一种动态检测土粒度压差式分析仪的研究

摘要：研制了一种动态检测土粒度压差分析仪。其技术方案是：将被测土颗粒放在样桶中搅拌制成均匀浓度的悬浮液，加入适量分散剂，然后利用安装在专用样桶中某一深度的压力传感器检测该处浆液的静压力随时间变化关系，静压力的大小与该处以上悬浮液的加权密度值ρ成正比，故该分析仪检测出悬浮液密度ρ与时间t的关系，根据Stokes原理和土工试验方法标准（GBT50123-1999），微型计算机系统分析与处理数据，即得出土颗粒的粒径及其级配。试验研究表明：该仪器具有精度和灵敏度高，稳定性好，响应速度快，操作简单等特点。

关键词：颗粒级配；压差；动态检测

中图分类号： TU41 文献标识码： A 文章编号：

土木工程中常用土的各粒组相对含量占总质量的百分数来表示土的颗粒级配，即土粒度，是土的工程力学与渗透性质的重要影响因素，也是土工试验中的必测项目[1-3]。目前，国内外常用的土颗粒粒度分析方法主要有筛分法、沉降法、超声波测量法、激光法等[1]。其中，对小于0.075mm的颗粒则采用沉降法，具体有移液管法、沉降天平法和比重天平法等，其使用虽较广泛，但检测工作量大，且测量结果常取决于操作人员的经验水平。而超声波测量法和激光衍射法存在着对工作环境和传感器要求很高，探头装置需要经常标定，给维护带来困难等问题[1]。为了克服以上问题，可采用压差式土粒度分析仪，目前还没有对土颗粒粒度采用压差式分析的仪器。

1工作原理

对于静止的待测悬浮液，设距液面距离为h的某点静止水压力为P，该点以上悬浮液的加权平均密度为ρ，根据流体静力学原理，则该点的静止水压力为：

（1）

式中：g为重力加速度，9.8m/s2；ρ为测量点至液面垂直段悬浮液的加权平均密度，kg/m3；h为测量点距液面的垂直距离，m。

若高度h已知，则被测的密度为：（2）

对于土颗粒悬浮液，因液体体积受温度影响，其密度与温度呈线性关系，如悬浮液温度由T1℃变化到T2℃，变化后的体积VT2为[4-6]：

（3）

式中：β为液体体积膨胀系数，T1，T2分别代表两个温度值（℃），VT1，VT2分别为对应温度T1℃，T2℃的悬浮液体积。

假设悬浮液在T1℃、T2℃时的密度分别为ρ1=m/VT1、m/VT2，将ρ1、ρ2代入并忽略β2的高次项，则可得到[4-6]：

（4）

该分析仪采用压力与温度传感器分别检测静压力P 与温度T，即可得出悬浮液密度ρ与时间t的关系，根据Stokes原理和土工试验方法标准（GBT50123-1999）[2-4]，微型计算机系统分析与处理数据，即可得到土颗粒的粒径及其级配。

2硬件和软件设计

2.1硬件组成设计

该装置的结构见图1，其工作过程为: 将一定质量风干的被测土颗粒放入专用样桶中，注入蒸馏水搅拌充分，制成均匀浓度的悬浮液，并加入分散剂，然后利用安装在专用样桶中某一深度的压力与温度传感器检测该处浆液的静压力P与温度T随时间t变化关系，静压力的大小与该处以上悬浮液的加权密度值成正比，而密度与温度呈线性关系，压力与温度信号经放大、隔离、滤波后送到单片机系统进行数据处理与分析，得出土颗粒粒径及其级配的数据，在屏幕上显示和打印[4-6]。

图1差压式土颗粒分析仪的结构

Fig 1structure of soil particle size differential pressure analyzer

该压差式分析仪不受液体流速和表面张力的影响，可以测量粘度较大的液体密度，压力触感器探头内部有一层导压薄膜，薄膜一侧接触被测介质，另外一侧通过压力导管连接到敏感元件的一侧，被测介质的压力通过导管中的硅油作用在敏感元件的隔离膜片上。压力与温度传感器输出的电压信号经过电缆送至信号调理电路，经采样后由微处理器计算出介质的密度值。

2.2 软件设计

本软件采用80C196KB单片机c语言进行模块化的结构程序设计[4-7]，设置了数十条子程序。有良好的人机对话功能，操作人员可根据菜单提示进行所需要操作，主程序部分流程图见图2。软件按功能可分为以下几个主要模块。（1）数据采集模块——完成悬浮液压力与温度信号数据以及各种标志的采集；（2）试验模块——按照试验步骤完成土颗粒分析试验；（3）数据处理模块——计算土颗粒悬浮液的加权平均密度ρ-t曲线、小于某粒径之土质量百分数P（％）-粒径d(mm)曲线，土颗粒粒径及其级配值；（4）灌浆数据转存模块——采用数据存贮器保存数据；(5)数据打印模块——从数据存贮器中调出保存数据，打印所需的曲线和表格。

图2土颗粒分析试验主程序流程图

Fig 2 main program flowchart of soil particle analytic test

3仪器标定

常规的做法是将四位半的数字万用表（20mA电流档）或专用的数字电流表串接在压力变送器的输出回路上。压力变送器将某一范围的压力转换成4～20mA电流信号后送入微系统进行数据处理。压力（P）与电流（I）之间呈线性关系[5,6]：

（5）

式中：P-测量压力（kPa）；I-电流信号（mA）；k-压力系数（kPa/ mA）

仪器标定的核心是求解吸收系数k，在传感器安装的位置确定，仪器安装调试后，由式（5）得：

（6）

式中：，分别为标定时采用的标准悬浮液与水时的压力（kPa）。，分别为标定时检测标准悬浮液和水压力时的电流信号（mA）。

4试验研究

事先要标定该压差式分析仪。然后将过筛的风干土样盛入配套的专用样桶中，注入蒸馏水和适量分散剂（六偏磷酸溶液）搅拌制成一定体积的均匀浓度的悬浮液，打开分析仪开关，开始检测样桶中压力传感器处的静压力与温度，在沉降过程中，检测到压力传感器处的悬浮液的静压力逐渐减小，压力值转化为4-20mA的电流信号送入微型计算机系统进行分析与处理转化为密度值，这样分析仪可记录该处以上悬浮液加权密度ρ随时间t的变化，将测量结果绘成 ρ-t 图。根据斯托克斯原理和土工试验方法标准（GBT50123-1999），微型计算机系统分析与处理数据，即可得到土颗粒的粒径及其级配情况。在相同条件下对同一标准土颗粒悬浮液进行多次试验，得到其中粒径及其级配测量值，可以计算出仪器的准确性和重复性。表1是大量试验数据中截取的部分数据及其具体分析。

表 1 压差式土粒度分析仪部分试验数据

Tab.1 part test data of soil particle size differential pressure analyzer

注：a. 括号内数据为理论值；括号外数据为实测值

5主要技术指标和功能