CN108507931B - 一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法 - Google Patents
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Abstract
一种完整土‑水特征曲线的全自动量测方法，包括一种全自动量测系统，该系统包括气压力供应源，压力室，排气集液量测系统，循环水动力组，数据自动采集与控制系统；本发明采用气压力供应源与PC机连接，能够实现气压的自动加载与卸载；PC机与排气集液系统的连接，既能够实现透明球形抽气管中液面与试样中线的自动调平，消除水头差对试样的影响，又能够实现排水量的自动量测；PC机中采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，通过串口接线，调控与监测电机马达、步进电机、压力传感器等设备，既能够实现整个回路中水气的自动分离，又实现了试样排水量稳定之后的自动判别，作为整个测试系统的核心，自动化水平高，同时节省了劳力，提高了工作效率与测试精度。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，特别是涉及一种完整土-水特征曲线的全自动量测系统。
背景技术
土-水特征曲线的研究是非饱和土研究的一项重要内容，土中基质吸力与体积含水率或饱和度之间的关系曲线被定义为土-水特征曲线，体现了在基质吸力作用下土体的持水能力。通过该曲线能够反映出土体的许多重要性质，如渗透性、体应变、强度、应力状态、扩散特性等，在非饱和土力学中占有重要的地位。因此，通过试验的手段获取土体的土-水特征曲线对于掌握非饱和土的各项物理力学特性是至关重要的。
目前该领域使用较多的方法是压力板仪法或Tempe仪法，通过施加一定的气压，利用陶土板分离空气和水进而达到土-水特征曲线测试的目的。但利用现有的土-水特征曲线压力板仪或Tempe仪时存在一定的弊端：
1、垂直设置的量管与压力室中的土样存在水头差，会对土样的脱湿与吸湿产生一定的影响；
2、量管直接与大气连通，在试验时间较长的情况下，蒸发量对试验结果有一定影响；
3、试验过程中无法避免溶解在水中孔隙气体经高进气值陶土板向外扩散这一现象对测试结果的影响。
4、在测试过程中，需要多次人工读取数值以及控制气压的调节与加、卸载，整个测试周期持续的时间较长，且完全依靠人工进行控制，因此需要消耗大量的劳力，控制精度较差，效率低下。
发明内容
为了克服以上不足与缺陷之处，本发明提供一种完整土-水特征曲线的全自动量测系统，能够克服现有排气泡技术的缺陷，避免了孔隙气泡，扩散气泡对试验结果的影响。通过增设防水蒸发材料，减小了由于液面蒸发给试验数据带来的误差，同时通过系统操作、数据收集及监测的全自动化节省了人力，提高了效率与测试精度。
本发明采取的技术方案为：
一种完整土-水特征曲线的全自动量测系统，包括气压力供应源，压力室，排气集液量测系统，循环水动力组，数据自动采集与控制系统。
所述气压力供应源通过导管与压力室连接，为压力室提供气体压力源；
所述压力室为有进气口、压力空腔、能够分别实现进水与出水的水室；
所述排气集液量测系统包括透明球形抽气管、丝杆步进电机组；
所述循环水动力组包括电机马达、叶轮、动力室；动力室内安装有叶轮，叶轮通过电机马达驱动；
所述数据自动采集与控制系统包括PC机。
所述丝杆步进电机组包括丝杆、步进电机、驱动器、单片机模块；
所述气压力供应源与PC机相连，PC机控制气压的自动加载与卸载。
所述PC机分别连接电机马达、步进电机；所述透明球形抽气管通过连接杆上的套环与步进电机连接，所述步进电机通过导线与驱动器连接，所述驱动器与单片机模块连接，所述单片机模块与PC机连接。
所述透明球形抽气管顶部出口处设置防水蒸发材料，如海绵体，油膜等。透明球形抽气管的球形空腔壁设置一出水小孔，所述出水小孔处设置压力传感器，所述压力传感器与PC机连接，最终通过数据自动采集与控制系统能够实现试样排水量的自动测量。
所述PC机采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，通过串口接线，调控与监测电机马达、步进电机、压力传感器；通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现步进电机竖向位移的控制，进而实现透明球形抽气管2中排水液面相对于试样中线的自动调平。
压力传感器连入数据自动采集与控制系统，通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现试样排水量稳定之后的自动判别；
所述气压力供应源为GDS体积压力控制器，通过导管与压力室的进气口连接，气压力供应源通过串口接线与PC机相连，通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现气压的自动加载与卸载。
所述丝杆的两端固定连接在支架上，其总高度大于等于透明球形抽气管总长度的1倍。
所述循环水动力组与压力室之间的流通管路上，依次设置排液阀、单向阀、液源控制阀。
所述压力室采用Tempe仪或体积压力板仪。
本发明一种完整土-水特征曲线的全自动量测系统，有益效果如下：
1)、结构简单，高度整合，操作简便。
2)、减小了由于液面蒸发给试验结果带来的误差。
3)、可以避免长时间试验过程中水中产生的气体或试验输入系统中逐渐释放的气体对试验测量精度的影响，测量结果更加准确。
4)、采用先进的闭合回路微处理器控制压力，使气压的控制精度较高。
5)、拥有高速USB兼容接口，可与PC机对接，利用程序实现PC机对整个系统的自动控制、数据采集工作，自动化程度较高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明系统的结构示意图。
图2为本发明系统中压力室的正视图。
图3为本发明系统中压力室的俯视图。
图4为本发明系统中透明球形抽气管的结构示意图。
图5为本发明系统中循环水动力组的结构示意图。
图6为本发明系统中丝杆步进电机组的结构示意图。
图7为本发明系统中丝杆步进电机组连接杆末端环形套环与搭扣的结构示意图。
图8为本发明系统中丝杆步进电机组驱动器的结构示意图。
图9为本发明系统在虚拟仪器控制界面的后台程序中直接提前绘制气压与时间关系的加载及卸载曲线图。
图中：1—气压力供应源；2—透明球形抽气管；3—循环水动力组；4—压力室；5—丝杆步进电机组；6—PC机；7—单向阀；8—排液阀；9—液源控制阀；2.1—出水小孔；2.2—压力传感器；2.3—集液长管；2.4—防水蒸发材料；3.1—动力室；3.2—叶轮；3.3—电机马达；5.1—步进电机；5.2—丝杆；5.3—套环；5.4—驱动器。
具体实施方式
实施例1：
如图1-图9所示，一种完整土-水特征曲线的全自动量测系统，包括气压力供应源1，压力室4，排气集液量测系统，循环水动力组3，数据自动采集与控制系统：
进一步的，所述气压力供应源1通过导管与压力室4连接，为压力室4提供气体压力源；
进一步的，所述压力室4可为Tempe仪或体积压力板仪等具有进气口，压力空腔，可分别实现进水与出水的水室；
进一步的，所述排气集液量测系统包括透明球形抽气管2，丝杆步进电机组5，既能够排出回路中的气泡，又能收集液体，同时实现液面的自动调平；
进一步的，所述循环水动力组3包括电机马达3.3，叶轮3.2，动力室3.1，为整个回路的水气分离提供动力；
进一步的，所述数据自动采集与控制系统主要包括PC机6,采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，通过串口接线，调控与监测电机马达3.3，步进电机5.1，压力传感器2.2等设备，既能够实现水气分离的自动化，又能够实现数据采集的自动化，是整个测试过程中实现自动化的核心；；
进一步的，所述气压力供应源1为GDS体积压力控制器，通过导管与压力室4的进气口连接，气压力供应源1通过串口接线与PC机6相连，通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现气压的自动加载与卸载；
进一步的，所述丝杆步进电机组5包括丝杆5.2，步进电机5.1，驱动器5.4,单片机模块，能够通过步进电机5.1竖向位移的改变实现透明球形抽气管2中液面的自动调平；
进一步的，所述透明球形抽气管2通过连接杆上的套环5.3与步进电机5.1连接，所述步进电机5.1通过导线与驱动器5.4连接，所述驱动器5.4与单片机模块连接，所述单片机模块与PC机6连接，通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现步进电机5.1竖向位移的控制，进而实现透明球形抽气管2中排水液面相对于试样中线的自动调平；
进一步的，所述透明球形抽气管2顶部出口处设置防水蒸发材料2.4如海绵体，油膜等，能够降低液面蒸发速率，减少因液面蒸发对液面读数以及测试精度的影响，其球形空腔壁设置一出水小孔2.1，所述出水小孔2.1处设置压力传感器2.2，所述压力传感器2.2与PC机6连接，最终通过数据自动采集与控制系统可以实现试样排水量的自动测量；
进一步的，所述压力传感器2.2连入数据自动采集与控制系统，通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现试样排水量稳定之后的自动判别；
进一步的，所述丝杆5.2的两端固定连接在支架上，其总高度大于等于透明球形抽气管2总长度的1倍，避免因丝杆5.2量程过短而出现不能满足透明球形抽气管2位移量的情况；
进一步的，所述电机马达3.3穿过动力室3.1与叶轮3.2连接，叶轮3.2低速转动，且其速度可调，可控制回路中水循环的速度，避免因转速过大，破坏水分子团，将透明球形抽气管2中的空气吸入循环水回路；
进一步的，所述循环水动力组3与压力室4之间的流通管路上设置液源控制阀9，单向阀7，排液阀8，为测试过程提供了单向流动的液源，最后在测试结束时又能将液体排出；
实施例2：
一种采用上述试验系统实现完整土-水特征曲线全自动量测的方法，以其在用Tempe仪进行土-水特征曲线量测试验中的应用为例：
将高进气值陶土板和待测试样装入Tempe仪的压力室4中，调节透明球形抽气管2的高度，使压力传感器2.2与待测试样的中线平齐，做好准备工作。
步骤1：闭合排液阀8，打开液源控制阀9，将水室内注满水，并使水缓慢填充整个管道回路，当透明球形抽气管2中的液面达到集液长管2.3最低端时，记此时压力传感器读数为pm，集液长管2.3最低端至压力传感器2.2的高度为hm，当液面到达集液长管2.3长度的2/5处时，关闭液源控制阀9，记此时压力传感器2.2读数为pn；
步骤2：计算液面至压力传感器2.2的高度通过PC机6控制步进电机5.1下降高度为h'，待压力传感器2.2读数不再变化，其值记为p0；
步骤3：脱湿过程：在虚拟仪器控制界面输入加载条件：初始气压值5kPa，增值梯度1kPa，终了气压值50kPa；同时输入判别条件，压力传感器2.2的定值为0.6Pa，读数间隔为10分钟，系统判别间隔为12小时，循环水流动时长30分钟。即在12小时的时间间隔内压力传感器2.2读数变化小于或等于0.6Pa时，循环水开始流动，时长为30分钟。首先启动电机马达3.3，排出整个装置系统与压力室4中的气泡，第1次水循环流动至第30分钟末时，记压力传感器2.2读数为p1，此时使电机马达3.3待机，控制步进电机5.1移动的高度当h1>0时，为上升，当h1<0时，为下降。土-水特征曲线的脱湿量测试验开始，GDS体积压力控制器首先施加5kPa的初始气压值，在该压力值的作用下饱和试样开始脱水，脱去的水分透过高进气值陶土板后经排水管运输进入排气集液量测系统中的透明球形抽气管2，压力传感器2.2每隔10分钟将其所测的值传递给控制界面。待12小时的时间间隔内压力传感器2.2读数变化小于或等于0.6Pa时，系统判定压力室4内土壤的吸力达到平衡，并在数据采集表中自动记录该时刻的压力传感器2.2读数。系统随即开始新一轮的循环水排气泡与步进电机5.1、透明球形抽气管2中液面的升降过程以及控制GDS体积压力控制器施加下一级气压。直至最后一级气压加载、完成最后的循环水排气泡过程以及步进电机5.1的自动升降，记最后压力传感器2.2读数稳定时的数值为pe，继续吸湿过程测试。其中第k次水循环的第30分钟时的压力传感器2.2读数记为pk，步进电机5.1和透明球形抽气管2自动移动的高度当hk>0时，为上升，当hk<0时，为下降。
步骤4：吸湿过程：在虚拟仪器控制界面输入卸载条件：初始气压值1kPa，减值梯度1kPa，终了气压值0kPa；判别条件与脱湿过程相同。脱湿试验开始，GDS体积压力控制器首先卸载1kPa的初始气压值，在该压力值的作用下脱湿后的试样开始透过高进气值陶土板吸入排气集液量测系统中的透明球形抽气管2中的水分，压力传感器2.2每隔10分钟将其所测的值传递给控制界面。待12小时的时间间隔内压力传感器2.2读数变化小于或等于0.6Pa时，系统判定压力室4内土壤的吸力达到平衡，并在数据采集表中自动记录该时刻的压力传感器2.2读数。系统随即开始新一轮的循环水排气泡与步进电机5.1、透明球形抽气管2中液面的升降过程以及控制GDS体积压力控制器卸载下一级气压。直至最后一级气压卸载、完成最后的循环水排气泡过程以及步进电机5.1的自动升降，记此时压力传感器2.2读数稳定时的数值为ps，吸湿过程测试结束。其中第x次水循环的第30分钟时的压力传感器2.2读数记为px，步进电机5.1和透明球形抽气管2自动移动的高度当hx>0时，为上升，当hx<0时，为下降。
在完成步骤2后，也可在虚拟仪器控制界面的后台程序中直接提前绘制气压与时间关系的加载及卸载曲线，如图9所示。
在控制界面输入判别条件：压力传感器2.2的定值为0.6Pa，读数间隔为10分钟，系统判别间隔为12小时，循环水流动时长10分钟。系统将开始土-水特征曲线的脱湿与吸湿的全过程的自动量测试验，直至完成最后一级气压的卸载与排气泡，调平工作。
步骤5：关闭数据自动采集与控制系统，取出试样，打开排液阀8，将回路中的水排出。
Claims (8)
1.一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：包括一种全自动量测系统，该系统包括气压力供应源(1)，压力室(4)，排气集液量测系统，循环水动力组(3)，数据自动采集与控制系统；
所述气压力供应源(1)通过导管与压力室(4)连接，为压力室(4)提供气体压力源；
所述压力室(4)为有进气口、压力空腔、能够分别实现进水与出水的水室；
所述排气集液量测系统包括透明球形抽气管(2)、丝杆步进电机组(5)；
所述循环水动力组(3)包括电机马达(3.3)、叶轮(3.2)、动力室(3.1)；动力室(3.1)内安装有叶轮(3.2)，叶轮(3.2)通过电机马达(3.3)驱动；
所述数据自动采集与控制系统包括PC机(6)；
所述丝杆步进电机组(5)包括丝杆(5.2)、步进电机(5.1)、驱动器(5.4)、单片机模块；
所述气压力供应源(1)与PC机(6)相连，PC机(6)控制气压的自动加载与卸载；
所述PC机(6)分别连接电机马达(3.3)、步进电机(5.1)；
所述透明球形抽气管(2)通过连接杆上的套环(5.3)与步进电机(5.1)连接，所述步进电机(5.1)通过导线与驱动器(5.4)连接，所述驱动器(5.4)与单片机模块连接，所述单片机模块与PC机(6)连接；
基于上述全自动量测系统的完整土-水特征曲线的全自动量测方法，包括以下步骤：
将高进气值陶土板和待测试样装入压力室(4)，调节透明球形抽气管(2)的高度，使压力传感器(2.2)与待测试样的中线平齐，做好准备工作；
步骤1：闭合排液阀(8)，打开液源控制阀(9)，将水室内注满水，并使水缓慢填充整个管道回路，当透明球形抽气管(2)中的液面达到集液长管(2.3)最低端时，记此时压力传感器读数为pm，集液长管(2.3)最低端至压力传感器(2.2)的高度为hm，当液面到达集液长管(2.3)长度的2/5处时，关闭液源控制阀(9)，记此时压力传感器(2.2)读数为pn；
步骤2：计算液面至压力传感器(2.2)的高度通过PC机(6)控制步进电机(5.1)下降高度为h'，待压力传感器(2.2)读数不再变化，其值记为p0；
步骤3：脱湿过程：在虚拟仪器控制界面输入加载条件：初始气压值a kPa，增值梯度bkPa，终了气压值c kPa；同时输入判别条件，压力传感器(2.2)的定值为αPa，读数间隔为Δt1分钟，系统判别间隔为Δt2小时，循环水流动时长t1分钟；即在Δt2小时的时间间隔内压力传感器(2.2)读数变化小于或等于αPa时，循环水开始流动，时长为t1分钟；首先启动电机马达(3.3)，排出整个装置系统与压力室(4)中的气泡，第1次水循环流动至第t1分钟末时，记压力传感器(2.2)读数为p1，此时使电机马达(3.3)待机，控制步进电机(5.1)移动的高度当h1>0时，为上升，当h1<0时，为下降；土-水特征曲线的脱湿量测试验开始，GDS体积压力控制器首先施加a kPa的初始气压值，在该气压值的作用下饱和试样开始脱水，脱去的水分透过高进气值陶土板后经排水管运输进入排气集液量测系统中的透明球形抽气管(2)，压力传感器(2.2)每隔Δt1分钟将其所测的值传递给控制界面；待Δt2小时的时间间隔内压力传感器(2.2)读数变化小于或等于αPa时，系统判定压力室(4)内土壤的吸力达到平衡，并在数据采集表中自动记录该时刻的压力传感器(2.2)读数；系统随即开始新一轮的循环水排气泡与步进电机(5.1)、透明球形抽气管(2)中液面的升降过程以及控制GDS体积压力控制器施加下一级气压；直至最后一级气压加载、完成最后的循环水排气泡过程以及步进电机(5.1)的自动升降，记最后压力传感器(2.2)读数稳定时的数值为pe，继续吸湿过程测试；其中第k次水循环的第t1分钟时的压力传感器(2.2)读数记为pk，步进电机(5.1)和透明球形抽气管(2)自动移动的高度/>当hk>0时，为上升，当hk<0时，为下降；
步骤4：吸湿过程：在虚拟仪器控制界面输入卸载条件：初始气压值d kPa，减值梯度ekPa，终了气压值f kPa；判别条件与脱湿过程相同；脱湿试验开始，GDS体积压力控制器首先卸载d kPa的初始气压值，在该气压值的作用下脱湿后的试样开始透过高进气值陶土板吸入排气集液量测系统中的透明球形抽气管(2)中的水分，压力传感器(2.2)每隔Δt1分钟将其所测的值传递给控制界面；待Δt2小时的时间间隔内压力传感器(2.2)读数变化小于或等于αPa时，系统判定压力室(4)内土壤的吸力达到平衡，并在数据采集表中自动记录该时刻的压力传感器(2.2)读数；系统随即开始新一轮的循环水排气泡与步进电机(5.1)、透明球形抽气管(2)中液面的升降过程以及控制GDS体积压力控制器卸载下一级气压；直至最后一级气压卸载、完成最后的循环水排气泡过程以及步进电机(5.1)的自动升降，记此时压力传感器(2.2)读数稳定时的数值为ps，吸湿过程测试结束；其中第x次水循环的第t1分钟时的压力传感器(2.2)读数记为px，步进电机(5.1)和透明球形抽气管(2)自动移动的高度当hx>0时，为上升，当hx<0时，为下降；
步骤5：关闭数据自动采集与控制系统，取出试样，打开排液阀(8)，将回路中的水排出。
2.根据权利要求1所述一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：所述透明球形抽气管(2)顶部出口处设置防水蒸发材料(2.4)，透明球形抽气管(2)的球形空腔壁设置一出水小孔(2.1)，所述出水小孔(2.1)处设置压力传感器(2.2)，所述压力传感器(2.2)与PC机(6)连接，最终通过数据自动采集与控制系统能够实现试样排水量的自动测量。
3.根据权利要求1所述一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：所述PC机(6)采用LabVIEW编制虚拟仪器控制界面，通过串口接线，调控与监测电机马达(3.3)、步进电机(5.1)、压力传感器(2.2)；
通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现步进电机(5.1)竖向位移的控制，进而实现透明球形抽气管(2)中排水液面相对于试样中线的自动调平；
压力传感器(2.2)连入数据自动采集与控制系统，通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现试样排水量稳定之后的自动判别。
4.根据权利要求1所述一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：所述气压力供应源(1)为GDS体积压力控制器，通过导管与压力室(4)的进气口连接，气压力供应源(1)通过串口接线与PC机(6)相连，通过LabVIEW编制虚拟仪器控制界面的设置实现气压的自动加载与卸载。
5.根据权利要求1所述一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：所述丝杆(5.2)的两端固定连接在支架上，其总高度大于等于透明球形抽气管(2)总长度的1倍。
6.根据权利要求1所述一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：所述循环水动力组(3)与压力室(4)之间的流通管路上，依次设置排液阀(8)、单向阀(7)、液源控制阀(9)。
7.根据权利要求1所述一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：所述压力室(4)采用Tempe仪或体积压力板仪。
8.根据权利要求1所述一种完整土-水特征曲线的全自动量测方法，其特征在于：在完成步骤2后，也可在虚拟仪器控制界面的后台程序中，直接提前绘制气压与时间关系的加载及卸载曲线，在控制界面输入判别条件：压力传感器(2.2)的定值为αPa，读数间隔为Δt1分钟，系统判别间隔为Δt2小时，循环水流动时长t1分钟；系统将开始土-水特征曲线的脱湿与吸湿的全过程的自动量测试验，直至完成最后一级气压的卸载与排气泡，调平工作。
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