CN109283117B - 基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统。系统埋设于地下，每个渗流测量传感器经各自的渗流测量处理终端接渗流信息集汇发送器，渗流信息集汇发送器和发送端天线接；渗流测量传感器中，细管漏斗结构为中间细管和连接在细管两端的两个漏斗，漏斗的小端固接到细管的端部并和细管相通，漏斗的大端端面设有多孔陶瓷片，细管内部的中央布置有可控加热棒，细管内部的两端部均布置有一温度传感器，细管内部的中部插装有水探测针。本发明对岩土中由各种原因引发的岩土渗流进行精确测量其方向和渗流量大小，为一种实时观测岩土中渗流量的新仪器，为滑坡、泥石流等灾害的发生提供前兆信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种渗流测量仪，特别是涉及一种地下岩土中渗流量的热导式测量方法及测量系统。
背景技术
岩土渗流是指岩土空隙中运动的地下水。岩土渗流是形成的滑坡、泥石流、垮坝、基坑塌陷等岩土灾变危害的重要因素，岩土灾变危害每年都会造成巨大的人员伤亡和经济损失。由于岩土自身特殊的物理性质，岩土渗流具有流速低、流量小的特点，岩土渗流的测量很难。
现岩土渗流测量方法有：①孔隙水压力的测量方法；②岩土电阻率测量方法；③分布式光纤温度测量方法；④声呐传播速度测量方法。孔隙水压力测量方法是运用岩土中压力与渗流的关系换算出渗流，其测量值与具体土的构成有关，因此误差较大。岩土电阻率测量是根据含水岩土与电阻率的关系来测量，岩土含水量不能反映渗流大小，尤其是岩土中含水量达到饱和时岩土电阻率不再变化，而通常渗流形成的岩土的含水量是处于饱和状态。分布式光纤测温方法是将测温光纤放入岩土中，并对光纤附近的岩土进行加热，在有渗流时光纤测得的温度场与渗流场有相关性，这种方法因岩土加热的功率较大，不适合长期实时测量，且光纤测量系统的价格昂贵也不宜长期放置野外。根据声呐传播速度对渗流进行测量的设备整体价格昂贵，也不适合在野外长期实时监测中使用。
可见，现有方法和设备，不能以实时、自动、远程实现岩土渗流的精确测量。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统，能在野外实现实时、长期、自动、远程对岩土中渗流进行测量，既可以满足岩土体防灾减灾需求，又能用于建筑、水利方面的工程需求。
本发明采用的技术方案：
本发明系统包括现场测量仪器，现场测量仪器包括多个渗流测量传感器、多个渗流测量处理终端、渗流信息集汇发送器和发送端天线，每个渗流测量传感器均连接有一个渗流测量处理终端，各个渗流测量处理终端电连接到渗流信息集汇发送器，渗流信息集汇发送器和发送端天线连接，使用时渗流测量传感器与渗流测量处理终端组成使用并埋设于地下；所述的渗流测量传感器包括细管漏斗结构和安装在细管漏斗结构中的水探测针、多孔陶瓷片、温度传感器和可控加热棒，细管漏斗结构为中间细管和连接在细管两端的两个漏斗，漏斗的小端固接到细管的端部并和细管相通，漏斗的大端端面设有多孔陶瓷片，多孔陶瓷片仅容许水渗透过，不容许水以外的土体物质透过，细管内部的中央布置有可控加热棒，细管内部的两端部均布置有一温度传感器，细管内部的中部插装有水探测针，从而形成传感器。
所述的渗流测量处理终端经485总线连接到渗流信息集汇发送器。
所述的渗流测量处理终端包括温度传感器接入电路、恒流源电路、信号放大电路、A/D转换电路、MCU单片机、可控加热电路、485总线驱动电路、水探测电路；温度传感器均连接到温度传感器接入电路，恒流源电路连接到温度传感器接入电路进行供电，温度传感器接入电路输出端依次经信号放大电路、A/D转换电路连接到MCU单片机，MCU单片机经485总线驱动电路连接485总线，485总线连接到渗流信息集汇发送器，MCU单片机分别和可控加热电路、水探测电路连接，可控加热电路、水探测电路分别和可控加热棒、水探测针连接。
还包括远方测量仪器，远方测量仪器包括接收端天线、远程接收装置和PC机，接收端天线和现场测量仪器的发送端天线无线通信连接，接收端天线和远程接收装置的输入端连接，远程接收装置的输出端和PC机连接。
所述的现场测量仪器和远方测量仪器之间通过发送端天线和接收端天线无线通信连接，两者通过GPRS(General Packet Radio Service)或GSM(Global System forMobile communications)、CDMA(Code Division Multiple Access)、TD-LTE(TimeDivision Long Term Evolution)或FDD-LTE(Frequency Division Duplexing Long TermEvolution)等无线通讯制式中的任何一种制式实现连接。
所述的细管侧壁设有用于可控加热棒和温度传感器输出线引出的分支管，分支管填埋封闭。
所述的渗流信息集汇发送器和发送端天线置于地表。
所述的温度传感器可以为使用所有满足测量精度的各种温度传感器。
所述的可控加热棒采用微型陶瓷加热棒。
通过检测渗流测量传感器中两个温度测量值之差处理获得岩土渗流数据。
包括有多个渗流测量传感器，多个渗流测量传感器的细管轴线相互间具有夹角，非平心布置，测量时根据多个渗流测量传感器的温度测量值共同分析得出真实的渗流方向和渗流量。
本发明的有益效果是：
本发明可以对岩土中由各种原因引发的岩土渗流进行精确测量其方向和渗流量大小，实现目前其他方法无法实现的对渗流的直接测量，成为一种实时观测岩土中渗流量的新仪器，为滑坡、泥石流等灾害的发生提供前兆信息；也可作为建筑工程、水利工程中测量渗流的设备。
附图说明
图1是岩土中渗流测量的系统构成示意图；
图2是渗流测量处理终端电路框图；
图3是渗流测量传感器结构与组成图；
图4是渗流量和温度值关系曲线图。
附图中各部件的标记如下：1、渗流测量传感器；2、渗流测量处理终端；3、渗流信息集汇发送器；4、发送端天线；5、接收端天线；6、远程接收装置；7、PC机；8、485总线；9、地表；10、水探测针；11和11’、多孔陶瓷片；12和12’、温度传感器；13、可控加热棒。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施将测量仪器系统局部埋设于地下，具体实施主要由现场测量仪器和远方测量仪器组成，两者通过无线通讯连接，其中：现场测量仪器主要由渗流测量传感器、渗流测量处理终端2、渗流信息集汇发送器3组成；远方测量仪器主要由远程接收装置9、PC上位机7组成。
如图1所示，现场测量仪器中，每个渗流测量传感器1均连接有一个渗流测量处理终端2，各个渗流测量处理终端2经485总线8电连接到渗流信息集汇发送器3，渗流信息集汇发送器3和发送端天线4连接，渗流信息集汇发送器3和发送端天线4置于地表9。
如图1所示，远方测量仪器中，接收端天线5和现场测量仪器的发送端天线4无线通信连接，接收端天线5和远程接收装置6的输入端连接，远程接收装置6的输出端和PC机7连接。
如图3所示，渗流测量传感器1包括细管漏斗结构和安装在细管漏斗结构中的水探测针10、多孔陶瓷片11和11’、温度传感器12和12’和可控加热棒13，细管漏斗结构为中间细管和连接在细管两端的两个漏斗，漏斗的小端直接密封固接到细管的端部并和细管相通，漏斗的大端端面设有多孔陶瓷片11和11’，通过多孔陶瓷片封盖漏斗的大端端面，多孔陶瓷片11和11’仅容许水渗透过，不容许水以外的土体物质透过，细管内部的中央布置有可控加热棒13，细管内部的两端部均布置有一温度传感器12和12’，细管内部的中部插装有水探测针10，从而形成传感器。
如图2所示，渗流测量处理终端2包括温度传感器接入电路、恒流源电路、信号放大电路、A/D转换电路、MCU单片机、可控加热电路、485总线驱动电路、水探测电路；温度传感器12和12’均连接到温度传感器接入电路，恒流源电路连接到温度传感器接入电路进行供电，温度传感器接入电路输出端依次经信号放大电路、A/D转换电路连接到MCU单片机，MCU单片机经485总线驱动电路连接485总线8，485总线8连接到渗流信息集汇发送器3，MCU单片机分别和可控加热电路、水探测电路连接，可控加热电路、水探测电路分别和可控加热棒13、水探测针10连接。
渗流测量传感器中的两个温度传感器的值由测量电路、MCU读取，通过RS-485总线传输到地表的发射终端，将两个温度传感器的对应数据通过GPRS或GSM发送到远方有Internet接入或GSM接收模块的PC机，在PC机上根据上下游温度传感器的数据与流量的关系，可得出被测量的岩土中的渗流量大小和渗流的方向。
一个渗流测量传感器配一个渗流测量处理终端实现渗流值相关的温度值测量，并可在渗流测量处理终端根据温差与渗流关系模型(见图4)实现渗流值测量。
渗流测量处理终端由微小型贴片元件实现，并设计成灌胶密封结构，可与渗流测量传感器一起埋入地下岩土中。
渗流信息集汇发送器包含有MCU、485总线电路、与无线通讯制式相对应的远程无线信号发送模块；其可通过485总线接入100多个渗流测量处理终端，接收各渗流测量处理终端送来的温度和渗流值。
温度传感器12和12’和水探测针10的数据输入到MCU单片机进行处理，MCU单片机发出控制信号到可控加热棒13，控制可控加热棒13的加热工作。同时MCU单片机获取渗流数据经发送端天线4和接收端天线5发送到PC机7。
本发明运用热传导的原理，采用特殊设计的细管漏斗结构收集岩土中的地下水实时测量渗流，并且通过细管漏斗结构上的各个传感器和器件进行实时控制和检测，实现了精确的实时渗流测量。在岩土中的渗流量极小，采用一端的漏斗收集地下水，地下水再通过细管中的温度传感器和加热棒，漏斗端口处用多孔陶瓷封口，放置多孔陶瓷片能隔土透水，即多孔陶瓷可以让岩土中的水通过，并流经细管，而土则隔离在外。
当水通过细管漏斗结构时，地下水经渗流测量传感器1一端的多孔陶瓷片进入细管，先经过处于上游的温度传感器11(此刻测得的是岩土中的自然状态水温)，再经过可控加热棒13被加热，微型陶瓷加热棒加热增加的热量会随着水流传递给处于下游的温度传感器11’(此刻测得与流量相关的水温)，最后再从渗流测量传感器1另一端的多孔陶瓷片流出，通过两个温度传感器测出上下游水流的温差能够得到此时渗流量的大小。
温度传感器测温方法有多种，如采用精密铂电阻可实现高精度的温度测量，尤其是采用三线制、四线制的铂电阻。三线制要求引出的三根导线截面积和长度均相同，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的误差；四线制可完全消除导线电阻的影响，适用于高精度的温度检测。
测温后，通过在已知渗流量情况下预先标定实验获得上下游温度传感器的温差数据与渗流量之间的关系模型，可绘制关系曲线，然后在待测情况下，采集上下游温度传感器的待测温差数据和关系模型/关系曲线比较，获得渗流量数据。
图4是渗流量分别为0.05mL/s、0.10mL/s、0.15mL/s、0.20mL/s，加热棒功率为5W的情况下，温度传感器采集到的电压值和渗流量之间的关系模型/关系曲线，通过曲线电压值和温度传感器采集到的初始电压值即初始水温的电压值之间的电压差即可表征渗流量的大小。
由于岩土中的渗流量的变化较大，为了准确测出渗流量，“渗流测量处理终端”将根据渗流流量变化情况，及时调整对“陶瓷加热棒”的供电状态，从图4的关系模型可知，如渗流量大时可提高对“陶瓷加热棒”的供电电压，从而增加“陶瓷加热棒”的热能输出；反之，可降低供电电压，减少能量消耗。
两端漏斗状中间细管的结构是为了将实际渗流在流经细管时得到流量放大，从而提高测量灵敏度。因此，渗流测量传感器是由一根细管两端漏斗状的渗流收集体和放在渗流收集体内的两个温度传感器、一个微型加热棒组成。具体实施中，漏斗的大端直径和细管的直径之比在7以上。
具体实施中，在细管还插入两根不接触的导线，作为水探测针来控制加热和判断分析，当有水经过时两根导线之间的电阻变小。在图3的渗流测量传感器结构图中可见，该水探测针可根据电阻值大小探知渗流测量传感器的细管中是否有水，渗流测量处理终端在探知细管中无水是将停止对陶瓷加热棒供电。
实际应用中，是根据现场情况分析以估计可能出现的地下岩土中的径流或渗流方向，结合地形坡度和坡顺方向，安放多个渗流测量传感器，多个渗流测量传感器的轴线相互间有一定的夹角，测量时根据多个渗流测量传感器的测量值，可分析得出真实的渗流方向和渗流量。
本发明岩土中的渗流量的测量数据工作过程：
现场测量仪器部分运用前述岩土中的渗流测量方法，将测出各个渗流测量传感器的上下游温度值和渗流量、各个渗流测量传感器的加热供电状态，通过远程通讯模块，用远程通讯制式如GPRS或GSM，发送到远方测量仪器中的PC上位机。PC机将接收到的数据进行处理，通过对各个渗流测量传感器的上下游温度值和渗流量，先进行数据融合处理，判断数据的可靠性；再进行各个传感器的温度值与渗流值分析，判断出实际、真实的渗流方向，如有一定的沿线布置传感器的话，可分析得出渗流的轨迹。PC机对实测数据和分析数据实行长期保存，数据可以表格显示、曲线显示、图形显示等。
具体实施中，PC机7还安装有网络通讯软件、分析判断软件、人机界面软件、数据库软件。
网络通讯软件根据不同的无线通讯制式编制。
分析判断软件依据经过标定的渗流测量传感器中温度传感器测量值与渗流的对应关系，得出每个渗流测量传感器测得的渗流值；再根据在放置时已知的各个渗流测量传感器轴向与水平的夹角即水平倾斜角、各个渗流测量传感器轴线间的夹角，推算出岩土中实际渗流的大小和方向。
人机界面软件可显示各地、各个渗流测量传感器测得的渗流实时值和渗流随时间变化的曲线，可显示经分析后得出岩土中实际的渗流值和渗流方向。
数据库软件按合理的格式处理保存实时采集的数据和分析结果的数据，实现处理累计的长期监测的大量数据。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统，其特征在于：系统包括远方测量仪器和现场测量仪器；现场测量仪器包括多个渗流测量传感器（1）、多个渗流测量处理终端（2）、渗流信息集汇发送器（3）和发送端天线（4），每个渗流测量传感器（1）均连接有一个渗流测量处理终端（2），各个渗流测量处理终端（2）经485总线（8）电连接到渗流信息集汇发送器（3），渗流信息集汇发送器（3）和发送端天线（4）连接，使用时渗流测量传感器与渗流测量处理终端组成使用并埋设于地下；
远方测量仪器包括接收端天线（5）、远程接收装置（6）和PC机（7），接收端天线（5）和现场测量仪器的发送端天线（4）无线通信连接，接收端天线（5）和远程接收装置（6）的输入端连接，远程接收装置（6）的输出端和PC机（7）连接；
所述的渗流测量传感器（1）包括细管漏斗结构和安装在细管漏斗结构中的水探测针（10）、多孔陶瓷片（11和11’）、温度传感器（12和12’）和可控加热棒（13），细管漏斗结构为中间细管和连接在细管两端的两个漏斗，漏斗的小端固接到细管的端部并和细管相通，漏斗的大端端面设有多孔陶瓷片（11和11’），多孔陶瓷片（11和11’）仅容许水渗透过，不容许水以外的土体物质透过，细管内部的中央布置有可控加热棒（13），细管内部的两端部均布置有一温度传感器（12和12’），细管内部的中部插装有水探测针（10），从而形成传感器；
地下水经渗流测量传感器（1）一端的多孔陶瓷片进入细管，先经过处于上游的温度传感器（1112），再经过可控加热棒（13）被加热，最后再从渗流测量传感器（1）另一端的多孔陶瓷片流。
2.根据权利要求1所述的一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统，其特征在于：所述的渗流测量处理终端（2）包括温度传感器接入电路、恒流源电路、信号放大电路、A/D转换电路、MCU单片机、可控加热电路、485总线驱动电路、水探测电路；温度传感器（12和12’）均连接到温度传感器接入电路，恒流源电路连接到温度传感器接入电路进行供电，温度传感器接入电路输出端依次经信号放大电路、A/D转换电路连接到MCU单片机，MCU单片机经485总线驱动电路连接485总线（8），485总线（8）连接到渗流信息集汇发送器（3），MCU单片机分别和可控加热电路、水探测电路连接，可控加热电路、水探测电路分别和可控加热棒（13）、水探测针（10）连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统，其特征在于：包括有多个渗流测量传感器（1），多个渗流测量传感器（1）的细管轴线相互间具有夹角，测量时根据多个渗流测量传感器（1）的温度测量值共同分析得出真实的渗流方向和渗流量。
4.根据权利要求1所述的一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统，其特征在于：所述的现场测量仪器和远方测量仪器之间通过发送端天线（4）和接收端天线（5）无线通信连接，两者通过GPRS或GSM、CDMA、TD-LTE或FDD-LT等无线通讯制式中的任何一种制式实现连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统，其特征在于：所述的细管侧壁设有用于可控加热棒（13）和温度传感器（12和12’）输出线引出的分支管，分支管填埋封闭。
6.根据权利要求1所述的一种基于热传导的岩土渗流实时测量仪器系统，其特征在于：所述的渗流信息集汇发送器（3）和发送端天线（4）置于地表（9）。
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