变水头渗透仪数据采集及控制系统硬件设计与实现



变水头渗透仪数据采集及控制系统硬件设计与实现

主要研究计算机应用技术。

郑国勋，张晓贤，张华，陈洋

(长春工程学院计算机技术与工程学院，长春 130012)

摘要：土体渗透性的测定是岩土工程和工程地质评价的重要内容，常以渗透系数表示，渗透系数是衡量土体渗透性能的一项重要指标。根据自动应变控制的研究目标，提出一种自主控制测定过程的数据采集及控制系统。通过对温度传感器、压力传感器、A/D转换单元、DO控制单元、蠕动泵、驱动电路等组成部分的合理设计，实现渗透系数测定过程的精确管理，提高了测定结果的精度和效率。实验结果表明，所提出的数据采集及控制系统是切实可行的，完全满足设计要求和工程需要，可广泛应用于各种土体渗透性测定任务。

关键词：变水头渗透仪；土体渗透系数；自动应变控制；传感器

0引言

随着经济的发展和科技的进步，人们对传统仪器和机械设备进行自动化和数字化升级改造，因此，大批的自动化仪器和设备应运而生，就土工实验仪器设备来说，用于直剪实验的直剪仪由原来的手动变成自动应变控制式，并且由单一的变成四联的，增加了自动化程度，提高了效率；固结仪也升级改造成了全自动气压固结仪；三轴试验仪也实现了全自动化等。而土体渗透性的测定是岩土工程和工程地质评价的重要内容，常以渗透系数表示，渗透系数是衡量土体渗透性能的一项重要指标，通常使用常水头和变水头2种方法测定。对于常见的黏性土体的渗透系数测定常采用变水头渗透仪来完成。

对于变水头渗透测试试验，通常采用南-55型渗透仪，但该仪器存在人工读数易产生误差、测试过程中频繁观察和记录数据的劳顿之苦、渗透系数较小时长时间测试中的人工值守，以及烦琐的数据处理等问题。因此，设计该系统的意义就在于顺应科技的发展和要求，实现变水头渗透测试仪器的自动化和数字化，使整个实验自动完成，将测试参数和结果数字化，消除测试过程中的人为影响，提高测试精度，实现测试过程的无人值守，减少测试人员的劳动强度，达到准确、方便、快捷地测试渗透系数的目标，满足工程需要。

1应用要求及主要技术指标

设计方案要求：变水头渗透仪必须能够测定渗透系数范围在10-3～10-8cm/s的黏性土、砂土、水泥土浆材结石体等材料；记录实时水温、水头压力、时间等试验参数；测定过程在无人工干预情况下可自动反复进行；水头高度1～2 m可自由设定；数据采集频率不低于8 Hz，滤波后计算得出的真实值频率不低于2 Hz。

根据上述要求，确定变水头渗透仪的主要技术指标。温度传感器：0～50 ℃变送输出1～5 V，精密度δ≤0.3 ℃,影响量0.02 mA/U±10%，综合精度0.5%FS；压力传感器：0～25 kPa输出1～5 V，精密度δ≤0.3 ℃,影响量0.02 mA/U±10%，综合精度0.1%FS；A/D转换：转换精度12 Bit，转换时间≤1.5 μs,非线性误差±1LSB；DO控制：TTL电平信号输出，高电平的最低电压4.5 V，低电平的最高电压0.5 V；蠕动泵：流量范围为5～1500 mL/min。电路供电电压采用DC24V。

2变水头渗透仪工作原理

变水头渗透仪系统采用模块化结构设计，由渗透容器、主电路单元、数据采集单元、数据处理单元、给水控制单元、供水水箱和管路等组成。其基本原理是：供水水箱中的渗透液通过给水控制单元为测压管供水，测试过程中测压管内的渗透液经渗透液管路进入渗透容器中的试样进行渗透，数据采集及处理单元实时采集水头高度、渗透液温度、测试时间等参数，并依据达西定律处理数据，输出渗透系数。

3数据采集及控制系统设计

本文提出数据采集及控制系统结构如图1所示。

图1　数据采集及控制系统结构示意图

该系统的硬件主要由控制电路、A/D转换器、DO控制器、达林顿管驱动器、压力传感器、温度传感器、蠕动泵等构成。该系统的结构优势在于：采用支持16路模拟量输入的AD转换芯片，以满足同时进行8组渗透实验的要求；利用蠕动泵精确控制渗透液的注入量。

3.1数据采集单元设计

数据采集单元是整个系统重要的组成部分，主要包括滤波器、多路模拟开关、S/H、A/D转换器、压力传感器、温度传感器，如图2所示。

图2　数据采集单元组成

AD7705是AD公司推出的16位∑-△(电荷平衡式)A/D转换器。它包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路、∑-△调制器及可编程数字滤波器等,能直接将来自传感器的不同摆幅范围内的信号放大到接近A/D转换器的满标度电压附近再进行A/D转换,实现0.003%非线性的16位无误码数据输出，最大转换速率500 kHz，支持±10 V、±5 V、±2.5 V、0～10 V输入量程，芯片转换时间≤1.6 μs。此外它还具有自校准、高分辨率、宽动态范围、校准、低功耗及优良的抗噪声性能。经过测试测量精度能够达到0.1%，满足设计方案的要求。

AD7705内置低通数字滤波器,用它处理器件∑-△调制器的输出信号,因而该器件不但具备模数转换功能,还具有一定的滤波能力。由于数字滤波发生在模数转换后,所以它能消除模数转换过程中产生的噪声。

AD7705的数字滤波器是一个低通(sinx/s)3滤波器(也称为sinc3),它在Z域的转换功能可描述为

(1)

在频域可描述为

(2)

式中N为调制率与输出率之比。

3.2控制单元设计

控制单元包括DO控制器、达林顿管驱动器、蠕动泵、继电器、供电电路。计算机程序通过USB接口将控制信号传送给DO控制器，由DO控制器产生的TTL电平作为达林顿管驱动器的输入信号，再由达林顿管外接DC24V驱动蠕动泵，实现渗透液注入。

4试验及其结果

使用粉质黏土制备多块试样，以用于测试硬件系统是否可以准确采集试验数据，制备的试样具有不同的密度、直径、高度。将试样分为3组，其中一组采用人工记录试验数据方式进行渗透系数的测定；另一组放置在本文所设计的设备中进行渗透系数的测定，之后再将2组试样互换进行渗透系数的测定。试验对比结果见表1。

由表1不同密度、直径、高度的3组试样测试结果分析可知，利用数据采集处理与控制系统测试的结果标准差均小于人工读数计算的结果，说明自动采集系统测试的结果离散性小、精度高；另外，2种读数方式得到的渗透系数的绝对误差均小于0．27×10-n，远小于渗透试验规定的±2×10-n，完全符合规范要求，表明本设计的硬件运行稳定、可靠，数据采集准确。

表1　对比试验结果

5结语

本文所设计的硬件系统在利用AD7705高速A/D转换的基础上，结合配套的软件系统，能够对变水头渗透试验数据进行精确采集和管理，实现了自动化渗透系数的测定，有效解决了传统渗透仪存在的人工读取、记录等工作繁琐的问题。通过大量的人工记录试验数据与自动化系统采集数据对比试验，表明本文设计的硬件系统在实时读数、滤波处理、自动注水和实时监控等方面都表现出人工读记录试验数据所无法比拟的优势。主要技术指标均到达了设计要求。

参考文献

[1] 胡顺军，田长彦，宋郁东，等.土壤渗透系数测定与计算方法的探讨[J].农业工程学报,2011,27(5):68-72.

[2] 郑国勋，陈洋，任斌，等.柔壁渗透仪数据采集系统的开发[J].长春工程学院学报：自然科学版，2011,12(3):78-82.

[3] 靖向党，于波，刘自放，等.柔壁渗透仪的研制[J].长春工程学院学报：自然科学版，2010,11(3):19-23.

[4] 靖向党,于波,谢俊革. 柔壁渗透仪的试验研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2008,21(9)：28-31.

The hardware design and implementation of data acquisition

and control system of falling head permeameter

ZHENG Guo-xun, et al.

(SchoolofComputerTechnologyandEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：The determination of soil permeability is an important part of geotechnical engineering and engineering geology evaluation, which is often indicated as permeability coefficient. The permeability coefficient is an important indicator to measure the soil permeability. According to the research aim of the automatic strain control, this paper proposes a data acquisition and control system with autonomous control of test process. Through the reasonable designs to temperature sensors, pressure sensors, A/D conversion unit, DO control unit, a peristaltic pump and the driving circuit, etc., it achieves precise management of the test process of permeability coefficient, and improves the accuracy and efficiency of the measurement results. Experimental results show that the data acquisition and control system proposed are feasible, fully meet design requirements and project needs, and can be widely used in variety soil permeability measurement tasks.

Key words：falling head permeameter; soilpermeability coefficient; automatic strain control; sensor

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0082-03

中图分类号：TP273.5

作者简介：郑国勋(1982-)，男(汉)，吉林德惠，实验师

收稿日期：2015-10-12

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.020