基于RS-485总线的土工膜水力性能测试系统
摘要：介绍了一种土工膜水力性能测试系统的设计原理和方法。该系统通过RS-485总线连接上位机与89C52单片机（下位机），实现了土工膜水力性能测试系统。下位机可完成自动加压和对压力、水量、时间的自动测定；上位机与多个下位机通信，对其采集的数据进行整理、制表打印、显示存储，提高了测量精度，减少了测试时间。土工膜主要应用于防渗工程中。它的渗透系数和耐静水压是土工膜水力性能的主要指标，因此在质量检测中是国家标准要求的必测项目。在工程应用中，土工膜在一定水压下不能破裂，还要保证最小的渗透率，防止水的流失。为了在施工前就能确定某一种土工膜是否符合工程需要，必须在实验室中对所使用的土工膜进行测定。其测试装置要求较高，测试过程复杂，国家标准要求每组试样不得少于五块。2001年作者等人承担了河南省科技攻关项目“土工膜水力性能测试仪的研制”，实现了单台手动/自动测试功能。但由于选取试样多，测试时间长，每块试样需要数小时才能完成，每组实验需要两天，因此在原测试仪的基础上，采用RS-485总线通讯方式，实现了对多台测试装置（五台）进行控制，大大缩短了测试时间，提高了测量精度，并由上位机实现了测试参数的制表打印、曲线绘制等功能，满足了实际要求。
1 测试原理
土工膜在一定水力压差作用下将产生微小渗流。在规定水力压差（一般为100kPa）下，测定一定时间内通过试样的渗变量，然后即可根据试样厚度计算出渗透系数及透水率。渗透系数和透水率可按（1）式、（2）式分别计算。
K=v·T/(t·A·Δp)
ψ=v/(t·A·Δp)
式中，K为渗透系数；ψ为透水率，单位为m2/s；v为时间t内的渗流量，单位为cm3；T为试样厚度（实验压力Δp下），单位为cm；t为测定时间，单位为s；A为有效流流面积，单位为cm2；Δp为试样两侧的水力压差，单位为cm。
在测试装置的高压仓中注满水，放上经过充分浸泡湿润的土工膜试样，并利用网络使试样保持一定形状，连接低压仓，注入一定量的水。在高压仓中有一个和加压气源相通的气囊，通过调节气源的压力，使气囊膨胀，在高压仓产生压力，使试样两侧建立起一定的压差。
试样测试直径为φ=16cm，有效测试面积为201cm2，压力在0～1.6MPa之间连续可调。上述加压装置在试样两侧建立一定的压差，通过高压仓上安装的压力传感器检测出压力信号送入下位机。在一定压差情况下，用标准的细计量管及光栅位移传感器测量出时间t内的渗流量V，求出渗透系数。通过改变压差来测定不同水力压差条件下的渗透系统。在土工膜两侧的压差达到一定值后，土工膜就会破裂。耐水静压的测定是通过逐级增加试样两侧的水力压差并保持一定时间实现的，当渗透急速增加时，表明试样受到破坏，通过下位机采助记歌到这时的'压差值，那么前一级压差值就是试样的耐水静压值。如果只需判定试样是否能达到某一规定耐静水压值，则可直接加压到此压差值，并保持两小时。如果土工膜没发生破裂，就判定试样符号此耐静水压值的要求。
根据国标GB/T17642-1998规定，有效渗流面积A≥200cm2。把高低压仓的口径及网络的有效渗流面积设计为A=201cm2，符合国标GB/T17642-1998的要求。
2 系统组成
该系统由三部分组成：测试装置、下位机、上位机，如图1所示。