CN107153038B - 地层渗透系数快速测定探头及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是地层渗透系数快速测定探头及其使用方法，探头设有电阻式水压传感器和包括模数转换电路和信号调节电路构成的电路板，其输出信号通过通讯电缆和USB插头连接于便携计算机。探头的电阻式水压传感器通过标定进入微水试验，试验中探头置于提水筒之下或注水水泵之下的水扰动范围之外。本探头可大大提高提水试验效率和精度，在工程地质勘察中具有应用广泛、可产业化的前景。
Description
技术领域
本发明属于测量地层渗透系数的设备，特别是涉及一种地层渗透系数快速测定探头及其使用方法。
背景技术
在各类工程的水文地质勘察中，地基土的渗透特性是勘察工作的重点，也是设计和施工中关键参数的组成部分。
目前，常规确定渗透系数的现场试验主要有抽水试验、注水试验、提水试验等，这些方法主要缺点是试验周期长，耗费人力和物力多，受野外作业条件制约大，尤其在铁路工程勘测过程中，线路一般具有距离远，条件差，勘察难度大等特点，因此常规确定渗透系数的现场试验的困难程度更为突出。
微水试验是国内外公认的试验方式简单、操作速度快的水文试验方法，但极度缺少可以借鉴的公开资料。
本申请人针对微水试验做了大量的研究，形成了较完整的理论系统，包括：微水试验理论、关键技术和现场试验方法，并结合部分铁路工程的水文地质试验，进行了对比分析，提出了具有借鉴意义的结论(详见[铁道勘察]2009年第1期“水文地质试验技术应用研究”)。然而，如何实现微水试验数据的采集是长期难以解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是依据前述微水试验理论、关键技术和现场试验方法而提出一种地层渗透系数快速测定探头及其使用方法。
本发明的地层渗透系数快速测定探头的构成采用以下技术方案：探头由下至上设有螺纹连接的下壳体、中壳体和上壳体，各连接部分别设有橡胶密封圈，所述下壳体底端部镶嵌有电阻式水压传感器，该传感器与下壳体内壁之间设有橡胶密封圈，下壳体设有螺纹连接的保护电阻式水压传感器的端帽，端帽底端圆周分布进水孔，进水孔以上的端帽内侧设有双层细沙过滤网，该过滤网与端帽内壁过渡配合，所述中壳体设有包括模数转换电路和信号调节电路构成的电路板，下壳体中的电阻式水压传感器输出端连接于模数转换电路，模数转换电路的输出连接于信号调节电路，所述上壳体中设有与中壳体上端口螺纹连接的航空插座，电路板信号调节电路的信号输出端与航空插座的插孔对应连接，航空插头设有通讯线揽，上壳体的上端口设有与通讯线揽接合的密封圈，通讯线揽设有与计算机连接的USB插头，通讯线揽设有为电路板提供电源的电源线。
所述电阻式水压传感器采用应变式电阻传感器。
所述通讯线揽从探头上端起算以米为单位标注实际长度。
所述快速测定探头的使用方法：
(1)对地层渗透系数快速测定探头的传感器进行标定，将探头与设有标定程序和数据采集程序的便携计算机连接，通过便携计算机的界面对地层渗透系数快速测定探头的传感器进行标定，便携计算机在标定时其界面包括传感器初始值、深度增量级差值、本级修正系数值和本级已标定值的显示窗口；首先确定传感器初始值，传感器刚接触水面时采集到的零点数据值减去传感器入水前在空气中的数据值，即初始值等于零点数据值减去空气数据值；再根据测试水深度以米或相同深度为一级设置深度增量，在无扰动情况下获得对应每级深度增量的传感器数值为该级的标定值，本级标定值减去上级标定值为本级级差值，本级级差值除以本级标定值即为本级修正系数值，以上各数值均存储于便携计算机；
(2)在进行微水试验时，地层渗透系数快速测定探头应置于距井底30-50mm以上能准确及时反映被测压力真实情况的位置，该位置应在本探头中传感器处于其标称工作深度范围的中间区域，并且在提水筒或注水水泵之下的水扰动范围以外；
(3)地层渗透系数快速测定探头应通过其电缆使之位置固定，如果试验过程中位置发生变化，则应重新标定；
(4)一次提水形成的水位变化不得少于30cm，以保证测量数据的可用性。
本发明的有益效果和优点在于：本探头主要是采集地下水位变化信息，探头由下壳体、中壳体和上壳体构成封闭的不锈钢壳体，下壳体设置进水孔，使用时将探头置于提水筒之下孔底之上和提水、注水扰动范围之下，传感器前端加装一个双层过滤网，防止钻孔中的细颗粒从进水孔进入探头，可有效保证传感器的正常工作；电缆与传感器之间设置一个航空插头，可方便探头的更换。本探头可以把水压力信号转变成易于放大、反馈、滤波、微分、存储和远距离传输的能用计算机直接处理的电信号，便于数据后处理系统直接使用，后处理系统的计算机将常用注水、提水试验公式嵌入，即可快速计算获得渗透系数参数。本探头可大大提高提水试验效率和精度，在工程地质勘察中具有应用广泛、可产业化的前景。
附图说明
附图1是本探头实施例结构局部剖面示意图。
附图2是图1下探头局部剖面示意图。
附图3是电路板原理框图。
图中标记：1端帽，1-1进水孔，2下壳体，3中壳体，4上壳体，5通讯线揽，6USB插头，7航空插座，8电阻式水压传感器，9橡胶密封圈，10过滤网。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步说明本发明。
如图1、2所示，探头由下至上设有螺纹连接的下壳体2、中壳体3和上壳体4，各连接部分别设有橡胶密封圈(未示出)。
下壳体2底端部镶嵌有电阻式水压传感器8，该传感器与下壳体内壁之间设有橡胶密封圈9。下壳体2设有螺纹连接的保护电阻式水压传感器8的端帽1，端帽底端圆周分布进水孔1-1，进水孔以上的端帽内侧设有双层细沙过滤网10，该过滤网与端帽内壁过渡配合。
如图3所示，中壳体3设有包括模数转换电路和信号调节电路构成的电路板(未示出)，该电路板将电阻式水压传感器的电阻值变化转化为电信号并放大，再通过电缆传输至数据采集设备，下壳体2中的电阻式水压传感器8输出端即图示被测信息连接于模数转换电路，模数转换电路的输出连接于信号调节电路，信号调节电路的输出信息通过图1的通讯线缆5和USB插头6连接于计算机。所述电阻式水压传感器采用应变式电阻传感器，是利用电阻应变片的应变效应制造的一种测量水压微小变化量的传感器。
如图1所示，上壳体4中设有与中壳体3上端口螺纹连接的航空插座7，电路板的信号输出端与航空插座的插孔对应连接，与航空插座7插接连接的航空插头设有通讯线揽5，上壳体4的上端口设有与通讯线揽5接合的密封圈(未示出)，通讯线揽设有与计算机连接的USB插头6，通讯线揽设有为电路板提供电源的电源线，通讯线揽从探头上端起算每米均标注实际长度。
以下叙述本快速测定探头的使用方法。
对于传感器，输出量和被测量指标之间的关系大多数是非线性的，因此必需对非线性特性进行线性化处理即进行传感器标定。
本探头的传感器在标定前其通讯线揽通过USB插头与设有标定程序和数据采集程序的便携计算机连接，通过便携计算机的界面对地层渗透系数快速测定探头的传感器进行标定，便携计算机在标定时其界面包括传感器初始值、深度增量级差值、本级修正系数值和本级已标定值的显示窗口。
本探头的传感器的标定过程：对地层渗透系数快速测定探头的传感器进行标定，首先确定传感器初始值，传感器刚刚接触水面时采集到的零点数据值减去传感器入水前在空气中的数据值为传感器初始值，即初始值等于零点数据值减去空气数据值。然后，再根据测试水深度以米或相同深度为一级设置深度增量，例如1米、2米、3米……直至测试水最大深度。在无扰动情况下获得对应每级深度增量的传感器数值为该级的标定值，本级标定值减去上级标定值为本级级差值，本级级差值除以本级标定值即为本级修正系数值，以上各数值均存储于计算机。
例如，测试水位深度5米，设计级差值每1米一级，计算出每级修正系数β值。在采集数据时每1米乘该级修正系数，对采集到的数据进行修整，其步骤如下：
(1)确定零点值
传感器刚接触水面时采集到的数据值减去传感器没入水前，在空气中的数值。实测为24.38(KPa下同)。
(2)级差值
Δ级差值＝本级级差值-上级级差值。
水面下1米、2米、3米、4米、5米时，Δ级差值均为1。
(3)标定值
水面下1米、2米、3米、4米、5米时对应的标定值分别为：26.91，29.07，31.3，33.53，35.76。
(4)β系数值
β系数值＝Δ级差值/Δ标定值
计算得到每1米对应的β值为：0.39，0.46，0.45，0.45，0.45，0.46。
由于探头顶部装有高灵敏度传感器，触水后数值即发生变化，根据这个特点可以确定初始水位。
本探头的内置传感器通过逐级不同深度标定，最大程度地消除了探头内建水压传感器的非线性失真，保证了水位变化过程中电讯号准确的线性状态。
试验中地层渗透系数快速测定探头即传感器高低位置应固定，如果出现意外变化，应对探头重新标定。
试验中探头置于提水试验提水筒之下或注水试验水泵之下的水扰动范围之外。
为了便于携带微水试验设备，申请人采用类似于提水试验中的提筒作为水位扰动设备，要求一次提水形成的水位变化不得少于30cm，以保证测量数据的可用性。
本探头的电阻式水压传感器是一种弹性元件，应保证弹性元件在安全范围内可靠的工作，在选择传感器量程时必须留有足够的余地。一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3/4，在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。为了保证测量精度，被测压力最小值应不低于全量程的1/3。
在进行微水试验时，本探头应距井底30-50mm以上能准确及时反映被测压力真实情况的位置，该位置应在本探头中传感器处于其标称工作深度范围的中间区域，比如传感器的工作范围是0～30m，那么需将传感器置于10m之下，但不应超过20m，最好的位置是15m左右。在本探头中传感器的位置还应该在提水筒或注水水泵之下的水扰动范围以外。
本探头放入预定测试深度后，利用水位扰动设备在井中提水或注水，探头测定水位相应下降或上升瞬时的变化情况。通过通讯电缆将探头采集的相关数据传输到后处理计算机，通过数据管理分析软件进行数据分析处理，得到水位变化数据、采集时间、探头深度等关系曲线并打印输出。
Claims (3)
1.一种地层渗透系数快速测定探头的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
①对地层渗透系数快速测定探头的传感器进行标定，将探头与设有标定程序和数据采集程序的便携计算机连接，通过便携计算机的界面对地层渗透系数快速测定探头的传感器进行标定，便携计算机在标定时其界面包括传感器初始值、深度增量级差值、本级修正系数值和本级已标定值的显示窗口；首先确定传感器初始值，传感器刚接触水面时采集到的零点数据值减去传感器入水前在空气中的数据值，即初始值等于零点数据值减去空气数据值；再根据测试水深度以米或相同深度为一级设置深度增量，在无扰动情况下获得对应每级深度增量的传感器数值为该级的标定值，本级标定值减去上级标定值为本级级差值，本级级差值除以本级标定值即为本级修正系数值，以上各数值均存储于便携计算机；
②在进行微水试验时，地层渗透系数快速测定探头应置于距井底30-50mm以上能准确及时反映被测压力真实情况的位置，该位置应在本探头中传感器处于其标称工作深度范围的中间区域，并且在提水筒或注水水泵之下的水扰动范围以外；
③地层渗透系数快速测定探头应通过其电缆使之位置固定，如果试验过程中位置发生变化，则应重新标定；
④一次提水形成的水位变化不得少于30cm，以保证测量数据的可用性；
所述地层渗透系数快速测定探头由下至上设有螺纹连接的下壳体、中壳体和上壳体，各连接部分别设有橡胶密封圈，所述下壳体底端部镶嵌有电阻式水压传感器，该传感器与下壳体内壁之间设有橡胶密封圈，下壳体设有螺纹连接的保护电阻式水压传感器的端帽，端帽底端圆周分布进水孔，进水孔以上的端帽内侧设有双层细沙过滤网，该过滤网与端帽内壁过渡配合，所述中壳体设有包括模数转换电路和信号调节电路构成的电路板，下壳体中的电阻式水压传感器输出端连接于模数转换电路，模数转换电路的输出连接于信号调节电路，所述上壳体中设有与中壳体上端口螺纹连接的航空插座，电路板信号调节电路的信号输出端与航空插座的插孔对应连接，航空插头设有通讯线揽，上壳体的上端口设有与通讯线揽接合的密封圈，通讯线揽设有与计算机连接的USB插头，通讯线揽设有为电路板提供电源的电源线；
2.根据权利要求1所述的地层渗透系数快速测定探头的使用方法，其特征在于：所述电阻式水压传感器采用应变式电阻传感器。
3.根据权利要求1所述的地层渗透系数快速测定探头的使用方法，其特征在于：所述通讯线揽从探头上端起算以米为单位标注实际长度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 300308 No.109, East 7th Road, Tianjin Binhai New Area pilot free trade zone (Airport Economic Zone) Patentee after: CHINA RAILWAY DESIGN Corp. Address before: 300251 No. 10 Minjiang Road, Minquan gate, Tianjin, Hebei District Patentee before: THE THIRD RAILWAY SURVEY AND DESIGN INSTITUTE Group Corp. |
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| CP03 | Change of name, title or address |