专利名称：岩土渗透特性的自动检测计量装置及方法
技术领域：
本发明属于土工试验的检测设备技术领域，具体涉及的是一种岩土渗透特性的 自动检测计量装置及方法。
背景技术：
渗透试验是土工试验基本试验检测项目之一，检测结果用于估计土体单元的渗透 性特征及变化规律，为工程设计和施工提供准确可靠的渗透性指标。进行岩土渗透性试验 (渗透系数i 测定)，试验检测设备必不可少。目前，进行岩土渗透性试验的试验设备——渗透仪均为人工操作设备，操作项目 包括土样装卸、阀门开与关、数据读取、结果计算以及撰写报告，并且试验整个过程均需要 求试验检测人员参与检测状况巡查，其特点是自动化程度低，劳动工作量大，工作效率低， 人力成本高。当前进行试验测试时，试验数据的读取主体为试验检测操作人员，读取结果可能 会因试验检测人员的工作经验、心理状态的不同而存在偶然误差或错误，这些读数偏差将
直接影响渗透系数to检测的准确性和精度。现有的渗透仪基本为纯机械装置，未见电子控制与自动化技术应用，更没有引入 多工位检测数据传输应用的总线网络通讯技术。现有技术的不足是自动化测试程度低，高度依赖人力操作，工作效率低，人力成本 高，检测结果受检测人员主观影响大。

发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种岩土渗透特性的自动检 测计量装置，该装置通过增设进水量筒单元、排水量筒单元、排气量筒单元和电子测控制单 位，并通过连接计算机，可以实现24小时无人职守持续试验检测，提高了试验效率、缩短了 试验周期。本发明的另一种目的是提供一种岩土渗透特性的自动检测计量方法。本发明目的实现由以下技术方案完成
一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，包括自动补给水箱及与其连通的渗透仪，所 述自动补给水箱的主体为一用于容纳液态水的箱体，所述箱体通过水泵连通有进水管路， 其特征在于所述渗透仪通过电磁阀连通有至少一量筒单元，所述量筒单元具有垂直设置 且内径均勻的量筒，所述量筒内设有可随液面上升浮起的浮子，所述浮子内设有磁性芯片， 所述量筒壁上间隔设置有多个可接受所述磁性芯片信号的液位位置传感器，所述量筒底部 设置电磁阀，所述液位位置传感器连接有被编程的电子控制单元，所述电子控制单元接受 所述液位位置传感器的触发信号并相应计时，及控制所述电磁阀通/断。所述量筒单元数量是三个，分别为进水量筒单元、排水量筒单元、排气量筒单元，其中所述进水量筒单元底部高于所述渗透仪顶部设置，所述排水量筒单元和排气量筒单元 顶部低于所述渗透仪底部设置；所述多个液位位置传感器非等间距设置。所述自动补给水箱的箱体顶部设有通气螺塞，所述箱体内中设有温度传感器、液 位计及两个垂直间距为IOOmm液位开关，所述液位开关分别通过一继电器控制连接有所述 水泵，所述温度传感器、液位计连接有所述计算机。所述进水量筒单元与设置于所述渗透仪一侧壁的底部的进水口连接，所述的排水 量筒单元与设置于所述渗透仪另一侧壁之顶部的排水口连接，所述的排气量筒单元与设置 于所述渗透仪另一侧壁之底部的排气口连接。所述排水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器一、二、三、 四，其顶部通过管路及电磁阀一与所述渗透仪连通，其底部设置电磁阀五；所述排气量筒单 元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器五、六、七、八，其顶部通过电磁阀二与 所述渗透仪连通，其底部设置电磁阀六；所述进水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四 个液位位置传感器九、十、十一、十二，其底部通过电磁阀三与所述渗透仪连通；所述液位位 置传感器中一与二的间距是三与四的3倍，二与三的间距是三与四的2倍；五与六的间距 是七与八的3倍，六与七的间距是七与八的2倍；十一与十二的间距是九与十的3倍，十与 十一的间距是九与十的2倍，所述自动补给水箱通过电磁阀四经管路、三通与所述电磁阀 三及渗透仪连通。一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤
(a)试验准备步骤，提供如权利要求7所述的自动检测计量装置，将所述渗透仪内放入 土样，并启动所述水泵对自动补给水箱输入试验水；
(b)自动排气步骤，电子控制单元控制电磁阀三关闭、电磁阀四打开，自动补给水箱内 试验水进入渗透仪内，并通过所述土样分别从所述排水口和排气口排出，之后电子控制单 元控制电磁阀五、六关闭，排水量筒单元、排气量筒单元中浮子分别随着液面上升并接近所 述液位位置传感器四、八，所述液位位置传感器四、八发出触发信号至所述电子控制单元以 开始进行计时，当所述两个浮子分别接近对应量筒单元中位于所述液位位置传感器四和八 上方的液位位置传感器时，计时结束，通过液位位置传感器间间距、量筒截面积、浮子上升 耗时计算排水速度，之后电子控制单元控制电磁阀五、六打开释放所述排水量筒单元、排气 量筒单元内液体，之后关闭电磁阀五、六重新计时，当至少相邻二次的测量的排水速度偏差 小于5%时自动排气步骤完成；
(c)进水量筒单元补水，电子控制单元控制电磁阀三、四打开，电磁阀一、二关闭，自动 补给水箱内试验水进入进水量筒单元并使所述浮子上升，当所述浮子接近液位位置传感器 九时，液位位置传感器九发出触发信号至所述电子控制单元，所述电子控制单元延时一段 时间关闭电磁阀四以使进水量筒单元的液面稍高于液位位置传感器九，进水量筒单元补水 步骤结束；
(d)试验前管路泄露检测，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭、电磁阀三、一、五打开， 进水量筒单元中的浮子随液面下降并接近液位位置传感器九时，电子控制单元开始计时并 直至浮子下降到液位位置传感器十时停止计时，得到耗时、进水量AF1进水速度h ^ 后完成如步骤c )所述的进水量筒单元补水步骤后，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭、电 磁阀三、一、五打开，进水量筒单元的浮子随液面下降并接近液位位置传感器九时，电子控制单元控制电磁阀五关闭，排水量筒单元内浮子随液面上升并接近液位位置传感器四时， 电子控制单元开始计时并直至浮子上升到液位位置传感器三时停止计时，得到耗时ΔΙ2、排 水量ΔΓ2、排水速度V2 ；若进水速度V1与排水速度V2偏差大于5%，则认为管路出现泄漏故 障，电子控制单元控制电磁阀三、四关闭切断以暂停试验检测进程，并将泄漏故障代码发送 至计算机，提示试验操作人员进行相应的检修维护；若进水速度η与排水速度ι偏差小于 5%，则进行下一试验检测操作；
(e)进水量筒单元补水，重复步骤c)中所述过程；
(f)变水头渗透性试验，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭，电磁阀三、一、五打开，进 水量筒单元中的试验水进入渗透仪中，所述渗透仪渗出的试验水从排水量筒单元底部的电 磁阀五排出，进水量筒单元中的浮子随着液面下降并接近液位位置传感器九，电子控制单 元以接受液位位置传感器信号并进行如下计时
从液位位置传感器九到液位位置传感器十计时为，进水量为AF3 ；
从液位位置传感器十到液位位置传感器十一计时为Ai4，进水量为ΔΡ；； 从液位位置传感器十一到液位位置传感器十二计时为， 从液位位置传感器九到液位位置传感器十一计时为 从液位位置传感器九到液位位置传感器十二计时为 从液位位置传感器十到液位位置传感器十二计时为&8 电子控制单元根据耗时Ai1和进水量AF1计算进水速度，并根据进水速度确定起作用 的液位位置传感器若进水速度大的选择间距大的两个液位位置传感器，进水速度小的选 择间距小的两个液位位置传感器；之后采用如下公式进行变水头渗透系数计算以获得试验 数据
进水量为Δ ； 进水量为AF6 ; 进水量为Δ&; 进水量为;
权利要求
一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，包括自动补给水箱及与其连通的渗透仪，所述自动补给水箱的主体为一用于容纳液态水的箱体，所述箱体通过水泵连通有进水管路，其特征在于所述渗透仪通过电磁阀连通有至少一量筒单元，所述量筒单元具有垂直设置且内径均匀的量筒，所述量筒内设有可随液面上升浮起的浮子，所述浮子内设有磁性芯片，所述量筒壁上间隔设置有多个可接受所述磁性芯片信号的液位位置传感器，所述量筒底部设置电磁阀，所述液位位置传感器连接有被编程的电子控制单元，所述电子控制单元接受所述液位位置传感器的触发信号并相应计时，及控制所述电磁阀通/断。
2.根据权利要求1所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于所述量 筒单元数量是三个，分别为进水量筒单元、排水量筒单元、排气量筒单元，其中所述进水量 筒单元底部高于所述渗透仪顶部设置，所述排水量筒单元和排气量筒单元顶部低于所述渗 透仪底部设置；所述多个液位位置传感器非等间距设置。
3.根据权利要求1所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于所述自 动补给水箱的箱体顶部设有通气螺塞，所述箱体内中设有温度传感器、液位计及两个垂直 间距为IOOmm液位开关，所述液位开关分别通过一继电器控制连接有所述水泵，所述温度 传感器、液位计连接有所述计算机。
4.根据权利要求1所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于所述进 水量筒单元与设置于所述渗透仪一侧壁的底部的进水口连接，所述的排水量筒单元与设置 于所述渗透仪另一侧壁之顶部的排水口连接，所述的排气量筒单元与设置于所述渗透仪另 一侧壁之底部的排气口连接。
5.根据权利要求2或4所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量装置，其特征在于 所述排水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位置传感器一、二、三、四，其顶部 通过管路及电磁阀一与所述渗透仪连通，其底部设置电磁阀五；所述排气量筒单元内具有 由上至下顺次排列的四个液位位置传感器五、六、七、八，其顶部通过电磁阀二与所述渗透 仪连通，其底部设置电磁阀六；所述进水量筒单元内具有由上至下顺次排列的四个液位位 置传感器九、十、十一、十二，其底部通过电磁阀三与所述渗透仪连通；所述液位位置传感器 中一与二的间距是三与四的3倍，二与三的间距是三与四的2倍；五与六的间距是七与八 的3倍，六与七的间距是七与八的2倍；十一与十二的间距是九与十的3倍，十与十一的间 距是九与十的2倍，所述自动补给水箱通过电磁阀四经管路、三通与所述电磁阀三及渗透 仪连通。
6.一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤试验准备步骤，提供如权利要求7所述的自动检测计量装置，将所述渗透仪内放入土样，并启动所述水泵对自动补给水箱输入试验水；自动排气步骤，电子控制单元控制电磁阀三关闭、电磁阀四打开，自动补给水箱内试验 水进入渗透仪内，并通过所述土样分别从所述排水口和排气口排出，之后电子控制单元控 制电磁阀五、六关闭，排水量筒单元、排气量筒单元中浮子分别随着液面上升并接近所述液 位位置传感器四、八，所述液位位置传感器四、八发出触发信号至所述电子控制单元以开始 进行计时，当所述两个浮子分别接近对应量筒单元中位于所述液位位置传感器四和八上方 的液位位置传感器时，计时结束，通过液位位置传感器间间距、量筒截面积、浮子上升耗时 计算排水速度，之后电子控制单元控制电磁阀五、六打开释放所述排水量筒单元、排气量筒单元内液体，之后关闭电磁阀五、六重新计时，当至少相邻二次的测量的排水速度偏差小于 5%时自动排气步骤完成；进水量筒单元补水，电子控制单元控制电磁阀三、四打开，电磁阀一、二关闭，自动补 给水箱内试验水进入进水量筒单元并使所述浮子上升，当所述浮子接近液位位置传感器九 时，液位位置传感器九发出触发信号至所述电子控制单元，所述电子控制单元延时一段时 间关闭电磁阀四以使进水量筒单元的液面稍高于液位位置传感器九，进水量筒单元补水步 骤结束；试验前管路泄露检测，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭、电磁阀三、一、 五打开，进水量筒单元中的浮子随液面下降并接近液位位置传感器九时，电子 控制单元开始计时并直至浮子下降到液位位置传感器十时停止计时，得到耗时 、进水量ΔF1进水速度之后完成如步骤c)所述的进水量筒单元补水步骤后，电子控 制单元控制电磁阀四、二关闭、电磁阀三、一、五打开，进水量筒单元的浮子随液面下降并接 近液位位置传感器九时，电子控制单元控制电磁阀五关闭，排水量筒单元内浮子随液面上 升并接近液位位置传感器四时，电子控制单元开始计时并直至浮子上升到液位位置传感器 三时停止计时，得到耗时Ai2、排水量、排水速度V2 ；若进水速度V1与排水速度V2偏差 大于5%，则认为管路出现泄漏故障，电子控制单元控制电磁阀三、四关闭切断以暂停试验 检测进稈,并将泄漏故障代码发送至计算机，提示试验操作人员进行相应的检修维护；若进 水速度h与排水速度V2偏差小于5%，则进行下一试验检测操作； 进水量筒单元补水，重复步骤c)中所述过程；变水头渗透性试验，电子控制单元控制电磁阀四、二关闭，电磁阀三、一、五打开，进水 量筒单元中的试验水进入渗透仪中，所述渗透仪渗出的试验水从排水量筒单元底部的电磁 阀五排出，进水量筒单元中的浮子随着液面下降并接近液位位置传感器九，电子控制单元 以接受液位位置传感器信号并进行如下计时从液位位置传感器九到液位位置传感器十计时为，进水量为；从液位位置传感器十到液位位置传感器十一计时为，进水量为ΔΓ4 ；从液位位置传感器十一到液位位置传感器十二计时为，进水量为；从液位位置传感器九到液位位置传感器十一计时为，进水量为ΔΓδ ；从液位位置传感器九到液位位置传感器十二计时为，进水量为ΔΓ4 ；从液位位置传感器十到液位位置传感器十二计时为&s，进水量为AF8 ；电子控制单元根据耗时Ai1和进水量AF1计算进水速度，并根据进水速度确定起作用 的液位位置传感器若进水速度大的选择间距大的两个液位位置传感器，进水速度小的选 择间距小的两个液位位置传感器；之后采用如下公式进行变水头渗透系数计算以获得试验 数据
7.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方 法还包括试验后管路泄露检测于步骤f)后重复步骤d)中所述过程，且若偏差大于5%，则步骤f)中所得渗透性系数b无效，若偏差小于5%，则渗透性系数Ar有效。
8.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方 法还包括试验后的渗透性系数知温度校正，电子控制单元根据试验过程的来自于计算机 的最高环境温度与最低温度之和的二分之一作为换算温度τ自动查询得到τ温度水的动力粘滞系数w和20度时水的动力粘滞系数 ，执行ρ乘以I1则得到标准20摄氏度渗Ht"20kT￥20透系数‘。
9.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于所述方 法还包括检测结果传输及保存步骤于步骤f)后，电子控制单元将试验结果及相关数据传 输至计算机，计算机进行数据处理、存储和打印输出。
10.根据权利要求6所述的一种岩土渗透特性的自动检测计量方法，其特征在于步骤 b)中所述对应量筒单元中位于所述液位位置传感器四和八上方的液位位置传感器的具体 选择应按照如下原则每次测量时浮子上升接近哪一高度位置的液位位置传感器由排水速 度决定，若排水速度大预先设定的上限值所述电子控制单元选择最高位置的液位位置传 感器一、五用于计时计算，排水速度小于预先设定的下限值所述电子控制单元选择最低位 置的液位位置传感器三、七用于计时计算，排水速度处于预先设定的上限值与下限值之间 所述电子控制单元选择中等位置的液位位置传感器二、六用于计时计算。
全文摘要
本发明属于土工试验的检测设备技术领域，具体涉及一种岩土渗透特性的自动检测计量装置及方法，该装置包括自动补给水箱及与其连通的渗透仪，其中渗透仪连通有至少一量筒单元，量筒单元具有垂直设置且内径均匀的量筒，量筒内设有可随液面上升浮起的浮子，量筒壁上间隔设置有多个可感应浮子位置的液位位置传感器，液位位置传感器连接有被编程的电子控制单元。采用本发明中装置及方法可实现变水头渗透试验功能，试验过程完全符合相关的国家标准和行业标准规定，并且可以24小时连续工作以进行自动检测记录，全面提高渗透性试验的批量检测工作效率，降低人员劳动强度，降低检测工作成本，减小检测人员对检测结果的影响。
文档编号G01N15/08GK101949818SQ20101028187
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者曹兴国, 曹海荣, 辛伟, 黄凤荣 申请人:上海岩土工程勘察设计研究院有限公司