CN114088603B - 一种超大型大流量渗透仪系统及其自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大型大流量渗透仪系统及其自动测量方法，包括自控水箱供水水源系统、渗透仪系统、水槽组件、渗透物析出判定摄像系统、称重与体积密度判定装置，自控水箱供水水源系统与渗透仪系统连接，渗透仪系统与水槽组件连接，水槽组件与称重与体积密度判定装置连接；水槽组件上面安装有渗透物析出判定摄像系统，与称重与体积密度判定装置连接；称重与体积密度判定装置包括安装架，安装架顶端设置有水平移动机构和接近开关，水平移动机构包括移动集水槽，移动集水槽下端设置有水测量筒，水测量筒上安装有水柱压力传感器与称重传感器，用于判定水柱高度和称量总重。本发明用于自动控制与测试粗粒土渗透试验。

Description

一种超大型大流量渗透仪系统及其自动测量方法

技术领域

本发明属于物理性能测量仪器技术领域，具体涉及一种超大型大流量渗透仪系统及其自动测量方法。

背景技术

土木工程中使用的岩土材料是一种典型的多孔性介质。土体中颗粒间的孔隙相互连通形成透水通道。水在土体孔隙中的流动称为水的渗流，土体表现出的能够被水通过的性质称为土的渗透性，它是土的基本力学性质之一。1856年，法国工程师Darcy在均匀砂土的竖向渗流试验中发现，渗流速度v与水力坡降J之间呈线性关系，两者的比值K称为土的渗透系数，其值表征了土体渗透性的强弱，是反映土体填料的颗粒组成、密实程度和渗流孔隙几何特征等因素的综合指标。在土工构筑物的设计、施工阶段，准确获取粗粒土填料的渗透系数直接关系到工程的安全和使用寿命。

室内渗透试验是验证渗透变形计算方法和揭示渗透力形成的物理机制的重要手段之一，是应用范围最广的渗透系数测试方法。各行业目前使用的渗透仪中对水头压力的变化控制采用的是相应的调节装置，但调节操作较为复杂，且调节的过程和结果精度都还有待提升，影响了试验结果的精确性。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决现有技术中的渗透仪对水压变化的控制精度低导致试验结果精度低的问题，提供一种超大型大流量渗透仪系统及其自动测量方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种超大型大流量渗透仪自动测量方法，包括如下步骤：

步骤A、开启计算机自动控制和试验数据采集系统，所述数据采集系统包括数值显示模块、操作控制模块、设置模块和数据及图形显示模块，根据试验要求在渗透室中进行装样；

步骤B、在操作控制模块内的试验准备中录入试样基本信息，所述试样基本信息包括试样编号、试样直径、试样高度；

步骤C、在计算机自动控制和试验数据采集系统中输入试验控制参数，所述试验控制参数包括控制方式和条件设置，所述控制方式包括伺服电机控制方式、稳压加载控制方式、等应力加载控制方式和等应变加载控制方式；

步骤D、开始渗透试验，从渗透室进水口将水通入其中，并从出水口排出，系统根据返馈的渗透水压力的变化，自动控制改变高压水泵驱动电机的频率、稳定渗透水压力和流量，系统通过传感器自动采集渗透室内的各段压力区间的渗透水压力产生的压力信号和渗透排水称重电信号，存储到数据库中，当用户增加或修改试验数据时，在计算机上进行手动数据采集或控制参数修改；

步骤E、将排出的水通至称量装置的水槽中，由摄像头采集观察记录实时状态；

步骤F、根据步骤E采集到的数据，判定土体形成渗透的开始时间，记录流出的颗粒大小、数量，分析判定土体形成渗透、管涌的时间与状态；

步骤G、通过称量装置的称重传感器称量单位时间内的流体重量，并由水柱传感器计量容器水柱高度，系统自动计算流体的体积，与纯水体积重量比较，得到流出颗粒体的密度；

步骤H、试验结束，系统存储试验数据，生成数据文件。

进一步地，所述步骤D中控制稳定渗透水压力的系统由初级稳定系统和变频自动稳定系统组成，初级稳定系统通过气水转换器进行初步渗透水压力稳定，渗透水量通过水压稳定平衡阻尼器维持渗透水压力稳定度，变频自动稳定系统采用计算机闭环控制系统自动返馈水压力的变化，通过改变控制数字式变频器的频率，改变电机速度，驱动高压水泵，控制稳定渗透水压力和流量。

进一步地，所述步骤D中系统自动采集方法为：根据返馈的渗透水压力的变化，自动控制改变高压水泵驱动电机的频率，稳定渗透水压力和流量，试验数据采集，采集渗透室内的各段压力区间的渗透水压力产生的压力信号和渗透排水称重电信号，实时自动采集和存储到数据库中。

一种超大型大流量渗透仪系统，使用上述的方法，包括自控水箱供水水源系统、渗透仪系统、水槽组件、称重装置，所述自控水箱供水水源系统与渗透仪系统连接，所述渗透仪系统与水槽组件连接，所述水槽组件与称重装置连接；

所述水槽组件包括水槽支架，所述水槽支架上倾斜安装有观察水槽，所述水槽支架上还安装有摄像头，所述观察水槽上开设有水槽出水口；

所述称重装置包括安装架，所述安装架顶端设置有水平移动机构和接近开关，所述水平移动机构包括与安装架连接的导向杆，所述导向杆上安装有移动集水槽，所述移动集水槽位于观察水槽的水槽出水口下方，移动集水槽的顶部安装有与接近开关配合的感应板，所述移动集水槽底部连通有喇叭口，所述喇叭口下端设置有水测量筒，所述水测量筒下方连通有称重底座，称重底座下方安装有称重传感器，称重底座上还安装有水压传感器，所述称重底座还连通有排水管，所述排水管上安装有自动控制阀门。

进一步地，所述自控水箱供水水源系统包括水箱，所述水箱连通有两组潜水泵和铜泵，两组潜水泵和铜泵分别连通有第一蓄能气罐和第二蓄能气罐，所述第一蓄能气罐和第二蓄能气罐顶端均连通有气源机构，所述第一蓄能气罐下部还连通有第一平衡器罐，所述所述第二蓄能气罐下部还连通有第二平衡器罐，所述第一平衡器罐和第二平衡器罐的顶部分别连接有第一供水桶和第二供水桶，所述第一供水桶和第二供水桶的水平位置高于第一平衡器罐和第二平衡器罐，第一供水桶和第二供水桶内均设置有溢水管。

进一步地，所述渗透仪系统包括垂直渗透仪和水平渗透仪，所述垂直渗透仪和水平渗透仪均开设有进水口和出水口，所述第一平衡器罐与垂直渗透仪进水口连通，所述第二平衡器罐与水平渗透仪进水口连通，所述观察水槽位于垂直渗透仪或水平渗透仪的出水口下方。

进一步地，所述水测量筒旁还设置有防水挡板，所述水测量筒为有机玻璃管。

进一步地，所述垂直渗透仪为两段式结构并通过沿垂直渗透仪表面环形分布的螺栓可拆卸连接，所述水平渗透仪为两段式结构并通过沿水平渗透仪表面环形分布的螺栓可拆卸连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用计算机自动控制和试验数据采集系统对系统在试验中的实时数据进行采集、分析和计算，同时通过传感器自动采集压力等数据反馈自动控制系统，自动改变电机频率、水泵压力，从而实现自动调节渗透水压力和流速，相比于现有技术中使用多个相应的调节装置进行分别调节，本发明采用集中控制进行统一自动调节，极大地提高了参数调节的精确性、及时性和稳定性，且能直观地得到试验过程的影像资料，数据自动存储，方便了试验结束后进行数据处理。

2、本发明的称重装置采用水平移动机构控制移动集水槽，在控制系统中设定测量水流量的时间，当开始测量时水平移动机构会将移动集水槽由液压油缸等推进装置推移到观察水槽的水槽出水口下方接收水流，当判定水量达到体积一定量后，移动集水槽自动退出并记录，系统可以判定单位时间的渗流水量，从而实现自动测量渗透水量，全程实现自动测量，且在需要测量时推进接水，无需测量时可以直接将渗透水通入下方的水测量筒中，减少附着于移动集水槽内壁上的水，降低试验测量的误差。

附图说明

图1为本发明的渗透仪系统流程原理图；

图2为本发明的称重装置主视图；

图3为图2的左视图；

图4为图2的俯视图；

图5为图3中A-A方向的剖视图；

图6为本发明水槽组件的立体结构图；

图7为本发明水槽组件的主视图。

图中标记：1-水槽支架，2-观察水槽，3-摄像头，4-水槽出水口，5-安装架，6-水平移动机构，7-接近开关，8-导向杆，9-移动集水槽，10-感应板，11-水测量筒，12-称重底座，13-称重传感器，14-水压传感器，15-排水管，16-自动控制阀门，17-潜水泵，18-铜泵，19-第一蓄能气罐，20-第二蓄能气罐，21-第一平衡器罐，22-第二平衡器罐，23-第一供水桶，24-第二供水桶，25-溢水管，26-垂直渗透仪，27-水平渗透仪，28-防水挡板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种超大型大流量渗透仪自动测量方法，包括如下步骤：

步骤A、开启计算机自动控制和试验数据采集系统，数据采集系统包括数值显示模块、操作控制模块、设置模块和数据及图形显示模块，根据试验要求在渗透室中进行装样；

步骤B、在操作控制模块内的试验准备中录入试样基本信息，试样基本信息包括试样编号、试样直径、试样高度；

步骤C、在计算机自动控制和试验数据采集系统中输入试验控制参数，试验控制参数包括控制方式和条件设置，控制方式包括伺服电机控制方式、稳压加载控制方式、等应力加载控制方式和等应变加载控制方式；

步骤D、开始渗透试验，从渗透室进水口将水通入其中，并从出水口排出，系统根据返馈的渗透水压力的变化，自动控制改变高压水泵驱动电机的频率、稳定渗透水压力和流量，系统通过传感器自动采集渗透室内的各段压力区间的渗透水压力产生的压力信号和渗透排水称重电信号，存储到数据库中，当用户增加或修改试验数据时，在计算机上进行手动数据采集或控制参数修改；

步骤E、将排出的水通至称量装置的水槽中，由摄像头3采集观察记录实时状态；

步骤F、根据步骤E采集到的数据，判定土体形成渗透的开始时间，记录流出的颗粒大小、数量，分析判定土体形成渗透、管涌的时间与状态；

步骤G、通过称量装置的称重传感器13称量单位时间内的流体重量，并由水柱传感器计量容器水柱高度，系统自动计算流体的体积，与纯水体积重量比较，得到流出颗粒体的密度；

步骤H、试验结束，系统存储试验数据，生成数据文件。

优选地，步骤D中控制稳定渗透水压力的系统由初级稳定系统和变频自动稳定系统组成，初级稳定系统通过气水转换器进行初步渗透水压力稳定，渗透水量通过水压稳定平衡阻尼器维持渗透水压力稳定度，变频自动稳定系统采用计算机闭环控制系统自动返馈水压力的变化，通过改变控制数字式变频器的频率，改变电机速度，驱动高压水泵，控制稳定渗透水压力和流量。

优选地，步骤D中系统自动采集方法为：根据返馈的渗透水压力的变化，自动控制改变高压水泵驱动电机的频率，稳定渗透水压力和流量，试验数据采集，采集渗透室内的各段压力区间的渗透水压力产生的压力信号和渗透排水称重电信号，实时自动采集和存储到数据库中。

计算机自动控制和试验数据采集系统，是根据反馈的渗透水压力的变化，自动控制改变高压水泵驱动电机的频率，稳定渗透水压力和流量；试验数据采集是采集渗透室内的各段压力区间的渗透水压力产生的压力信号和渗透排水称重电信号，实时自动采集和存储到数据库中，供试验结束后进行试验参数的处理之用。

计算机自动控制电磁水阀控制水流路径，用称重法定时定量测定渗透水流量的大小。自动采集系统中还具有自动摄像子系统，采用计算机监控，定时定点录制渗透水流全过程，通过观察视频监测系统录制到的视频图像，可分析判定渗透颗粒大小、形状和类形。实时成像记录分段存储渗透过程中的状态变化，处理试验过程中的成像资料。

本发明在计算机中配置有相关操作软件，具体操作可按如下：

在软件的初始界面中，包含了操作控制区、设置查看区、试验数据及图形显示区、小大水泵手动功能区、流量测量功能区等。

按实验要求进行装样，点击操作界面中的“试验开始准备”按钮，系统会弹出基本信息录入对话框；在对话框中按要求输入本次试验的基本信息，并点击“确定”按钮保存数据；填写完试验基本信息后，系统会弹出试验控制参数对话框，用户根据本次试验要求进行控制参数输入，正确输入对应控制数据后点击“确定 保存”按钮；试验开始之前，要根据试验的内容设置数据采集参数，点击操作界面中的“采集参数设置”按钮，系统将弹出数据采集参数设置界面，按要求输入参数设置，并按“确定 保存”按钮确定；点击“渗透实验开始”按钮，开始渗透实验，在试验过程中，若用户需要手动增加试验数据，可在试验对话框区域双击鼠标右键来完成手动数据采集；实验过程中可以随时修改当前控制水压：点击“查看控制参数”按钮，系统会弹出控制参数界面；试验结束后点击“试验结束按钮”，试验数据可保存在D:\实验数据\..目录下。文件名为本次试验的试验编号，文件类型为*.xls文件。

如图1所示，本发明的一种超大型大流量渗透仪系统，包括自控水箱供水水源系统、渗透仪系统、水槽组件、称重装置，自控水箱供水水源系统与渗透仪系统连接，渗透仪系统与水槽组件连接，水槽组件与称重装置连接；

如图6-7所示，水槽组件包括水槽支架1，水槽支架1上倾斜安装有观察水槽2，水槽支架1上还安装有摄像头3，观察水槽2上开设有水槽出水口4；

如图2-5所示，称重装置包括安装架5，安装架5顶端设置有水平移动机构6和接近开关7，水平移动机构6包括与安装架5连接的导向杆8，导向杆8上安装有移动集水槽9，移动集水槽9位于观察水槽2的水槽出水口4下方，移动集水槽9的顶部安装有与接近开关7配合的感应板10，移动集水槽9底部连通有喇叭口，喇叭口下端设置有水测量筒11，水测量筒11下方连通有称重底座12，称重底座12下方安装有称重传感器13，称重底座12上还安装有水压传感器14，称重底座12还连通有排水管15，排水管15上安装有自动控制阀门16。

采用水槽进水口接受渗透仪溢水口流出的流体。试验过程中全程由摄像头3采集观察记录实时状态，即由渗流口流出的，含有土体颗粒的渗流流体，用以判定土体形成渗透的开始时间。记录流出的颗粒大小、数量。分析判定土体形成渗透，管涌的时间与状态。

称重装置采用水平移动机构6控制移动集水槽9，在控制系统中设定测量水流量的时间，当开始测量时水平移动机构6会将移动集水槽9由液压油缸等推进装置推移到观察水槽2的水槽出水口4下方接收水流，当判定水量达到体积一定量后，如移动集水槽9容量的80%，移动集水槽9自动退出并记录，系统可以判定单位时间的渗流水量，从而实现自动测量渗透水量。

渗流流体经移动集水槽9进入称量装置，由称量装置下面的称重传感器13称量容器中单位时间内的流体重量，同时由水柱传感器（水压传感器14）计量容器水柱高度，即可自动计算出流体的体积，计算机将此体积重量与纯水体积重量比较，可以得到流出颗粒体的密度(流土重量)。

优选地，自控水箱供水水源系统包括水箱，水箱连通有两组潜水泵17和铜泵18，两组潜水泵17和铜泵18分别连通有第一蓄能气罐19和第二蓄能气罐20，第一蓄能气罐19和第二蓄能气罐20顶端均连通有气源机构，第一蓄能气罐19下部还连通有第一平衡器罐21，第二蓄能气罐20下部还连通有第二平衡器罐22，第一平衡器罐21和第二平衡器罐22的顶部分别连接有第一供水桶23和第二供水桶24，第一供水桶23和第二供水桶24的水平位置高于第一平衡器罐21和第二平衡器罐22，第一供水桶23和第二供水桶24内均设置有溢水管25。

自控水箱供水水源由不锈钢自控水箱总成、水压初级稳定装置、水压阻尼稳定平衡器、连接导管接头及辅件、抽真空系统总成、数字变频调节器、计算机中央操作台等组成。

优选地，渗透仪系统包括垂直渗透仪26和水平渗透仪27，垂直渗透仪26和水平渗透仪27均开设有进水口和出水口，第一平衡器罐21与垂直渗透仪26进水口连通，第二平衡器罐22与水平渗透仪27进水口连通，观察水槽2位于垂直渗透仪26或水平渗透仪27的出水口下方。

优选地，水测量筒11旁还设置有防水挡板28，水测量筒11为有机玻璃管。

优选地，垂直渗透仪26为两段式结构并通过沿垂直渗透仪26表面环形分布的螺栓可拆卸连接，水平渗透仪27为两段式结构并通过沿水平渗透仪27表面环形分布的螺栓可拆卸连接。

渗透室可以为圆形垂直与水平钢制容器组成（包含透明材料）。渗透室主体均分两段，由环形分布的螺栓紧固组合而成。渗透室上、下盖总成配有进、出水口，在使用时可选择上、下不同进、排水方式进行渗透试验。打开相应出水阀门，可排出渗透水流。

当做下进水、上排水时渗透试验时，可做试样土体不垂直变形(加压环)和可垂直变形(不加压环，加密封盖测量连同土体作垂直位移，在上盖外可用百分表测量渗透时土体的垂直变形)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超大型大流量渗透仪自动测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、开启计算机自动控制和试验数据采集系统，所述数据采集系统包括数值显示模块、操作控制模块、设置模块和数据及图形显示模块，根据试验要求在渗透室中进行装样；

步骤B、在操作控制模块内的试验准备中录入试样基本信息，所述试样基本信息包括试样编号、试样直径、试样高度；

步骤C、在计算机自动控制和试验数据采集系统中输入试验控制参数，所述试验控制参数包括控制方式和条件设置，所述控制方式包括伺服电机控制方式、稳压加载控制方式、等应力加载控制方式和等应变加载控制方式；

步骤D、开始渗透试验，从渗透室进水口将水通入其中，并从出水口排出，系统根据返馈的渗透水压力的变化，自动控制改变高压水泵驱动电机的频率、稳定渗透水压力和流量，系统通过传感器自动采集渗透室内的各段压力区间的渗透水压力产生的压力信号和渗透排水称重电信号，存储到数据库中，当用户增加或修改试验数据时，在计算机上进行手动数据采集或控制参数修改；

步骤E、将排出的水通至称量装置的水槽中，由摄像头采集观察记录实时状态；

步骤F、根据步骤E采集到的数据，判定土体形成渗透的开始时间，记录流出的颗粒大小、数量，分析判定土体形成渗透、管涌的时间与状态；

步骤G、通过称量装置的称重传感器称量单位时间内的流体重量，并由水柱传感器计量容器水柱高度，系统自动计算流体的体积，与纯水体积重量比较，得到流出颗粒体的密度；

步骤H、试验结束，系统存储试验数据，生成数据文件；

所述步骤D中控制稳定渗透水压力的系统由初级稳定系统和变频自动稳定系统组成，初级稳定系统通过气水转换器进行初步渗透水压力稳定，渗透水量通过水压稳定平衡阻尼器维持渗透水压力稳定度，变频自动稳定系统采用计算机闭环控制系统自动返馈水压力的变化，通过改变控制数字式变频器的频率，改变电机速度，驱动高压水泵，控制稳定渗透水压力和流量；

所述步骤D中系统自动采集方法为：根据返馈的渗透水压力的变化，自动控制改变高压水泵驱动电机的频率，稳定渗透水压力和流量，试验数据采集，采集渗透室内的各段压力区间的渗透水压力产生的压力信号和渗透排水称重电信号，实时自动采集和存储到数据库中。

2.一种超大型大流量渗透仪系统，使用权利要求1所述的超大型大流量渗透仪自动测量方法，其特征在于，包括自控水箱供水水源系统、渗透仪系统、水槽组件、称重装置，所述自控水箱供水水源系统与渗透仪系统连接，所述渗透仪系统与水槽组件连接，所述水槽组件与称重装置连接；

所述水槽组件包括水槽支架，所述水槽支架上倾斜安装有观察水槽，所述水槽支架上还安装有摄像头，所述观察水槽上开设有水槽出水口；

所述称重装置包括安装架，所述安装架顶端设置有水平移动机构和接近开关，所述水平移动机构包括与安装架连接的导向杆，所述导向杆上安装有移动集水槽，所述移动集水槽位于观察水槽的水槽出水口下方，移动集水槽的顶部安装有与接近开关配合的感应板，所述移动集水槽底部连通有喇叭口，所述喇叭口下端设置有水测量筒，所述水测量筒下方连通有称重底座，称重底座下方安装有称重传感器，称重底座上还安装有水压传感器，所述称重底座还连通有排水管，所述排水管上安装有自动控制阀门。

3.根据权利要求2所述的一种超大型大流量渗透仪系统，其特征在于，所述自控水箱供水水源系统包括水箱，所述水箱连通有两组潜水泵和铜泵，两组潜水泵和铜泵分别连通有第一蓄能气罐和第二蓄能气罐，所述第一蓄能气罐和第二蓄能气罐顶端均连通有气源机构，所述第一蓄能气罐下部还连通有第一平衡器罐，所述第二蓄能气罐下部还连通有第二平衡器罐，所述第一平衡器罐和第二平衡器罐的顶部分别连接有第一供水桶和第二供水桶，所述第一供水桶和第二供水桶的水平位置高于第一平衡器罐和第二平衡器罐，第一供水桶和第二供水桶内均设置有溢水管。

4.根据权利要求3所述的一种超大型大流量渗透仪系统，其特征在于，所述渗透仪系统包括垂直渗透仪和水平渗透仪，所述垂直渗透仪和水平渗透仪均开设有进水口和出水口，所述第一平衡器罐与垂直渗透仪进水口连通，所述第二平衡器罐与水平渗透仪进水口连通，所述观察水槽位于垂直渗透仪或水平渗透仪的出水口下方。

5.根据权利要求4所述的一种超大型大流量渗透仪系统，其特征在于，所述垂直渗透仪为两段式结构并通过沿垂直渗透仪表面环形分布的螺栓可拆卸连接，所述水平渗透仪为两段式结构并通过沿水平渗透仪表面环形分布的螺栓可拆卸连接。

6.根据权利要求2所述的一种超大型大流量渗透仪系统，其特征在于，所述水测量筒旁还设置有防水挡板，所述水测量筒为有机玻璃管。