測試系統(tǒng)，其檢測方法完全符合國家標準，為土工膜產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的保證，實現(xiàn)了全過程的自動測試，成本較低，方便可靠，測試結(jié)果準確，測試時間短，并能顯示曲線、打印測試結(jié)果，其經(jīng)濟效益和社會效益是顯而易見的。它減少了人為影響和環(huán)境因素的影響，提高了測試精度，方便了用戶。
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