智能四联变水头渗透仪的研制与应用
引言土体渗透性的测定是岩土工程和工程地质评价的重要内容，常以渗透系数表示，渗透系数是衡量土体渗透性能的一项重要指标，通常使用常水头和变水头两种方法测定。对于常见的黏性土体的渗透系数测定常采用变水头渗透仪来完成。由于粘性土的渗透系数较小，通常要在几个小时或几十个小时完成一次试验，目前国内绝大部分单位采用人工读数，人工记录和人工计算，这样的试验方法普遍认为费事，人为因素较多，工作效率较低。在满足达西定律的渗透原理基础上进行了智能化的设计，并对渗透试验仪器的结构和功能做了改进，研制出了一种智能四联变水头渗透仪，实现了渗透系数试验的自动化，并得到了用户认可。1 试验仪器的研制在传统南55型渗透仪基础上，结合电气控制和软件处理，研制出了智能四联变水头渗透仪（如图1），同时结合用户反馈，对仪器结构进行了优化。
智能四联变水头渗透仪 1.1仪器特点
1.仪器智能化。本仪器采用高精度液位传感器检测水头高度，利用arm芯片设计数据采集系统，能够精准的分析不同水位高度对应的压力值，并将模拟量转换成高度值，实现了水头高度的自动测量，代替了传统的人工读数，减少人为误差；仪器自带micro_sd存储单元，时间间隔，存储试验过程中水头高度的变化，实现脱机工作，待试验完成后利用计算机数据采集数据和处理系统提取数据计算结果。试验过程中无需人工参与，减少人为误差，提高了工作效率和试验精度，也可极大地解放劳动生产力。
2.自动补水装置。本仪器增加了微型水泵，并实现自动化控制，可直接在触摸屏上操作向水箱加水，方便快捷。
3.液位管上增加了防溢装置，向液位管内补水时无需担心液位管内的水溢出。
1.2主要技术指标土样直径61.8mm，面积30cm2；土样高度4cm；液位管断面积0.785cm2；液位量程1000mm；分辨率0.1cm；综合*.3%f.s.
2 计算
2.1渗透系数计算渗透试验结果按变水头公式，由软件直接计算。
a―玻璃管横截面面积0.785cm2a―土样面积30cm2t1、t2―测量水头的起始时间和终止时间（s）l―渗径，即土样高度4cmh1―起始水头高度（液位），即土样上端至起始水头的距离（cm）h2―下降水头高度（液位），即土样上端至下降水头的距离（cm） 2.2按下式计算校准温度下的渗透系数
kt―t℃时试样渗透系数k20―20℃时试样渗透系数ηt―t℃时水的动力粘滞系数（10-6kpa.s）ηt―20℃时水的动力粘滞系数（10-6kpa.s）比值ηt/η20与温度的关系，见相关的表查得。3 液位传感器标定液位传感器标定是用来对仪器上的液位传感器进行标准化定义。1、满量程：需要标定的传感器的总量程，以0.1mm为单位，本仪器可设置为10000（1000mm）。2、自动分段：对总量程进行等量分段，默认分五个点进行标定。3、调整水位：依次调整水位到实际值所示的值，点击对应的采集按钮，完成该点的标定。4、保存标定参数：采集完五个点后，观察标定曲线（如图2）是否是一条直线，确认是直线后点击下载参数，将标定的数据写入采集板。
图2 传感器标定曲线标定完成后，进行水头高度检验，将液位标尺数值和显示屏上数值进行对比，误差在0.3%f.s.以内，检验结果见表1。表1水头高度检验结果
4 试验操作步骤1.试验前，开启电源，利用微型水泵先向水箱注水；2.再依次将三通开关拧至“补水”，使有机玻璃管水位达到上限（1m水头处）；3.将三通开关拧至“渗透”，打开容器开关，使下透水石与管路中的空气排掉，待水渗出透水石将三通开关拧至“关闭”，同时关闭容器开关。
4.将饱和后的土样两端覆盖上湿润的滤纸，刀口向上放入渗透容器，然后依次在环刀的外侧放入密封o型圈、密封压板、拧紧锁紧螺栓（避免底部渗漏），再在土样上方安置透水石、导环和传压活塞，将锁紧螺钉轻微压住活塞；5.依次开启三通开关补水，使有机玻璃管水位接近上限（1m以下），依次将三通开关拧至“渗透”，开始渗透试验操作。6.在触摸屏界面上设置相关参数，启动数据采集，开启容器开关，开始试验。7.试验结束后，将所有开关复位，并将试验数据上传至电脑，根据时间与水头变化的关系曲线，选择不同时间段计算出相应的渗透系数。8.需要时，输出打印本次试验成果；9.试验结束后关闭电源，取出土样，清洗容器。5 试验实时记录和处理结果本仪器操作系统可通过显示触摸屏进行仪器的参数预设、运行控制及人机交互；以四联方式工作，可同时平行开展四组变水头渗透试验并生成试验数据；仪器的数据采集器能进行数据自动采集、显示、自动运行存储，采集速度可自行设定1-10次/s；数据成果可以报告输出或曲线图形输出。可通过局域网进行试验数据在线查询。可提供仪器的局域网远程数据通讯、下载、存储与监控功能；可根据用户的多样性需求，提供各种智能化的功能选择。
关键词：液位传感器 芯片 数据采集 自动化控制 传感器
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1.仪器智能化。本仪器采用高精度液位传感器检测水头高度，利用arm芯片设计数据采集系统，能够精准的分析不同水位高度对应的压力值，并将模拟量转换成高度值，实现了水头高度的自动测量，代替了传统的人工读数，减少人为误差；仪器自带micro_sd存储单元，时间间隔，存储试验过程中水头高度的变化，实现脱机工作，待试验完成后利用计算机数据采集数据和处理系统提取数据计算结果。试验过程中无需人工参与，减少人为误差，提高了工作效率和试验精度，也可极大地解放劳动生产力。
2.自动补水装置。本仪器增加了微型水泵，并实现自动化控制，可直接在触摸屏上操作向水箱加水，方便快捷。
3.液位管上增加了防溢装置，向液位管内补水时无需担心液位管内的水溢出。
1.2主要技术指标土样直径61.8mm，面积30cm2；土样高度4cm；液位管断面积0.785cm2；液位量程1000mm；分辨率0.1cm；综合*.3%f.s.
2 计算
2.1渗透系数计算渗透试验结果按变水头公式，由软件直接计算。
a―玻璃管横截面面积0.785cm2a―土样面积30cm2t1、t2―测量水头的起始时间和终止时间（s）l―渗径，即土样高度4cmh1―起始水头高度（液位），即土样上端至起始水头的距离（cm）h2―下降水头高度（液位），即土样上端至下降水头的距离（cm） 2.2按下式计算校准温度下的渗透系数
kt―t℃时试样渗透系数k20―20℃时试样渗透系数ηt―t℃时水的动力粘滞系数（10-6kpa.s）ηt―20℃时水的动力粘滞系数（10-6kpa.s）比值ηt/η20与温度的关系，见相关的表查得。3 液位传感器标定液位传感器标定是用来对仪器上的液位传感器进行标准化定义。1、满量程：需要标定的传感器的总量程，以0.1mm为单位，本仪器可设置为10000（1000mm）。2、自动分段：对总量程进行等量分段，默认分五个点进行标定。3、调整水位：依次调整水位到实际值所示的值，点击对应的采集按钮，完成该点的标定。4、保存标定参数：采集完五个点后，观察标定曲线（如图2）是否是一条直线，确认是直线后点击下载参数，将标定的数据写入采集板。
图2 传感器标定曲线标定完成后，进行水头高度检验，将液位标尺数值和显示屏上数值进行对比，误差在0.3%f.s.以内，检验结果见表1。表1水头高度检验结果
4 试验操作步骤1.试验前，开启电源，利用微型水泵先向水箱注水；2.再依次将三通开关拧至“补水”，使有机玻璃管水位达到上限（1m水头处）；3.将三通开关拧至“渗透”，打开容器开关，使下透水石与管路中的空气排掉，待水渗出透水石将三通开关拧至“关闭”，同时关闭容器开关。
4.将饱和后的土样两端覆盖上湿润的滤纸，刀口向上放入渗透容器，然后依次在环刀的外侧放入密封o型圈、密封压板、拧紧锁紧螺栓（避免底部渗漏），再在土样上方安置透水石、导环和传压活塞，将锁紧螺钉轻微压住活塞；5.依次开启三通开关补水，使有机玻璃管水位接近上限（1m以下），依次将三通开关拧至“渗透”，开始渗透试验操作。6.在触摸屏界面上设置相关参数，启动数据采集，开启容器开关，开始试验。7.试验结束后，将所有开关复位，并将试验数据上传至电脑，根据时间与水头变化的关系曲线，选择不同时间段计算出相应的渗透系数。8.需要时，输出打印本次试验成果；9.试验结束后关闭电源，取出土样，清洗容器。5 试验实时记录和处理结果本仪器操作系统可通过显示触摸屏进行仪器的参数预设、运行控制及人机交互；以四联方式工作，可同时平行开展四组变水头渗透试验并生成试验数据；仪器的数据采集器能进行数据自动采集、显示、自动运行存储，采集速度可自行设定1-10次/s；数据成果可以报告输出或曲线图形输出。可通过局域网进行试验数据在线查询。可提供仪器的局域网远程数据通讯、下载、存储与监控功能；可根据用户的多样性需求，提供各种智能化的功能选择。
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