CN101949818A - 岩土渗透特性的自动检测计量装置及方法 - Google Patents

岩土渗透特性的自动检测计量装置及方法 Download PDF

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CN101949818A CN2010102818774A CN201010281877A CN101949818A CN 101949818 A CN101949818 A CN 101949818A CN 2010102818774 A CN2010102818774 A CN 2010102818774A CN 201010281877 A CN201010281877 A CN 201010281877A CN 101949818 A CN101949818 A CN 101949818A
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Abstract

本发明属于土工试验的检测设备技术领域，具体涉及一种岩土渗透特性的自动检测计量装置及方法，该装置包括自动补给水箱及与其连通的渗透仪，其中渗透仪连通有至少一量筒单元，量筒单元具有垂直设置且内径均匀的量筒，量筒内设有可随液面上升浮起的浮子，量筒壁上间隔设置有多个可感应浮子位置的液位位置传感器，液位位置传感器连接有被编程的电子控制单元。采用本发明中装置及方法可实现变水头渗透试验功能，试验过程完全符合相关的国家标准和行业标准规定，并且可以24小时连续工作以进行自动检测记录，全面提高渗透性试验的批量检测工作效率，降低人员劳动强度，降低检测工作成本，减小检测人员对检测结果的影响。

Description

岩土渗透特性的自动检测计量装置及方法
技术领域
 本发明属于土工试验的检测设备技术领域，具体涉及的是一种岩土渗透特性的自动检测计量装置及方法。
背景技术
渗透试验是土工试验基本试验检测项目之一，检测结果用于估计土体单元的渗透性特征及变化规律，为工程设计和施工提供准确可靠的渗透性指标。进行岩土渗透性试验（渗透系数                                               
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE002
测定），试验检测设备必不可少。
目前，进行岩土渗透性试验的试验设备——渗透仪均为人工操作设备，操作项目包括土样装卸、阀门开与关、数据读取、结果计算以及撰写报告，并且试验整个过程均需要求试验检测人员参与检测状况巡查，其特点是：自动化程度低，劳动工作量大，工作效率低，人力成本高。
当前进行试验测试时，试验数据的读取主体为试验检测操作人员，读取结果可能会因试验检测人员的工作经验、心理状态的不同而存在偶然误差或错误，这些读数偏差将直接影响渗透系数
Figure 59755DEST_PATH_IMAGE002
检测的准确性和精度。
现有的渗透仪基本为纯机械装置，未见电子控制与自动化技术应用，更没有引入多工位检测数据传输应用的总线网络通讯技术。
现有技术的不足是自动化测试程度低，高度依赖人力操作，工作效率低，人力成本高，检测结果受检测人员主观影响大。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，该装置通过增设进水量筒单元、排水量筒单元、排气量筒单元和电子测控制单位，并通过连接计算机，可以实现24小时无人职守持续试验检测，提高了试验效率、缩短了试验周期。
本发明的另一种目的是提供一种岩土渗透特性的自动检测计量方法。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，包括自动补给水箱及与其连通的渗透仪，所述自动补给水箱的主体为一用于容纳液态水的箱体，所述箱体通过水泵连通有进水管路，其特征在于：所述渗透仪通过电磁阀连通有至少一量筒单元，所述量筒单元具有垂直设置且内径均匀的量筒，所述量筒内设有可随液面上升浮起的浮子，所述浮子内设有磁性芯片，所述量筒壁上间隔设置有多个可接受所述磁性芯片信号的液位位置传感器，所述量筒底部设置电磁阀，所述液位位置传感器连接有被编程的电子控制单元，所述电子控制单元接受所述液位位置传感器的触发信号并相应计时，及控制所述电磁阀通/断。
所述量筒单元数量是三个，分别为进水量筒单元、排水量筒单元、排气量筒单元，其中所述进水量筒单元底部高于所述渗透仪顶部设置，所述排水量筒单元和排气量筒单元顶部低于所述渗透仪底部设置；所述多个液位位置传感器非等间距设置。
所述自动补给水箱的箱体顶部设有通气螺塞，所述箱体内中设有温度传感器、液位计及两个垂直间距为100mm液位开关，所述液位开关分别通过一继电器控制连接有所述水泵，所述温度传感器、液位计连接有所述计算机。
所述进水量筒单元与设置于所述渗透仪一侧壁的底部的进水口连接，所述的排水量筒单元与设置于所述渗透仪另一侧壁之顶部的排水口连接，所述的排气量筒单元与设置于所述渗透仪另一侧壁之底部的排气口连接。
所述排水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器一、二、三、四，其顶部通过管路及电磁阀一与所述渗透仪连通，其底部设置电磁阀五；所述排气量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器五、六、七、八，其顶部通过电磁阀二与所述渗透仪连通，其底部设置电磁阀六；所述进水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器九、十、十一、十二，其底部通过电磁阀三与所述渗透仪连通；所述液位位置传感器中：一与二的间距是三与四的3倍，二与三的间距是三与四的2倍；五与六的间距是七与八的3倍，六与七的间距是七与八的2倍；十一与十二的间距是九与十的3倍，十与十一的间距是九与十的2倍，所述自动补给水箱通过电磁阀四经管路、三通与所述电磁阀三及渗透仪连通。
一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
（a)       试验准备步骤，提供如权利要求7所述的自动检测计量装置，将所述渗透仪内放入土样，并启动所述水泵对自动补给水箱输入试验水；
（b)       自动排气步骤，电子控制单元控制电磁阀三关闭、电磁阀四打开，自动补给水箱内试验水进入渗透仪内，并通过所述土样分别从所述排水口和排气口排出，之后电子控制单元控制电磁阀五、六关闭，排水量筒单元、排气量筒单元中浮子分别随着液面上升并接近所述液位位置传感器四、八，所述液位位置传感器四、八发出触发信号至所述电子控制单元以开始进行计时，当所述两个浮子分别接近对应量筒单元中位于所述液位位置传感器四和八上方的液位位置传感器时，计时结束，通过液位位置传感器间间距、量筒截面积、浮子上升耗时计算排水速度，之后电子控制单元控制电磁阀五、六打开释放所述排水量筒单元、排气量筒单元内液体，之后关闭电磁阀五、六重新计时，当至少相邻二次的测量的排水速度偏差小于5％时自动排气步骤完成； 
（c)       进水量筒单元补水，电子控制单元控制电磁阀三、四打开，电磁阀一、二关闭，自动补给水箱内试验水进入进水量筒单元并使所述浮子上升，当所述浮子接近液位位置传感器九时，液位位置传感器九发出触发信号至所述电子控制单元，所述电子控制单元延时一段时间关闭电磁阀四以使进水量筒单元的液面稍高于液位位置传感器九，进水量筒单元补水步骤结束；
（d)       试验前管路泄露检测，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭、电磁阀三、一、五打开，进水量筒单元中的浮子随液面下降并接近液位位置传感器九时，电子控制单元开始计时并直至浮子下降到液位位置传感器十时停止计时，得到耗时
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE004
、进水量
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE006
进水速度
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE008
；之后完成如步骤c）所述的进水量筒单元补水步骤后，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭、电磁阀三、一、五打开，进水量筒单元的浮子随液面下降并接近液位位置传感器九时，电子控制单元控制电磁阀五关闭，排水量筒单元内浮子随液面上升并接近液位位置传感器四时，电子控制单元开始计时并直至浮子上升到液位位置传感器三时停止计时，得到耗时
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE010
、排水量
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE012
、排水速度
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE014
；若进水速度
Figure 913964DEST_PATH_IMAGE008
与排水速度
Figure 580569DEST_PATH_IMAGE014
偏差大于5％，则认为管路出现泄漏故障，电子控制单元控制电磁阀三、四关闭切断以暂停试验检测进程，并将泄漏故障代码发送至计算机，提示试验操作人员进行相应的检修维护；若进水速度
Figure 597066DEST_PATH_IMAGE008
与排水速度
Figure 95044DEST_PATH_IMAGE014
偏差小于5％，则进行下一试验检测操作；
（e)       进水量筒单元补水，重复步骤c）中所述过程；
（f)       变水头渗透性试验，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭，电磁阀三、一、五打开，进水量筒单元中的试验水进入渗透仪中，所述渗透仪渗出的试验水从排水量筒单元底部的电磁阀五排出，进水量筒单元中的浮子随着液面下降并接近液位位置传感器九，电子控制单元以接受液位位置传感器信号并进行如下计时：
从液位位置传感器九到液位位置传感器十计时为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE018
进水量为；
从液位位置传感器十到液位位置传感器十一计时为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE022
,
Figure 617423DEST_PATH_IMAGE018
进水量为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE024
；
从液位位置传感器十一到液位位置传感器十二计时为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE026
,
Figure 443428DEST_PATH_IMAGE018
进水量为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE028
； 
从液位位置传感器九到液位位置传感器十一计时为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE030
,
Figure 138982DEST_PATH_IMAGE018
进水量为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE032
；
从液位位置传感器九到液位位置传感器十二计时为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE034
,
Figure 366832DEST_PATH_IMAGE018
进水量为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE036
；
从液位位置传感器十到液位位置传感器十二计时为,进水量为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE040
；
电子控制单元根据耗时
Figure 492188DEST_PATH_IMAGE004
和进水量
Figure 912805DEST_PATH_IMAGE006
计算进水速度，并根据进水速度确定起作用的液位位置传感器：若进水速度大的选择间距大的两个液位位置传感器，进水速度小的选择间距小的两个液位位置传感器；之后采用如下公式进行变水头渗透系数计算以获得试验数据：
式中：
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE044
——实际环境温度下的渗透性系数；
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE046
——进水量筒单元的截面积cm2；
      
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE048
——
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE052
的变换因数；
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE054
——土样高度cm；
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE056
——土样的截面积cm2；
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE058
——水头起始到终止间耗时s；
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE060
——起始水头液位位置传感器与液位位置传感器十二的高度差；
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE062
——终止水头液位位置传感器与液位位置传感器十二的高度差；
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE064
——液位位置传感器十二与渗透仪排水口的高度差。
所述方法还包括试验后管路泄露检测：于步骤f）后重复步骤d）中所述过程，且若偏差大于5％，则步骤f）中所得渗透性系数无效，若偏差小于5％，则渗透性系数
Figure 813339DEST_PATH_IMAGE044
有效。
所述方法还包括试验后的渗透性系数
Figure 676252DEST_PATH_IMAGE044
温度校正，电子控制单元根据试验过程的来自于计算机的最高环境温度与最低温度之和的二分之一作为换算温度，自动查询得到温度水的动力粘滞系数
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE068
和20度时水的动力粘滞系数
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE070
，执行乘以
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE072
则得到标准20摄氏度渗透系数
Figure 928964DEST_PATH_IMAGE002
。
所述方法还包括检测结果传输及保存步骤：于步骤f）后，电子控制单元将试验结果及相关数据传输至计算机，计算机进行数据处理、存储和打印输出。
步骤b）中所述对应量筒单元中位于所述液位位置传感器四和八上方的液位位置传感器的具体选择应按照如下原则：每次测量时浮子上升接近哪一高度位置的液位位置传感器由排水速度决定，若：排水速度大预先设定的上限值所述电子控制单元选择最高位置的液位位置传感器一、五用于计时计算，排水速度小于预先设定的下限值所述电子控制单元选择最低位置的液位位置传感器三、七用于计时计算，排水速度处于预先设定的上限值与下限值之间所述电子控制单元选择中等位置的液位位置传感器二、六用于计时计算。
本发明的优点是：
1）试验装置可以实现自动检测、判别、记录试验稳定可靠、准确真实的试验数据，自动生成固定格式的试验检测报告，较大程度降低试验检测人员的劳动工作量。
2）试验装置为自动控制检测设备，减小了人力需求，降低了劳动力支出成本。
3）试验装置通过上位机可实现参数预先设置，灵活方便实现参数设置和多次测量取平均值功能，提供试验进程和运行状态的监控功能，可达到总揽全局效果。
4）试验装置可同时进行多组渗透性试验（最多可同时进行100组），并可实现24小时无人职守持续试验检测，提高了试验效率、缩短了试验周期。
附图说明
附图1为本发明自动检测计量装置的系统组成图；
附图2为渗透仪模块的组成结构示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如附图1、附图2所示，标号分别表示：电气控制柜模块1：电源1.1，计算机1.2，UPS电源1.3，打印机1.4，机柜1.5；自动补给水箱2：带温度显示的液位计2.1，箱体2.2，透气螺塞2.3，温度传感器2.4，低位液位开关2.5-1，高位液位开关2.5-2，继电器2.6，水泵2.7，排污阀2.8；渗透仪模块3：渗透仪3.1，常开型电磁阀3.2-1（一）、3.2-2（二），常闭型电磁阀3.3-1（三）、3.3-2（四）、3.3-3（五）、3.3-4（六），排水量筒单元3.4、3.5、3.6，电子控制单元3.9，浮子3.7-1、3.7-2、3.7-3；液位位置传感器3.8-1、3.8-2、3.8-3、3.8-4、3.8-5、3.8-6、3.8-7、3.8-8、3.8-9、3.8-10、3.8-11、3.8-12。
试验装置主要包含：电气控制柜模块1；自动补给水箱2；渗透仪模块3；还包括管路、接头、导线等。岩土渗透性的自动检测计量装置的系统组成见附图1。
电气控制柜模块1主要由电源1.1、计算机1.2、UPS电源1.3、打印机1.4、机柜1.5组成。
电源1.1给试验装置中的电子控制单元3.9提供24V直流电；
计算机1.2中安装有PCI-CAN总线接口卡用于与每个渗透仪模块的CAN通讯模块进行数据双向传输；
计算机1.2中安装有AD采集卡用于检测环境温度、环境湿度、大气压力、水箱水温、水箱液位；
计算机1.2中安装有渗透试验应用软件，软件可以进行每个渗透仪模块试验参数设置，设置参数包括试验项目、快速测量或精确测量模式，精确测量模式中的试验测量重复次数，体积校验参数等，软件可以检测、显示、记录试验状态和试验结果。
计算机1.2中的渗透试验应用软件通过PCI-CAN总线接口卡将设置的参数及水箱水温通过CAN总线传输至各个渗透仪模块并接受来自各个渗透仪模块的试验数据结果；
计算机1.2中的渗透试验应用软件将接收的试验数据结果自动处理生成固定格式报告，以Word文档自动存储起来，Word文档可通过1.4打印机输出为纸质试验报告。
计算机1.2中的渗透试验应用软件可通过PCI-CAN总线接口卡接收来自各个渗透仪模块发出的试验进程状态参数、故障报警参数，自动记录故障报警参数生成试验日志。
UPS电源模块1.3给试验装置中的计算机1.2、打印机1.4提供应急电源，确保在突然停电情况下试验操作者能及时存储试验记录，避免试验数据丢失。
打印机1.4将计算机1.2中的自动生成的试验报告打印输出。
机柜1.5用于安装承载电源1.1、计算机1.2、UPS电源1.3、打印1.4，机柜1.5的底部设置入风口，顶部出风口设置排风扇用于机柜内部强制排风散热。
自动补给水箱2为渗透仪模块3提供试验用水，由带温度显示的液位计2.1、水箱2.2、通气螺塞2.3、温度传感器2.4、液位位置开关2.5-1和2.5-2、继电器2.6、水泵2.7、排污阀2.8。
水箱2.2为不锈钢材料封闭式箱体，避免灰尘、杂质等进入水箱2.2内，箱体上部安装了通气螺塞2.3保证箱内外大气连通。
排污阀2.8安于水箱2.2的底部，用于清洗水箱2.2时的污水排出。
带温度显示的液位计2.1的液位检测电信号、温度传感器2.4的温度检测电信号输出至电气控制柜模块1的计算机1.2配置的AD采集卡中用于计算机1.2的水箱液位2.2监测和水温测量。
水箱2.2上盖板中安装有两个液位位置开关2.5-1、2.5-2，其中2.5-1为低位液位位置开关，用于自动补给水箱模块2的低水位控制，当液位下降至低位时，低位液位位置开关2.5-1和继电器2.6共同作用使自动补给水箱模块2的水泵2.7开始向水箱2.2补水。另一个为高位液位位置开关2.5-2，用于自动补给水箱模块2的高水位控制，当液位上升至高位时，高位液位位置开关2.5-2和继电器2.6共同作用使自动补给水箱模块2的水泵2.7停止补水。在高、低液位位置开关2.5-1、2.5-2的控制下，自动补给水箱模块2的水位始终保持在高、低液位之间。高、低液位差为100mm。自动补给水箱模块的水箱的截面积较大以保证各渗透仪模块同时工作持续较长的时间。
渗透仪模块3包括渗透仪3.1，常开型电磁阀3.2-1、3.2-2，常闭型电磁阀3.3-1、3.3-2、3.3-3，3.3-4，排水量筒单元3.4，排气量筒单元3.5，进水量筒单元3.6，浮子3.7-1、3.7-2、3.7-3，液位位置传感器3.8-1、3.8-2、3.8-3、3.8-4、3.8-5、3.8-6、3.8-7、3.8-8、3.8-9、3.8-10、3.8-11、3.8-12，3.9电子控制单元，管路，管接。渗透仪模块的组成见附图2。
渗透仪3.1提供土样装载的密封容器，通过进水口、排水口、排气口与外部连接，由套筒、上盖、下盖、密封圈、环刀、透水石等组成。
常开型电磁阀3.2-1在渗透仪3的排水口后的排水管路上，控制排水通路的连通与切断。
常开型电磁阀3.2-2在渗透仪3的排气口后的排气管路上，控制排气通路的连通与切断。
常闭型电磁阀3.3-1在进水量筒单元3.6后的进水支路上，控制进水量筒单元3后的进水支路的连通与切断。
常闭型电磁阀3.3-2在自动补给水箱2.2后供水支路上，控制供水支路的连通与切断。
常闭型电磁阀3.3-3在排水量筒单元3.4出水口后的管路上，控制排水量筒单元3出水管路的连通与切断。
常闭型电磁阀3.3-4在排气量筒单元3.5出水口后的管路上，控制排气量筒单元3出水管路的连通与切断。
排水量筒单元3.4、排气量筒单元3.5、进水量筒单元3.6均由量筒和固定支架组成，量筒为圆形中空结构，圆形中空的截面积为规定值，可容纳一定高度的水，量筒的材料为非磁性材料（如玻璃、不锈钢、铜、铝等），量筒安装固定在支架上。
排水量筒单元3.4位于渗透仪3的排水管正下方用于收集渗透仪3的排水，浮子3.7-1位于排水量筒单元3.4的量筒中，量筒有水时，浮子3.7-1浮在液面上，浮子3.7-1中含有磁性材料。液位位置传感器3.8-1、3.8-2、3.8-3、3.8-4为接近传感器，非等距地安装在排水量筒单元3.4的固定支架上，非等距安装是为了便于电子控制单元3.9根据排水速度智能决定排水体积，速度大的采用大间距测量，速度小的采用小间距离测量，从而最合理兼顾测量精度和测量耗时。液位位置传感器3.8-1与液位位置传感器3.8-2间距为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE074
，液位位置传感器3.8-2与液位位置传感器3.8-3间距为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE076
，液位位置传感器3.8-3与液位位置传感器3.8-4间距是液位位置传感器为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure 154540DEST_PATH_IMAGE078
为
Figure 120222DEST_PATH_IMAGE074
的3倍，
Figure 301805DEST_PATH_IMAGE078
为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE080
的2倍。随着量筒液面的上升浮子3.7-1接近任何一个液位位置传感器（接近传感器）时，该液位位置传感器将发出一个触发信号，从而完成对量筒中的液面定位。
排气量筒单元3.5位于渗透仪3的排气管正下方用于收集渗透仪的排气口的排水，浮子3.7-2位于排气量筒单元3.4的量筒中，浮子3.7-2的功能同3.7-1。液位位置传感器3.8-5、3.8-6、3.8-7、3.8-8为接近传感器，非等距地安装在排气量筒单元3.4的固定支架上，功能同3.8-1～3.8-4。液位位置传感器3.8-8与液位位置传感器3.8-7间距为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE082
，液位位置传感器3.8-7与液位位置传感器3.8-6间距为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE084
，液位位置传感器3.8-6与液位位置传感器3.8-5间距是液位位置传感器为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE086
，为的3倍，
Figure 583510DEST_PATH_IMAGE084
为
Figure 822861DEST_PATH_IMAGE082
的2倍。
进水量筒单元3.6位于渗透仪3的上方用于提供变水头渗透性试验的进水测量，浮子3.7-3位于进水量筒单元3.6的量筒中，浮子3.7-3的功能同3.7-1、3.7-2。液位位置传感器3.8-9、3.8-10、3.8-11、3.8-12为接近传感器，非等距地安装在进水量筒单元3.6的固定支架上，功能同3.8-1～3.8-8。液位位置传感器3.8-9与液位位置传感器3.8-10间距为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE088
，液位位置传感器3.8-10与液位位置传感器3.8-11间距为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE090
，液位位置传感器3.8-11与液位位置传感器3.8-12间距是液位位置传感器为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE092
，为
Figure 377744DEST_PATH_IMAGE088
的3倍，为
Figure 513508DEST_PATH_IMAGE088
的2倍。
电子控制单元3.9接收每一液位位置传感器3.8.1～12的触发信号，并相应计时；电子控制单元3.9根据试验进程的需要自动控制电磁阀3.2-1～2、3.3-1～3.3-4的通与断。电子控制单元3.9根据计时、测定液面变化高度、水箱水温等自动计算渗透系数
Figure 310562DEST_PATH_IMAGE002
，并可进行多次测量取平均值。电控控制单元3.9通过CAN总线与计算机进行通讯，接收设置参数，发送测量结果、试验检测进程及状态等。
4）变水头渗透性自动检测方法与原理描述
试验步骤1，试验准备步骤，将渗透仪内放入土样，启动自动补给水箱；
试验步骤2，试验前自动排气过程： 电子控制单元3.9发出控制信号将电磁阀3.3-1关闭切断、电磁阀3.3-2打开连通，自动补给水箱模块2的试验蒸馏水由供水管路通过电磁阀3.3-2至渗透仪3.1的进水口流入渗透仪3.1内部，试验蒸馏水的不断进入，将渗透仪器3.1及试验土样中的空气赶出，分别从排水口和排气口排出，电子控制单元3.9发出控制信号将电磁阀3.3-3关闭切断、电磁阀3.3-4关闭切断，排水量筒单元3.4、排气量筒单元3.5中浮子3.7-1、3.7-2随着液面上升而上升，浮子接近液位位置传感器时，液位位置传感器发出触发信号，电子控制单元3.9接收到触发信号，电子控制单元3.9内部的计时器进行计时，两个液位位置传感器间隔高度和量筒截面积的乘积为排水量，排水量除以排出该水量的耗时为排水速度，当多次测量的排水速度偏差小于5％时则认为渗透仪3.1及试验土样中的空气排尽，试验装置可进行后续的试验检测。
试验步骤3，进水量筒单元补水过程：执行完排气过程，渗透仪3.1及试验土样中的空气排尽后。电子控制单元3.9控制电磁阀3.3-1、3.3-2打开连通，电磁阀3.2-1、3.2-2关闭切断，来自自动补给水箱的试验用水通过电磁阀3.3-2经管路通过电磁阀3.3-1进入进水量筒单元3.6，进水量筒单元3.6中的浮子3.7-3随着液面上升而上升，浮子接近液位位置传感器时，液位位置传感器发出触发信号，电子控制单元3.9接收到触发信号，电子控制单元3.9内部的计时器进行计时，两个液位位置传感器间隔高度和量筒截面积的乘积为进水量，进水量除以进该水量的耗时为进水速度，当浮子3.7-3到达液位位置传感器3.8-9时，电子控制单元3.9根据进水速度自动延时一段时间关闭电磁阀3.3-2，保证进水量筒单元的液面稍高于液位位置传感器3.8-9位置。
试验步骤4，渗透仪模块3及管路试验前泄漏检测：完成进水量筒补水过程，电子控制单元3.9控制电磁阀3.3-2、3.2-2关闭切断、电磁阀3.3-1、3.2-1、3.3-3打开连通，进水量筒单元3.6中的液面下降，浮子3.7-3随着液面下降而下降，当接近液位位置传感器3.8-9时，电子控制单元3.9内部计时器开始计时，当浮子3.7-3下降到液位位置传感器3.8-10时，电子控制单元3.9内部计时器停止计时，从而获得液位下降
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE094
高度（液位位置传感器3.8-9、3.8-10的间距）的耗时
Figure 794765DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 905940DEST_PATH_IMAGE094
乘以进水量筒单元3.6的量筒截面积
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE096
进得进水量
Figure 854304DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 759944DEST_PATH_IMAGE006
除以
Figure 793759DEST_PATH_IMAGE004
得到进水速度
Figure 443046DEST_PATH_IMAGE008
。再次完成进水量筒补水过程，电子控制单元3.9控制电磁阀3.3-2、3.2-2关闭切断、电磁阀3.3-1、3.2-1、3.3-3打开连通，进水量筒单元3.6中的液面下降，浮子3.7-3随着液面下降而下降，当接近液位位置传感器3.8-9时，电子控制单元3.9控制电磁阀3.3-3关闭切断，排水量筒单元3.4开始收集经过渗透仪3.1排出试验水，浮子3.7-1浮子随液面上升而上升，当浮子上升接近液位位置传感器3.8-4时，电子控制单元3.9内部计时器开始计时，当浮子上升接近液位位置传感器3.8-3时，电子控制单元3.9内部计时器停止计时，从而获得液位上升降高度（液位位置传感器3.8-9、3.8-10的间距）的耗时
Figure 245917DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 322457DEST_PATH_IMAGE098
乘以排水量筒单元3.4的量筒截面积进得排水量
Figure 843568DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 30967DEST_PATH_IMAGE012
除以
Figure 953924DEST_PATH_IMAGE010
得到进水速度
Figure 218944DEST_PATH_IMAGE014
。若
Figure 289668DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 280758DEST_PATH_IMAGE014
偏差大于5％，则认为该渗透仪模块及管路出现泄漏故障，电子控制单元3.9控制电磁阀3.3-1、3.3-2关闭切断暂停试验检测进程，并将泄漏故障代码通过CAN总线发送至计算机1.2，计算机1.2显示故障渗透仪模块及警示信号提示试验操作人员进行相应的检修维护。若
Figure 58221DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 476564DEST_PATH_IMAGE014
偏差小于5％，则可进行下一试验检测操作。
试验步骤5，正式检测过程：通过排气检测、泄漏检测后，进行变水头渗透性试验。电子控制单元3.9控制完成补水，进水量筒单元的液面稍高于液位位置传感器3.8-9位置。电子控制单元3.9控制电磁阀3.3-2关闭切断，电磁阀3.3-1打开连通，电磁阀3.2-2关闭切断，电磁阀3.2-1打开连通, 电磁阀3.3-3打开连通。进水量筒单元3.6中的试验用水通过电磁阀3.3-1经管路进入渗透仪3.1，渗透仪3.1渗出的试验水从排水口排出通过电磁阀3.2-1经管路流入排水量筒单元3.4中，然后通过电磁阀3.3-3排出。进水量筒单元3.6中的浮子3.7-3随着液面下降而下降，浮子接近液位位置传感器时，液位位置传感器发出触发信号，电子控制单元3.9接收到触发信号，电子控制单元3.9内部的计时器进行计时：进水量从液位位置传感器3.8-9到液位位置传感器3.8-10计时为,进水量为
Figure 563786DEST_PATH_IMAGE020
 ；进水量从液位位置传感器3.8-10到液位位置传感器3.8-11计时为
Figure 195755DEST_PATH_IMAGE022
, 进水量为
Figure 784999DEST_PATH_IMAGE024
； 进水量从液位位置传感器3.8-11到液位位置传感器3.8-12计时为
Figure 830316DEST_PATH_IMAGE026
, 进水量为
Figure 163208DEST_PATH_IMAGE028
； 进水量从液位位置传感器3.8-9到液位位置传感器3.8-11计时为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE102
, 进水量为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE104
；进水量从液位位置传感器3.8-9到液位位置传感器3.8-12计时为, 进水量为
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE106
；进水量从液位位置传感器3.8-10到液位位置传感器3.8-12计时为
Figure 550775DEST_PATH_IMAGE038
, 进水量为；电子控制单元3.9根据耗时
Figure 892075DEST_PATH_IMAGE004
和进水量
Figure 295375DEST_PATH_IMAGE006
计算进水速度，根据进水速度确定合理的单次时间，进而确定起作用的液位位置传感器，进水速度大的选择间距大的两个液位位置传感器，进水速度小的选择间距小的两个液位位置传感器。
电子控制单元3.9中变水头渗透系数计算：
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE108
式中：
Figure 429684DEST_PATH_IMAGE046
——进水量筒单元的截面积cm2；
      
Figure 115837DEST_PATH_IMAGE048
——
Figure 852849DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 313917DEST_PATH_IMAGE052
的变换因数；
Figure 681445DEST_PATH_IMAGE054
——试样高度cm；
Figure 595174DEST_PATH_IMAGE056
——试样的截面积cm2；
Figure 135877DEST_PATH_IMAGE058
——水头起始到终止间耗时s；
Figure 717031DEST_PATH_IMAGE060
——起始水头液位位置传感器与液位位置传感器3.8-12的高度差；
——终止水头液位位置传感器与液位位置传感器3.8-12的高度差；
Figure 656485DEST_PATH_IMAGE064
——液位位置传感器3.8-12与渗透仪3.1排水口的高度差；
Figure 672982DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 170960DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 614711DEST_PATH_IMAGE054
、为已知量，由计算机1.2设置，通过CAN总线传输给电子控制单元3.9。为电子控制单元3.9的内部计时器检测量（与试验步骤4中的
Figure 941284DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 821515DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 197133DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 555433DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 28003DEST_PATH_IMAGE034
、相关），、
Figure 832602DEST_PATH_IMAGE062
为电子控制单元3.9根据液位位置传感器3.8-9、3.8-10、3.8-11、3.8-12发出触发信号自动判断起作用的液位位置传感器，从而选择的实际高度差值（与
Figure 159678DEST_PATH_IMAGE088
、、相关），
Figure 432024DEST_PATH_IMAGE088
、、储存在电子控制单元3.9中，如果实际距离间隔改变，可将实际距离值由计算机设置，通过CAN总线传输至电子控制单元3.9中。
试验步骤6，渗透仪模块3及管路试验后泄漏检测：完成渗透性检测后，重复进行泄漏检测，检测方法同渗透仪模块3及管路试验前泄漏检测，这时得到进水速度
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE110
和排水速度
Figure 2010102818774100002DEST_PATH_IMAGE112
，若
Figure 781731DEST_PATH_IMAGE110
与
Figure 285525DEST_PATH_IMAGE112
偏差大于5％，则认为该渗透仪模块及管路出现泄漏故障，前面检测的渗透性系数无效，电子控制单元3.9控制电磁阀3.3-1、3.3-2关闭切断暂停试验检测进程，并将泄漏故障代码通过CAN总线发送至计算机1.2，计算机1.2显示故障渗透仪模块及警示信号提示试验操作人员进行相应的检修维护。若与
Figure 210253DEST_PATH_IMAGE112
偏差小于5％，则可进行下一试验检测操作。
试验步骤7，试验后的渗透性系数
Figure 252158DEST_PATH_IMAGE044
温度校正：电子控制单元根据试验过程的来自于计算机的最高环境温度与最低温度之和的二分之一作为换算温度
Figure 346016DEST_PATH_IMAGE066
，自动查询得到
Figure 80754DEST_PATH_IMAGE066
温度水的动力粘滞系数
Figure 627273DEST_PATH_IMAGE068
和20度时水的动力粘滞系数
Figure 800765DEST_PATH_IMAGE070
，执行
Figure 749129DEST_PATH_IMAGE044
乘以则得到标准20摄氏度渗透系数
Figure 682724DEST_PATH_IMAGE002
。
试验步骤8，检测结果传输：通过泄漏检测后，电子控制单元3.9将试验结果及相关数据通过CAN总线传输至计算机1.2。
试验步骤9，计算机数据处理、存储和打印输出：计算机1.2接收到试验结果及数据后，通过软件进行处理，自动生成规定格式的报告存储在硬盘中，并可通过打印机进行纸质报告输出。

Claims (10)

1.一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，包括自动补给水箱及与其连通的渗透仪，所述自动补给水箱的主体为一用于容纳液态水的箱体，所述箱体通过水泵连通有进水管路，其特征在于：所述渗透仪通过电磁阀连通有至少一量筒单元，所述量筒单元具有垂直设置且内径均匀的量筒，所述量筒内设有可随液面上升浮起的浮子，所述浮子内设有磁性芯片，所述量筒壁上间隔设置有多个可接受所述磁性芯片信号的液位位置传感器，所述量筒底部设置电磁阀，所述液位位置传感器连接有被编程的电子控制单元，所述电子控制单元接受所述液位位置传感器的触发信号并相应计时，及控制所述电磁阀通/断。
2.根据权利要求1所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于所述量筒单元数量是三个，分别为进水量筒单元、排水量筒单元、排气量筒单元，其中所述进水量筒单元底部高于所述渗透仪顶部设置，所述排水量筒单元和排气量筒单元顶部低于所述渗透仪底部设置；所述多个液位位置传感器非等间距设置。
3.根据权利要求1所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于所述自动补给水箱的箱体顶部设有通气螺塞，所述箱体内中设有温度传感器、液位计及两个垂直间距为100mm液位开关，所述液位开关分别通过一继电器控制连接有所述水泵，所述温度传感器、液位计连接有所述计算机。
4.根据权利要求1所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于所述进水量筒单元与设置于所述渗透仪一侧壁的底部的进水口连接，所述的排水量筒单元与设置于所述渗透仪另一侧壁之顶部的排水口连接，所述的排气量筒单元与设置于所述渗透仪另一侧壁之底部的排气口连接。
5.根据权利要求2或4所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于所述排水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器一、二、三、四，其顶部通过管路及电磁阀一与所述渗透仪连通，其底部设置电磁阀五；所述排气量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器五、六、七、八，其顶部通过电磁阀二与所述渗透仪连通，其底部设置电磁阀六；所述进水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器九、十、十一、十二，其底部通过电磁阀三与所述渗透仪连通；所述液位位置传感器中：一与二的间距是三与四的3倍，二与三的间距是三与四的2倍；五与六的间距是七与八的3倍，六与七的间距是七与八的2倍；十一与十二的间距是九与十的3倍，十与十一的间距是九与十的2倍，所述自动补给水箱通过电磁阀四经管路、三通与所述电磁阀三及渗透仪连通。
6.一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
试验准备步骤，提供如权利要求7所述的自动检测计量装置，将所述渗透仪内放入土样，并启动所述水泵对自动补给水箱输入试验水；
自动排气步骤，电子控制单元控制电磁阀三关闭、电磁阀四打开，自动补给水箱内试验水进入渗透仪内，并通过所述土样分别从所述排水口和排气口排出，之后电子控制单元控制电磁阀五、六关闭，排水量筒单元、排气量筒单元中浮子分别随着液面上升并接近所述液位位置传感器四、八，所述液位位置传感器四、八发出触发信号至所述电子控制单元以开始进行计时，当所述两个浮子分别接近对应量筒单元中位于所述液位位置传感器四和八上方的液位位置传感器时，计时结束，通过液位位置传感器间间距、量筒截面积、浮子上升耗时计算排水速度，之后电子控制单元控制电磁阀五、六打开释放所述排水量筒单元、排气量筒单元内液体，之后关闭电磁阀五、六重新计时，当至少相邻二次的测量的排水速度偏差小于5％时自动排气步骤完成； 
进水量筒单元补水，电子控制单元控制电磁阀三、四打开，电磁阀一、二关闭，自动补给水箱内试验水进入进水量筒单元并使所述浮子上升，当所述浮子接近液位位置传感器九时，液位位置传感器九发出触发信号至所述电子控制单元，所述电子控制单元延时一段时间关闭电磁阀四以使进水量筒单元的液面稍高于液位位置传感器九，进水量筒单元补水步骤结束；
试验前管路泄露检测，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭、电磁阀三、一、五打开，进水量筒单元中的浮子随液面下降并接近液位位置传感器九时，电子控制单元开始计时并直至浮子下降到液位位置传感器十时停止计时，得到耗时                                               
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE002
、进水量
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE004
进水速度；之后完成如步骤c）所述的进水量筒单元补水步骤后，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭、电磁阀三、一、五打开，进水量筒单元的浮子随液面下降并接近液位位置传感器九时，电子控制单元控制电磁阀五关闭，排水量筒单元内浮子随液面上升并接近液位位置传感器四时，电子控制单元开始计时并直至浮子上升到液位位置传感器三时停止计时，得到耗时
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE008
、排水量
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE010
、排水速度
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE012
；若进水速度
Figure 232678DEST_PATH_IMAGE006
与排水速度
Figure 87501DEST_PATH_IMAGE012
偏差大于5％，则认为管路出现泄漏故障，电子控制单元控制电磁阀三、四关闭切断以暂停试验检测进程，并将泄漏故障代码发送至计算机，提示试验操作人员进行相应的检修维护；若进水速度
Figure 867238DEST_PATH_IMAGE006
与排水速度
Figure 200131DEST_PATH_IMAGE012
偏差小于5％，则进行下一试验检测操作；
进水量筒单元补水，重复步骤c）中所述过程；
变水头渗透性试验，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭，电磁阀三、一、五打开，进水量筒单元中的试验水进入渗透仪中，所述渗透仪渗出的试验水从排水量筒单元底部的电磁阀五排出，进水量筒单元中的浮子随着液面下降并接近液位位置传感器九，电子控制单元以接受液位位置传感器信号并进行如下计时：
从液位位置传感器九到液位位置传感器十计时为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE014
,
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE016
进水量为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE018
；
从液位位置传感器十到液位位置传感器十一计时为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE020
,进水量为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE022
；
从液位位置传感器十一到液位位置传感器十二计时为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE024
,
Figure 457205DEST_PATH_IMAGE016
进水量为； 
从液位位置传感器九到液位位置传感器十一计时为,
Figure 537287DEST_PATH_IMAGE016
进水量为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE030
；
从液位位置传感器九到液位位置传感器十二计时为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE032
,
Figure 611554DEST_PATH_IMAGE016
进水量为；
从液位位置传感器十到液位位置传感器十二计时为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE036
,
Figure 155799DEST_PATH_IMAGE016
进水量为
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE038
；
电子控制单元根据耗时
Figure 24529DEST_PATH_IMAGE002
和进水量
Figure 778858DEST_PATH_IMAGE004
计算进水速度，并根据进水速度确定起作用的液位位置传感器：若进水速度大的选择间距大的两个液位位置传感器，进水速度小的选择间距小的两个液位位置传感器；之后采用如下公式进行变水头渗透系数计算以获得试验数据：
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE040
式中：
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE042
——实际环境温度下的渗透性系数；
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE044
——进水量筒单元的截面积cm2；
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE046
——
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE050
的变换因数；
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE052
——土样高度cm；
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE054
——土样的截面积cm2；
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE056
——水头起始到终止间耗时s；
——起始水头液位位置传感器与液位位置传感器十二的高度差；
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE060
——终止水头液位位置传感器与液位位置传感器十二的高度差；
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE062
——液位位置传感器十二与渗透仪排水口的高度差。
7.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方法还包括试验后管路泄露检测：于步骤f）后重复步骤d）中所述过程，且若偏差大于5％，则步骤f）中所得渗透性系数
Figure 824525DEST_PATH_IMAGE042
无效，若偏差小于5％，则渗透性系数
Figure 347910DEST_PATH_IMAGE042
有效。
8.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方法还包括试验后的渗透性系数
Figure 715437DEST_PATH_IMAGE042
温度校正，电子控制单元根据试验过程的来自于计算机的最高环境温度与最低温度之和的二分之一作为换算温度
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE064
，自动查询得到
Figure 832429DEST_PATH_IMAGE064
温度水的动力粘滞系数
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE066
和20度时水的动力粘滞系数，执行
Figure 982919DEST_PATH_IMAGE042
乘以
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE070
则得到标准20摄氏度渗透系数
Figure 2010102818774100001DEST_PATH_IMAGE072
。
9.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方法还包括检测结果传输及保存步骤：于步骤f）后，电子控制单元将试验结果及相关数据传输至计算机，计算机进行数据处理、存储和打印输出。
10.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于步骤b）中所述对应量筒单元中位于所述液位位置传感器四和八上方的液位位置传感器的具体选择应按照如下原则：每次测量时浮子上升接近哪一高度位置的液位位置传感器由排水速度决定，若：排水速度大预先设定的上限值所述电子控制单元选择最高位置的液位位置传感器一、五用于计时计算，排水速度小于预先设定的下限值所述电子控制单元选择最低位置的液位位置传感器三、七用于计时计算，排水速度处于预先设定的上限值与下限值之间所述电子控制单元选择中等位置的液位位置传感器二、六用于计时计算。
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