一种渗流流速的测量装置与方法

文档序号:9505239阅读:784来源:国知局
一种渗流流速的测量装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于渗流和地下水运动观测领域,具体涉及一种渗流流速的测量装置与方 法。
【背景技术】
[0002] 渗流流向、流速是岩土工程、水文地质领域非常重要的参数,对于污染物运移、油 气开发、水土流失等相关问题的研究也具有重大意义。传统示踪法,由于示踪剂多为染料或 电解质溶液,需要专门的投药装置,且投药点与测量位置必须间隔较长距离,难以成设计成 一体化传感器实现连续监测;热示踪通过测量温度场变化,确定渗流流速、流向,光纤式测 温渗流监测系统属于该种类型的其典型代表,由于光纤式测温渗流监测系统需要在监测范 围内铺设光纤,故成本较高。因此,渗流监测迫切需要一种成本低廉的测量装置与方法。

【发明内容】

[0003] 本发明要解决的技术问题是,针对现有渗流监测存在的上述不足,提供一种无投 药装置的利用电解极化产生离子脉冲示踪的渗流流速的测量装置与方法。
[0004] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是:
[0005] -种渗流流速的测量装置,包括传感器、激励源、采样电阻、信号调制模块、模数变 换模块、单片机、计时器、显示与通讯模块、双路开关和电解电源,传感器包括电导电极和电 解电极,激励源接采样电阻后与电导电极及信号调制模块的输入端连接,信号调制模块的 输出端与模数变换模块连接,单片机与模数变换模块、计时器、显示与通讯模块以及双路开 关连接,电解电源经双路开关与电解电极连接。
[0006] 按上述方案,所述电导电极用于感知溶液电导变化,电解电极用于在溶液中产生 电解极化,电导电极和电解电极均由两根间距〇. 1~IOmm的排针组成。
[0007] 按上述方案,所述激励源用于在电导测量过程中提供双极性方波电源,所述采样 电阻用于电导测量过程中将电导电极感知的溶液电导变化转换为双极性电压信号,所述信 号调制模块用于将采样电阻获取的双极性电压信号转换为直流电压信号,所述模数变换模 块用于电导测量时,将信号调制模块输出的直流电压信号转换为数字信号,所述计时器用 于电导测量时计时以及电解电极电解过程中控制电解时间,所述单片机用于控制和协调整 个电导测量过程,所述电解电源用于在电解过程中提供稳定的直流电源,所述双路开关用 于控制电解过程的开始和结束,所述显示与通讯模块,用于显示接收单片机指令,将电导测 量数据进行显示和发送至上位机。
[0008] 按上述方案,所述激励源包括两片电压基准模块、模拟开关和运放,两片电压基准 模块提供+2. 5V、-2. 5V的幅值稳定的标准电压,经模拟开关交替选通形成方波信号,最终 由运放输出。
[0009] 按上述方案,所述采样电阻由模拟开关控制的500Ω、lkQ、2kQ、5kQ、10kQ、 20k Ω、50k Ω、l〇〇kQ电阻组成8档可调采样电阻。
[0010] 按上述方案,所述信号调制模块包括绝对值电路和RC滤波电路,绝对值电路将双 极性信号转变为单极性信号,经RC滤波电路后输出为直流电压信号。
[0011] 按上述方案,所述单片机采用8位以上单片机,所述模数变换模块采用12位以上 ADC模块,所述计时器采用16位单片机内部计时器。
[0012] 按上述方案,所述显示与通讯模块包括显示单元和通讯单元,显示单元采用显示 驱动模块驱动数码管实现数据显示,通讯单元采用串口通讯模块实现RS232通讯。
[0013] 按上述方案,所述电解电源采用由可调稳压电源模块构成的1. 5~36V可调稳压 电源,所述双路开关由两个串联的光电隔离模块组成。
[0014] 本发明还提供了一种上述渗流流速的测量装置的测量方法,包括如下步骤:
[0015] 1)将具有电解电极和电导电极的传感器置于待测液体中并固定;
[0016] 2)向单片机发送测量指令,所述测量指令包括但不限于单片机命令和测量参数, 所述单片机命令包括但不限于启动电解、关闭电解、启动电导测定、关闭电导测定、设置电 导测定方法、设置电导激励源的频率,所述测量参数包括但不限于电导激励源的频率、电解 电极的通电时间、间隔时间、校正系数及补偿因子;
[0017] 3)单片机收到步骤2)的测量指令后,设置电解电极的通电时间、间隔时间、校正 系数及补偿因子;
[0018] 4)启动计时器开始计时;
[0019] 5)开启模数变换模块进行电导测量,通过单片机存储电导测量数据并通过显示与 通讯模块进行显示和传输;
[0020] 6)开启双路开关,等待电解时间到达步骤3)设置的电解电极的通电时间后关闭 双路开关;
[0021] 7)当计时器时间到达步骤3)的间隔时间时,关闭模数变换模块,停止计时器计 时;
[0022] 8)将步骤5)中单片机存储的电导测量数据进行滤波后寻峰,求得出峰时间,按公 峰时间;
[0023] 9)根据步骤3)设置的校正系数及补偿因子,按公式V实际=a · V洒定+b计算实际 流速,式中为实际流速,a为校正系数,viM£为步骤8)计算得出的测定流速,b为补偿因 子;
[0024] 10)将实际流速通过显示与通讯模块显示并发送至上位机,完成一次测量,重复步 骤4)-10)实现连续监测。
[0025] 本发明与现有技术相比,主要有以下优点:通过电解极化产生离子脉冲示踪方法 测量地下水运动,无需设置投药装置,相比于光纤式测温渗流监测系统,成本低廉,可靠性 尚。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明渗流流速的测量装置原理框图;
[0027] 图2本发明渗流流速的测量方法流程图。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。
[0029] 如图1所示,本发明所述的渗流流速的测量装置,包括传感器、激励源、采样电阻、 信号调制模块、模数变换模块、单片机、计时器、显示与通讯模块、双路开关和电解电源,传 感器包括电导电极和电解电极,激励源接采样电阻后与电导电极及信号调制模块的输入端 连接,信号调制模块的输出端与模数变换模块连接,单片机与模数变换模块、计时器、显示 与通讯模块以及双路开关连接,电解电源经双路开关与电解电极连接。
[0030] 所述电导电极用于感知溶液电导变化,电解电极用于在溶液中产生电解极化,电 导电极和电解电极均由两根间距2. 54mm的排针组成。
[0031] 所述激励源用于在电导测量过程中提供双极性方波电源,激励源包括两片TL431 电压基准模块、CD4501模拟开关和0P07运放,两片TL431电压基准模块提供+2. 5V、-2. 5V 的幅值稳定的标准电压,经CD4501模拟开关交替选通形成方波信号,最终由0P07运放输 出,方波信号频率由单片机控制;
[0032] 所述采样电阻用于电导测量过程中将电导电极感知的溶液电导变化转换为双极 性电压信号,采样电阻由CD4501模拟开关控制的500Ω、lkQ、2kQ、5kQ、10kQ、20kQ、 50k Ω、IOOk Ω电阻组成8档可调采样电阻,各档采样电阻的选择通过单片机控制⑶4501模 拟开关实现;
[0033] 所述信号调制模块用于将采样电阻获取的双极性电压信号转换为直流电压信号, 信号调制模块包括绝对值电路和RC滤波电路,绝对值电路将双极性信号转变为单极性信 号,经RC滤波电路后输出为直流电压信号;
[0034] 所述模数变换模块用于电导测量时,将信号调制模块输出的直流电压信号(模拟 信号)转换为数字信号,模数变换模块采用STC12C5608AD单片机内部12位ADC模块;
[0035] 所述计时器用于电导测量时计时以及电解电极电解过程中控制电解时间,计时器 采用STC12C5608AD单片机内部计时器;
[0036] 所述单片机用于控制和协调整个电导测量过程,单片机采用STC12C5608AD单片 机;
[0037] 所述显示
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