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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)的設計原理和方法。該系統(tǒng)通過RS-485總線連接上位機與89C52單片機（下位機），實現了土工膜水力性能測試系統(tǒng)。下位機可完成自動加壓和對壓力、水量、時間的自動測定；上位機與多個下位機通信，對其采集的數據進行整理、制表打印、顯示存儲，提高了測量精度，減少了測試時間。關鍵詞：RS-485總線土工膜滲透系數耐靜水壓測試系統(tǒng)
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，必須在實驗室中對所使用的土工膜進行測定。其測試裝置要求較高，測試過程復雜，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項目“土工膜水力性能測試儀的研制”，實現了單臺手動/自動測試功能。但由于選取試樣多，測試時間長，每塊試樣需要數小時才能完成，每組實驗需要兩天，因此在原測試儀的基礎上，采用RS-485總線通訊方式，實現了對多臺測試裝置（五臺）進行控制，大大縮短了測試時間，提高了測量精度，并由上位機實現了測試參數的制表打印、曲線繪制等功能，滿足了實際要求。
1測試原理
土工膜在一定水力壓差作用下將產生微小滲流。在規(guī)定水力壓差（一般為100kPa）下，測定一定時間內通過試樣的滲變量，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為時間t內的滲流量，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水，放上經過充分浸泡濕潤的土工膜試樣，并利用網絡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，通過調節(jié)氣源的壓力，使氣囊膨脹，在高壓倉產生壓力，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(xù)可調。上述加壓裝置在試樣兩側建立一定的壓差，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內的滲流量V，求出滲透系數。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的水力壓差并保持一定時間實現的，當滲透急速增加時，表明試樣受到破壞，通過下位機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絡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(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、網絡、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(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；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，實現對測試系統(tǒng)狀態(tài)的設定，對壓力、水量、時間的測定和與上位機進行數據通訊。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)設定以及啟、停等功能控制，壓力傳感器用來檢測壓力，電動調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轉換器，形成RS-485總線與下位機的連接，可實現對下位機測量過程的監(jiān)控，并對測試數據進行處理、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。數據格式為：1位起始位，8位數據位，1位停止位。幀格式包含呼叫幀和數據幀。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。數據幀是下位機對上位機呼叫的響應，上位機呼叫地址與下位機地址一致時，下位機才發(fā)送數據幀，每一時刻只有一臺下位機和上位機通訊。數據幀的格式如表1所示。
表1數據幀格式
起始字符下位機地址狀態(tài)字段數據序列和校驗停止字符8位8位8位4×8位8位8位
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狀態(tài)字段各位含義
測試項目測試狀態(tài)測試次數測試物理量D7D6
00-滲透系數
01-耐靜水壓D5D4
00-正常測試01-測試失敗
10-狀態(tài)過度11-測試完畢
D3D2
00-第1塊
01-第2塊D1D0
00-壓力
01-位移
表2中，正常測試表示正在測試，所傳送數據有效；測試挫敗表示所傳送數據無效；狀態(tài)過度表示正在進行其它操作，所傳送數據也無效。數據系列中，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。
為了保證數據傳送的準確性，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秒內沒有收到下位機發(fā)送的數據幀，則上位機連續(xù)發(fā)4次呼叫幀；如下位機仍沒有響應，則認為通訊故障，上位機報警。
（2）下位機發(fā)送數據幀，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軟件設計
4.1下位機軟件
根據測試原理及工藝過程，主程序框圖如圖3所示。先設系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數，再判斷是滲透系數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接口響上位機發(fā)送數據。改變壓差，測不定期不同水力壓差條件下的值，其間實時采集壓力信號，經過數字濾波后，與該壓力的給定值比較得到偏差信號，該偏差信號經PI運算后，控制電動調節(jié)閥，得到所需壓力值。
4.2上位機軟件編程技術
本系統(tǒng)上位機軟件基于WINDOWS操作系統(tǒng)，編程軟件為VB6.0，主要實現菜單/畫面顯示，接收下位機傳送過來的信號及數據，根據式（1）求出滲透系數或耐靜水壓值，算出五臺下位機測試結果的平均值，繪制測試曲線，打印測試報表。
4.3測試結果
利用該儀器對某廠生產的短纖針刺土工膜CGA1B1800/0.35進行測試，結果如表3所示。
表3CGA1B1800/0.35短纖針刺復合土工膜測試結果
試樣抗?jié)B透壓（Mpa）滲透系數（cm3/cm2·s）10.786.0×10-10230.767.0×10-1030.806.8×10-1040.776.0×10-1050.796.3×10-10
基于RS-485總線的土工膜水力性能測試系統(tǒng)，其檢測方法安全符合國家標準，為土工膜產品質量提供了可靠的保證，實現了全過程的自動測試，成本較低，方便可靠，測試結果準確，測試時間短，并能顯示曲線、打印測試結果，其經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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