CN105044156A - 一种电模拟渗流测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电模拟渗流测试系统及方法，其原理简单、测量比较方便、快速准确地测出模型的等势线（流线）和渗流量，试验技术容易掌握，应用于《水工建筑物》、《水力学》等专业课和专业基础课的渗流实践教学和相关科研中，特别适用于解决特殊材料建筑物（如灰坝等）的渗流问题，为建筑物的稳定分析与安全校核提供依据。

Description

一种电模拟渗流测试系统及方法

技术领域

本发明属于水工水力学及电子测量技术领域，特别涉及一种电模拟渗流测试系统及方法。

背景技术

渗流理论在水利、土建、给水排水、环境保护、地质、石油、化工等许多领域都有广泛的应用。在水利工程中，土壤及透水地基上水工建筑物的渗漏及稳定，水井、集水廊道等集水建筑物的供水能力，水库及河渠边岸的侧渗引起的滑坡等问题都与渗流有关。

目前用于测试渗流的仪器根据惠斯通电桥平衡原理制作，通过增大模型电压或减小模型电阻和测量电路电阻，实现高灵敏度测量的目的，然而这类方法的主要问题是当模型电压过大的情况下，模型中温度将显著上升，从而引起对流干扰，严重影响测量结果，因此这类方法要求加在模型两极板间的电压小于30v(一般为10v)，二向模型的功率通常小于1w。相应的为了提高灵敏度，仪器中必须设计一个运算放大和差分放大电路，二者通过电流互感器联系，为给差分放大器供电必须设置变压器，加上仪器信号发生装置及其它元器件等。仪器元器件较多，不利于工作，更为重要的是桥路的一支起着电压设定的作用，其精度直接影响到测试结果的准确程度。该支路一般用在琴键开关上焊接10个等值电阻来测定模型电场中的各点电位，从而测出等势线。焊接工艺造成的附加电阻一定程度上造成了等势线的测量误差，且随着琴键开关触头不断被氧化，容易出现接触不良现象。

根据惠斯通电桥原理制作的仪器，在测量上最大缺陷是只能测量几种固定百分比(如10％、20％……80％、90％)的等势线，不能测任意百分比的等势线，这样仪器不能满足渗流试验研究时需要对模型特殊部位进行加密测试的要求。

渗流量的测量是渗流试验研究的内容之一，通常是用测量模型电阻，再根据电压表的读数计算通过模型的电流，然后计算渗流量，而模型电阻需要用电桥平衡原理来测量，这样模型中必须设计两套电桥电路，一个用于测模型等势线，一个测模型电阻，两者测量需要用转换开关进行转换，电路设计相对比较复杂，仪器维护较麻烦。

如前所述，现有电模拟渗流测量仪器存在电路设计复杂、元器件较多、使用的琴键开关容易出现接触不良、不能满足渗流试验研究时对特殊部位的等势线进行加密测量、仪器维护频繁等问题，严重影响其在渗流试验研究和教学中的推广和应用。

发明内容

本发明的目的就是针对目前电模拟渗流测试仪器存在的问题，提出一种全阵式电模拟渗流测试系统及方法，为满足水工渗流试验研究提供支持。

本发明所提供的技术方案如下：

一种电模拟渗流测试系统，包括信号发生单元1、渗流测试单元7和直流稳压电源15；直流稳压电源15分别与信号发生单元1、渗流测试单元7连接；

所述信号发生单元1包括依次连接的退耦电路2、自激多谐振荡器3、耦合电路一4、信号放大器5、耦合电路二6；

所述渗流测试单元7包括分压电路8、测量电路转换装置9、等势线测量电路10、渗流量测量电路11、ICL7135转换器12、AT89C51单片机13、显示屏14，分压电路8与测量电路转换装置9连接，测量电路转换装置9分别与等势线测量电路10、渗流量测量电路11连接，等势线测量电路10、渗流量测量电路11分别与ICL7135转换器12连接，ICL7135转换器12、AT89C51单片机13、显示屏14依次连接；等势线测量电路10或渗流量测量电路11只有一个处于工作状态，通过测量电路转换装置9来控制；

信号发生单元1中的耦合电路二6与渗流测试单元7中的分压电路8连接。

一种电模拟渗流测试方法，包括以下步骤：

步骤1：采用阻容电路对电源进行退耦处理，自激多谐振荡器电路发生1500Hz的脉冲信号，经过耦合，再将信号进行放大和二次耦合，模拟电信号发生过程；

步骤2：采用分压电路，将模拟电信号加在由待测模型和已知阻值的固定电阻组成的串联电路中，通过分压调节来控制待测模型的电势差；

步骤3：分别采用等势线测量电路和渗流量测量电路来测量待测模型中的等势线和渗流量，二者之间通过一种自复位开关来实现电路切换；

步骤4：采用ICL7135和单片机将测量信号转换成数字输出，并在显示屏中显示，测试数值类型和单位通过显示屏单位名称来识别；

作为优选步骤1中可选用施密特触发器构成的多谐振荡器发生脉冲电信号，但信号频率必须达到步骤1中的要求；

作为优选步骤3可以采用等势线和渗流量同步测量的方法，两个测量电路同时工作；

作为优选步骤4中可采用等势线和渗流量测量数据同时在一个显示屏上显示，但上述步骤4中的电路连接方式是使用元器件最少的。

为实现上述过程，本发明采用如下具体方法：

信号发生单元以NE555为基本单元组成自激多谐振荡电路，进行输出信号频率的调节和控制，经过耦合去除杂质信号和直流信号，信号经过放大来实现对电路输出信号的调整，然后再进行二次耦合后得到满足试验要求的电信号，在电路中还设计了退耦电路以消除电路网络之间的寄生耦合。

信号发生单元产生的电信号通过渗流测试单元来对待测模型进行渗流要素的测试。

首先通过分压电路，将信号单元产生的电信号加在待测模型上下游极板上，分压电路主要电器元件为电位器，通过电位器的调节使待测模型达到试验要求的数值。

渗流要素主要包括等势线和渗流量，本发明设计了一个等势线测量电路和一个渗流量测量电路，二者之间通过一种自复位开关来切换，该装置保证电路中只有一种测量电路处于工作状态，测试电路工作状态信息通过单片机识别，可在显示屏上显示。

测量电路输入的电信号通过ICL7135转换器进行转换，单片机进行数据处理，并对测量电路信号进行识别，将结果和信息在显示屏上显示。

与现有电模拟渗流测试技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、用直接测量电场中的电势方法测量模型等势线，电路设计简单，操作方便，性能可靠；

2、能测量任意百分比的等势线，满足渗流试验研究对特殊部位的等势线进行加密测量要求；

3、抛弃了常规测试仪器两套桥路的设计方法，避免了测试过程中因接触不良而导致的误差；

4、渗流量测量简单。

附图说明

图1是本发明的测试原理图。

1-信号发生单元、2-退耦电路、3-自激多谐振荡器、4-耦合电路一、5-信号放大器、6-耦合电路二、7-渗流测试单元、8-分压电路、9-测量电路转换装置、10-等势线测量电路、11-渗流量测量电路、12-ICL7135转换器、13-AT89C51、14-显示屏、15-直流稳压电源。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

本发明提供的电模拟渗流测试系统，包括信号发生单元1、渗流测试单元7和直流稳压电源15，其中信号发生单元1由退耦电路2、自激多谐振荡器3、耦合电路一4、信号放大器5、耦合电路二6组成。

退耦电路2采用一个大电容并一个小电容的方式，防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响，本发明采用100μF并联0.01μF电容实现，在直流电源正负极均接入。

自激多谐振荡器3以555定时器为基本结构，将6脚和2脚连在一起，再将放电端经RC积分电路接回到输入端即构成的多谐振荡器。通电时电容还未充电，Vc处于低电平，比较器C1输出Vc1为高电平，比较器C2输出Vc2为低电平，门G3输出为低电平，电路输出Vo为高电平。此时放电管Td截止，Vcc通过电阻R1、R2对电容C充电，电路进入暂稳态；随着电容C的充电，Vc电位不断升高，当Vc≥2Vcc/3时，比较器C1输出Vc1为低电平，使门G3输出为高电平，Vo翻转为低电平，电路发生一次翻转。同时Td导通，电容C通过R2、Td放电，电路进入暂稳态。随着电容放电，Vc电位逐步下降，当Vc≤2Vcc/3时，比较器C2输出Vc2为低电平，门G3也为低电平，电路又一次自动发生翻转。同时Td截止，电源Vcc又通过R1、R2对电容C充电，如此周而复始，形成多谐震荡。调整振荡电路中的R1、R2和C的大小可控制电信号的频率至1500Hz。

耦合电路一4采用阻容耦合方式，将自激多谐振荡器3输出端的交流信号传到下一级，并隔离直流信号。信号放大5将耦合一4耦合的信号进行放大，本发明采用三级管放大和功放来实现对信号的放大，放大装置由直流稳压电源供电，耦合电路二6采用阻容耦合方式，将信号放大5输出端的交流信号传到下一级，并隔离在信号放大过程中的干扰信号。

渗流测试单元7由分压电路8、测量电路转换装置9、等势线测量电路10、渗流量测量电路11、ICL7135转换器12、AT89C51单片机13、显示屏14组成。信号发生单元1产生的电信号，通过分压电路8的分压作用，将分压后的电信号加在待测模型上下游极板上，分压电路主要电器元件为电位器，调节电位器旋钮可以控制待测模型两极板间的电势差(一般为10V)，电信号通过模型中介质在待测模型中形成电场。

通过测量电路转换装置9来控制渗流要素的测试，其主要元器件为带常开与常闭连动触头的非自锁型按钮开关，通过按钮开关进行测试模式转换，按钮开关自然状态(常闭触头导通)下为等势线测试模式，按下按钮(常开触头导通)则为渗流量测试模式，松开按钮就自动回到等势线测试模式，测试电路工作状况可在显示屏上识别。

等势线测量电路10与待测模型形成并联电路，测量电路进入等势线测试模式后，首先用10：1的衰减电路将信号进行衰减，然后采用量程放大电路，测量范围分3档：200mV、2V、20V，基本量程为200mV,输入阻抗10MΩ，采用量程自动转换电路，信号输入到转换器ICL7135。

渗流量测量电路11与待测模型形成串联电路，利用等势线测量电路9进行改装，测量数据通过ICL7135转换器12。

ICL7135转换器12为转换精度较高的双积分转换器，将等势线测量电路10和渗流量测量电路11输入的信号转换成数字量，再输入到单片机处理。

AT89C51单片机13对ICL7135转换器12输入的数据进行计算和处理，并从测量电路转换装置9采集信息，将信息在显示屏上显示。

显示屏14将单片机输入的信息显示在屏幕上，显示内容为测量数据和单位。

直流稳压电源15为信号发生单元1和渗流测试单元7提供电源，电源参数为+15V，1.2A，-15V，1.0A。

下面描述本发明提供的电模拟渗流测试方法的工作过程：

接通外接电源后，直流稳压电源15分别给信号发生单元1和渗流测试单元7供电，加电后退耦电路2消除电路网络之间的寄生耦合，自激多谐振荡器3产生1500Hz的脉冲信号，耦合电路一4将交流信号传到下一级，再通过信号放大5进行放大，耦合电路二6将交流信号传到下一级，隔离在信号放大过程中的干扰信号。

分压电路8中电位器，将待测模型两级板间的电势差调节到10V，再将等势线测量电路10的移动表笔在待测模型中移动，即可测出模型中各点的电势，模型中电势相等的点连线构成等势线。按下测量电路转换装置9种按钮开关，渗流量测量电路工作，此时显示屏上的数据即为通过待测模型的电流，松开按钮后电路又自动转换到等势线测量电路工作状态。

本发明原理简单、测量比较方便、快速准确地测出模型的等势线(流线)和渗流量，试验技术容易掌握，应用于《水工建筑物》、《水力学》等专业课和专业基础课的渗流实践教学和相关科研中，特别适用于解决特殊材料建筑物(如灰坝等)的渗流问题，为建筑物的稳定分析与安全校核提供依据。

Claims (5)

1.一种电模拟渗流测试系统，其特征在于：包括信号发生单元(1)、渗流测试单元(7)和直流稳压电源(15)；直流稳压电源(15)分别与信号发生单元(1)、渗流测试单元(7)连接；

所述信号发生单元(1)包括依次连接的退耦电路(2)、自激多谐振荡器(3)、耦合电路一(4)、信号放大器(5)、耦合电路二(6)；

所述渗流测试单元(7)包括分压电路(8)、测量电路转换装置(9)、等势线测量电路(10)、渗流量测量电路(11)、ICL7135转换器(12)、AT89C51单片机(13)、显示屏(14)；分压电路(8)与测量电路转换装置(9)连接，测量电路转换装置(9)分别与等势线测量电路(10)、渗流量测量电路(11)连接，等势线测量电路(10)、渗流量测量电路(11)分别与ICL7135转换器(12)连接，ICL7135转换器(12)、AT89C51单片机(13)、显示屏(14)依次连接；

信号发生单元(1)中的耦合电路二(6)与渗流测试单元(7)中的分压电路(8)连接。

2.一种基于权利要求1所述系统的电模拟渗流测试方法，其特征在于：包括以下步骤；

步骤1：采用阻容电路对电源进行退耦处理，自激多谐振荡器发生1500Hz的脉冲信号，经过耦合，再将信号进行放大和二次耦合，模拟电信号发生过程；

步骤2：采用分压电路，将模拟电信号加在由待测模型和已知阻值的固定电阻组成的串联电路中，通过分压调节来控制待测模型的电势差；

步骤3：分别采用等势线测量电路和渗流量测量电路来测量待测模型中的等势线和渗流量，二者之间通过一种自复位开关来实现电路切换；

步骤4：采用ICL7135和单片机将测量信号转换成数字输出，并在显示屏中显示，测试数值类型和单位通过显示屏单位名称来识别。

3.根据权利要求2所述的电模拟渗流测试方法，其特征在于：

所述步骤1中，选用施密特触发器构成的多谐振荡器发生脉冲电信号，且信号频率须达到步骤1中的要求。

4.根据权利要求2所述的电模拟渗流测试方法，其特征在于：

所述步骤3中，采用等势线和渗流量同步测量的方法，两个测量电路同时工作。

5.根据权利要求2所述的电模拟渗流测试方法，其特征在于：

所述步骤4中，等势线和渗流量的测量数据同时在一个显示屏上显示。