智能四聯(lián)變水頭滲透儀的研制與應用

            引言土體滲透性的測定是巖土工程和工程地質(zhì)評價的重要內(nèi)容，常以滲透系數(shù)表示，滲透系數(shù)是衡量土體滲透性能的一項重要指標，通常使用常水頭和變水頭兩種方法測定。對于常見的黏性土體的滲透系數(shù)測定常采用變水頭滲透儀來完成。由于粘性土的滲透系數(shù)較小，通常要在幾個小時或幾十個小時完成一次試驗，目前國內(nèi)絕大部分單位采用人工讀數(shù)，人工記錄和人工計算，這樣的試驗方法普遍認為費事，人為因素較多，工作效率較低。在滿足達西定律的滲透原理基礎上進行了智能化的設計，并對滲透試驗儀器的結(jié)構(gòu)和功能做了改進，研制出了一種智能四聯(lián)變水頭滲透儀，實現(xiàn)了滲透系數(shù)試驗的自動化，并得到了用戶認可。1 試驗儀器的研制在傳統(tǒng)南55型滲透儀基礎上，結(jié)合電氣控制和軟件處理，研制出了智能四聯(lián)變水頭滲透儀（如圖1），同時結(jié)合用戶反饋，對儀器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

智能四聯(lián)變水頭滲透儀 1.1儀器特點
1.儀器智能化。本儀器采用高精度液位傳感器檢測水頭高度，利用ARM芯片設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠精準的分析不同水位高度對應的壓力值，并將模擬量轉(zhuǎn)換成高度值，實現(xiàn)了水頭高度的自動測量，代替了傳統(tǒng)的人工讀數(shù)，減少人為誤差；儀器自帶MICRO_SD存儲單元，時間間隔，存儲試驗過程中水頭高度的變化，實現(xiàn)脫機工作，待試驗完成后利用計算機數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)計算結(jié)果。試驗過程中無需人工參與，減少人為誤差，提高了工作效率和試驗精度，也可大大地解放勞動生產(chǎn)力。
2.自動補水裝置。本儀器增加了微型水泵，并實現(xiàn)自動化控制，可直接在觸摸屏上操作向水箱加水，方便快捷。
3.液位管上增加了防溢裝置，向液位管內(nèi)補水時無需擔心液位管內(nèi)的水溢出。
1.2主要技術(shù)指標土樣直徑61.8mm，面積30cm2；土樣高度4cm；液位管斷面積0.785cm2；液位量程1000mm；分辨率0.1cm；綜合*.3%F.S.
2 計算
 2.1滲透系數(shù)計算滲透試驗結(jié)果按變水頭公式，由軟件直接計算。

a―玻璃管橫截面面積0.785cm2A―土樣面積30cm2t1、t2―測量水頭的起始時間和終止時間（s）L―滲徑，即土樣高度4cmH1―起始水頭高度（液位），即土樣上端至起始水頭的距離（cm）H2―下降水頭高度（液位），即土樣上端至下降水頭的距離（cm） 2.2按下式計算校準溫度下的滲透系數(shù)    

KT―T℃時試樣滲透系數(shù)K20―20℃時試樣滲透系數(shù)ηT―T℃時水的動力粘滯系數(shù)（10-6kPa.s）ηT―20℃時水的動力粘滯系數(shù)（10-6kPa.s）比值ηT/η20與溫度的關(guān)系，見相關(guān)的表查得。3 液位傳感器標定液位傳感器標定是用來對儀器上的液位傳感器進行標準化定義。1、滿量程：需要標定的傳感器的總量程，以0.1mm為單位，本儀器可設置為10000（1000mm）。2、自動分段：對總量程進行等量分段，默認分五個點進行標定。3、調(diào)整水位：依次調(diào)整水位到實際值所示的值，點擊對應的采集按鈕，完成該點的標定。4、保存標定參數(shù)：采集完五個點后，觀察標定曲線（如圖2）是否是一條直線，確認是直線后點擊下載參數(shù)，將標定的數(shù)據(jù)寫入采集板。

圖2 傳感器標定曲線標定完成后，進行水頭高度檢驗，將液位標尺數(shù)值和顯示屏上數(shù)值進行對比，誤差在0.3%F.S.以內(nèi)，檢驗結(jié)果見表1。表1水頭高度檢驗結(jié)果

4 試驗操作步驟1.試驗前，開啟電源，利用微型水泵先向水箱注水；2.再依次將三通開關(guān)擰至“補水”，使有機玻璃管水位達到上限（1m水頭處）；3.將三通開關(guān)擰至“滲透”，打開容器開關(guān)，使下透水石與管路中的空氣排掉，待水滲出透水石將三通開關(guān)擰至“關(guān)閉”，同時關(guān)閉容器開關(guān)。

4.將飽和后的土樣兩端覆蓋上濕潤的濾紙，刀口向上放入滲透容器，然后依次在環(huán)刀的外側(cè)放入密封O型圈、密封壓板、擰緊鎖緊螺栓（避免底部滲漏），再在土樣上方安置透水石、導環(huán)和傳壓活塞，將鎖緊螺釘輕微壓住活塞；5.依次開啟三通開關(guān)補水，使有機玻璃管水位接近上限（1m以下），依次將三通開關(guān)擰至“滲透”，開始滲透試驗操作。6.在觸摸屏界面上設置相關(guān)參數(shù)，啟動數(shù)據(jù)采集，開啟容器開關(guān)，開始試驗。7.試驗結(jié)束后，將所有開關(guān)復位，并將試驗數(shù)據(jù)上傳至電腦，根據(jù)時間與水頭變化的關(guān)系曲線，選擇不同時間段計算出相應的滲透系數(shù)。8.需要時，輸出打印本次試驗成果；9.試驗結(jié)束后關(guān)閉電源，取出土樣，清洗容器。5 試驗實時記錄和處理結(jié)果本儀器操作系統(tǒng)可通過顯示觸摸屏進行儀器的參數(shù)預設、運行控制及人機交互；以四聯(lián)方式工作，可同時平行開展四組變水頭滲透試驗并生成試驗數(shù)據(jù)；儀器的數(shù)據(jù)采集器能進行數(shù)據(jù)自動采集、顯示、自動運行存儲，采集速度可自行設定1-10次/s；數(shù)據(jù)成果可以報告輸出或曲線圖形輸出。可通過局域網(wǎng)進行試驗數(shù)據(jù)在線查詢。可提供儀器的局域網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)通訊、下載、存儲與監(jiān)控功能；可根據(jù)用戶的多樣性