基于電解極化原理的巖土滲流傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

秦孫巍, 李云安

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

基于電解極化原理的巖土滲流傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

秦孫巍1,2, 李云安1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

針對(duì)巖土體滲流難于原位監(jiān)測(cè)的問題，提出了一種利用電解極化產(chǎn)生電解質(zhì)脈沖進(jìn)行示蹤的方法。介紹了傳感器的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)和測(cè)控電路。采用覆銅板制作了尺寸為20 mm×5 mm的傳感器，并在6 mm內(nèi)徑有機(jī)玻璃管模擬的單裂隙中進(jìn)行了流速測(cè)定實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，在0.01～0.1 cm·s-1的流速范圍內(nèi)，傳感器的重復(fù)性誤差小于5 %，低阻峰測(cè)量線性誤差為2.80 %，高阻峰測(cè)量線性誤差為4.08 %，能夠滿足巖土體滲流長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

滲流; 示蹤法; 電解; 極化; 傳感器

0 引 言

滲流監(jiān)測(cè)在水利工程、土建工程、給排水、環(huán)保、地質(zhì)、石油等領(lǐng)域理論研究和工程應(yīng)用中都具有及其重要地位。滲流監(jiān)測(cè)的常用方法有測(cè)壓管法、滲壓計(jì)法[1]、量水堰法、容積法、示蹤法[2]、溫度場(chǎng)法[3]等，這些方法要么只能給出滲透壓力和滲透性能，要么只能在大尺度的時(shí)空中給出滲流狀態(tài)，對(duì)于滲流速度和滲流方向測(cè)定還沒有十分經(jīng)濟(jì)有效的方法[4]。傳統(tǒng)示蹤法雖然可以測(cè)定流速和流向，但由于示蹤劑多為染料或電解質(zhì)溶液，需要專門的投藥裝置，且投藥點(diǎn)與測(cè)量位置必須間隔較長(zhǎng)距離，難以設(shè)計(jì)成一體化傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

本文從電解質(zhì)示蹤的角度出發(fā)，利用直流電場(chǎng)在電極上產(chǎn)生的電解極化替代傳統(tǒng)投藥裝置形成電解質(zhì)脈沖實(shí)現(xiàn)無(wú)投藥示蹤，設(shè)計(jì)了集電解質(zhì)脈沖產(chǎn)生與測(cè)量一體化的滲流傳感器。

1 測(cè)量原理

在稀溶液中的兩電極上施加直流電壓，受電場(chǎng)影響離子產(chǎn)生電遷移，陽(yáng)離子會(huì)向負(fù)極移動(dòng)，陰離子會(huì)向正極移動(dòng)，由于離子電遷移速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散速度，離子在電極表面雙電層上形成高濃度區(qū)域，在電極附近形成低濃度區(qū)域，即濃差極化，此時(shí)在距離電極x處離子數(shù)密度為[5]

(1)

由式(1)可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，極化離子數(shù)密度與電勢(shì)正相關(guān)，電勢(shì)取決于電極間電壓，電壓越高電極界面雙電層與附近區(qū)域離子濃差越大。當(dāng)有電流通過時(shí)，雙電層上離子因得失電子數(shù)目減少，為了維持雙電層離子數(shù)密度，附近區(qū)域離子向雙電層運(yùn)動(dòng)，從而使得雙電層與附近區(qū)域離子濃差進(jìn)一步增加，電流密度越大濃差極化現(xiàn)象越明顯。

當(dāng)施加的電極電壓高于分解電壓時(shí)，體系會(huì)產(chǎn)生電解，依照法拉利定律，其電解產(chǎn)物的量與法拉利電流強(qiáng)度、通電時(shí)間的關(guān)系為

(2)

式中n為電解物質(zhì)的量；F為法拉利常數(shù)；ne為電子轉(zhuǎn)移數(shù)；I為法拉利電流；t為電解時(shí)間。

由式(2)可知，當(dāng)通電時(shí)間一定時(shí)，法拉利電流越大電解的物質(zhì)越多，當(dāng)電解電壓一定時(shí)，法拉利電流大小取決于電極常數(shù)，電極常數(shù)越小法拉利電流越大。電解過程是一個(gè)離子得失電子的過程，陰、陽(yáng)離子的總電荷數(shù)在電解過程中是不變的，對(duì)于惰性電極電解天然水來(lái)講，其過程對(duì)體系導(dǎo)電性影響不大，不會(huì)干擾下游電導(dǎo)測(cè)定。

由上述分析可知，在電極上施加直流電壓，離子會(huì)因極化而重新分布，在電極表面會(huì)形成高濃度區(qū)域，此時(shí)情況和傳統(tǒng)示蹤法加入示蹤劑時(shí)相仿，在停止施加直流電壓時(shí)，由于電場(chǎng)消失，離子的電遷移運(yùn)動(dòng)停止，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)成為主導(dǎo)因素，此時(shí)離子在溶液中的運(yùn)動(dòng)過程可理解為溶質(zhì)在一定流速下的擴(kuò)散過程，其過程與傳統(tǒng)示蹤法相似，通過求解菲克定律建立的偏微分方程，可得到離子濃度隨時(shí)間和距離的解析解[6]

(3)

式中m為電解質(zhì)質(zhì)量，g；α為孔隙率；w為截面積，m2；C為離子濃度，g·L-1；u為流速，m·s-1；t為時(shí)間，s；DL為擴(kuò)散系數(shù)，m·s-1；x為測(cè)量位置，m。

式(3)是傳統(tǒng)示蹤法的理論基礎(chǔ)，在使用示蹤法測(cè)量流速時(shí)，通常采用測(cè)點(diǎn)濃度達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間來(lái)計(jì)算流速[7]，在x處離子濃度達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間可由式(3)求極值可得

(4)

由式(4)可知，當(dāng)u≠0時(shí)，在下游x處測(cè)量的優(yōu)勢(shì)流速為

(5)

(6)

即當(dāng)相對(duì)誤差ε、擴(kuò)散系數(shù)DL和測(cè)量位置x不變，流速滿足式(6)條件時(shí)，優(yōu)勢(shì)流速等于實(shí)際流速，此時(shí)實(shí)際流速與離子濃度達(dá)到最高時(shí)的時(shí)間呈反比。

實(shí)際測(cè)量過程中，由于溫度無(wú)法保證恒定，擴(kuò)散系數(shù)會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，溫度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響符合Arrhenius方程[8]

(7)

式中 D為擴(kuò)散系數(shù)，m·s-1；D0為指前因子，m·s-1；E為擴(kuò)散活化能；R為摩爾氣體常量，J·mol-1K-1；T為溫度，K。以水自擴(kuò)散系數(shù)為例，在273K時(shí)為1.269×10-9m2·s-1，373K時(shí)為7.260×10-9m2·s-1，擴(kuò)散系數(shù)相差約為6倍。為了消弱溫度的影響，可將最小可測(cè)流速在式(6)的基礎(chǔ)上提高5～6倍。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器由一對(duì)電解電極、數(shù)對(duì)電導(dǎo)電極及基板三部分組成。電解電極的主要功能是產(chǎn)生電解極化，當(dāng)電解電壓一定時(shí)，電流密度與電極常數(shù)有關(guān)，電極常數(shù)越小，電流密度越大，濃差極化越明顯，但過大的電流密度有可能使體系溫度因焦耳熱而改變，故電解電極的電極常數(shù)選擇應(yīng)以不明顯改變體系溫度為前提盡可能地增加電流密度。電導(dǎo)電極的主要功能是感知系統(tǒng)濃度變化，根據(jù)測(cè)量需要可在傳感器上布設(shè)一對(duì)電導(dǎo)電極以測(cè)量某一方向上的流速，也可布設(shè)多對(duì)電導(dǎo)電極測(cè)量不同方向上的測(cè)量流速，電導(dǎo)電極的電極常數(shù)決定了電導(dǎo)率的測(cè)定范圍，如天然水的電導(dǎo)率一般在50～1 500μS·cm-1之間[9]，電極常數(shù)宜控制在0.1～1內(nèi)，電極常數(shù)一般無(wú)法通過尺寸進(jìn)行計(jì)算準(zhǔn)確求取，但可采用已知電導(dǎo)率的溶液進(jìn)行標(biāo)定[10]?；宓闹饕δ苁枪潭姌O，保證電極常數(shù)和電極間距不發(fā)生變化，對(duì)于混凝土類的測(cè)量對(duì)象，可以省略基板，將電極直接固化在混凝土內(nèi)。

本文以5mm×20mm長(zhǎng)方形傳感器為例(如圖1)說明其結(jié)構(gòu)，該傳感器由電極基板、一對(duì)電解電極和一對(duì)電導(dǎo)電極組成，采用單面覆銅電路板印刷制作。兩電極由玻璃纖維基板上平行的覆銅帶組成，電極長(zhǎng)度5mm，寬度1mm，極板間距1mm，電解電極與電導(dǎo)電極相距20mm。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.2 測(cè)控電路設(shè)計(jì)

測(cè)控電路包括RS—232通信、電導(dǎo)測(cè)量和電解控制三個(gè)部分(如圖2)，三部分通過單片機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，當(dāng)單片機(jī)從RS—232通信接收到測(cè)量指令后，通過內(nèi)部定時(shí)器控制時(shí)間進(jìn)行電解極化，同時(shí)利用A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)定，測(cè)定結(jié)果與測(cè)定時(shí)間同步通過RS—232通信發(fā)送至上位機(jī)，完成整個(gè)測(cè)控過程。

電導(dǎo)測(cè)量采用經(jīng)典的交流兩電極分壓法[11]，激勵(lì)源產(chǎn)生±2.5V，頻率為1kHz的方波，為提高測(cè)量分辨率采用由模擬開關(guān)控制的0.5,1.0,10,20,50,100kΩ電阻器組成8檔可調(diào)采樣電阻器，分壓方波信號(hào)經(jīng)過放大電路、絕對(duì)值電路、濾波電路等調(diào)制成直流電壓信號(hào)送AD進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果由單片機(jī)處理后由RS—232通信實(shí)現(xiàn)輸出，因該系統(tǒng)主要用于測(cè)量電導(dǎo)率的變化量而非絕對(duì)量，故無(wú)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。電解控制部分由電解電源和雙路開關(guān)組成，電解電源采用與系統(tǒng)電源不共地的5～15V可調(diào)恒壓電源，雙路開關(guān)可采用繼電器或光電耦合器實(shí)現(xiàn)程控。

圖2 測(cè)控電路框圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑6mm，外徑8mm的有機(jī)玻璃管模擬單裂隙巖土體，在有機(jī)玻璃管內(nèi)延水流方向布置傳感器(如圖3)，利用恒流泵產(chǎn)生不同流量的穩(wěn)定流場(chǎng)，流過有機(jī)玻璃管后用100mL量筒測(cè)量流量以標(biāo)定流速。電解電源采用TPR3005—3C型30V精密可調(diào)直流電源獨(dú)立供電，電解電壓9V，每個(gè)測(cè)定周期內(nèi)通電時(shí)間4s，測(cè)量時(shí)間300s，電導(dǎo)率測(cè)量采樣頻率7Hz，傳感器電解電極的電極常數(shù)為0.306 7cm-1，電導(dǎo)電極的電極常數(shù)為0.486 3cm-1，流速范圍為0.01～0.1cm·s-1。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 數(shù)據(jù)處理

在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，電導(dǎo)率曲線會(huì)產(chǎn)生三個(gè)峰(如圖4)，峰a是由于電解過程中電解電壓變化，形成的電磁感應(yīng)峰(electromagneticinductionpeak，EIP)，其大小受電解電壓變化率影響，與溶質(zhì)、流速無(wú)關(guān)。峰b是電解極化過程中，電極附近低離子濃度，電阻較高的區(qū)域遷移而形成的高阻峰(highresistancepeak,HRP)。峰c是電極表面雙電層高離子濃度、電阻較低的區(qū)域遷移產(chǎn)生的低阻峰(lowresistancepeak,LRP)。

圖4 流速為0.022 2 cm/s時(shí)電導(dǎo)率變化

為了提高出峰時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度，消除電導(dǎo)率測(cè)量過程中產(chǎn)生的小幅高頻噪聲，本文在計(jì)算出峰時(shí)間前，先采用5層Coiflet小波進(jìn)行濾波，去除了信號(hào)中的高頻部分，結(jié)果如圖5所示，由圖可見濾波后殘差在±0.5μS·cm-1范圍內(nèi)，信號(hào)無(wú)明顯失真。

圖5 小波濾波結(jié)果

3.3 重復(fù)性誤差

表1中,v0為體積法標(biāo)定流速；t為出峰時(shí)間；STD為標(biāo)準(zhǔn)方差；RSD為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差；Peak為峰類型。

3.4 線性誤差

采用線性回歸對(duì)表1的測(cè)量速度與標(biāo)定流速進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖5所示，低阻峰測(cè)量的速度回歸方程為v0=1.328vLRP-0.004 78，相關(guān)性系數(shù)R2=0.997 2，線性誤差2.80 %;高阻峰測(cè)量的速度回歸方程為v0=0.705 8vHRP-0.001 31，相關(guān)性系數(shù)R2=0.994 1，線性誤差4.08 %。結(jié)果表明：低阻峰、高阻峰出峰時(shí)間計(jì)算的流速均與標(biāo)定流速呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，均可用于測(cè)量流速。

表1 不同流速測(cè)量結(jié)果

Tab 1 Measurement results of different flow velocity

序號(hào)v0(10-2cm·s-1)Peakt(s)STD(s)RSD(%)v(10-2cm·s-1)11.011LRPHRP177.20114.608.6503.0744.8812.6821.1291.74621.187LRPHRP168.90114.307.6133.6854.5073.2241.1841.75032.220LRPHRP101.20 61.673.6762.9683.6324.8131.9773.24343.289LRPHRP 69.36 40.700.5671.0320.8122.5362.8844.91453.570LRPHRP 64.71 37.070.7071.1031.0932.9763.0915.39564.037LRPHRP 56.06 34.530.6330.9121.1292.6423.5685.79275.903LRPHRP 42.05 22.350.3630.1930.8630.8624.7578.94886.539LRPHRP 38.79 22.230.8660.1792.2320.8065.1578.99797.478LRPHRP 33.22 18.500.8070.5932.4283.2066.02110.810

圖6 不同流速測(cè)量結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過分析電解過程中的濃差極化現(xiàn)象和離子擴(kuò)散相關(guān)原理，提出了采用電解極化生成電解質(zhì)脈沖進(jìn)行示蹤的方法，設(shè)計(jì)了一種用于巖土滲流的傳感器和相關(guān)測(cè)控電路，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方法不引入新物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，對(duì)環(huán)境影響小，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、重復(fù)性好，可靠性高，在0.01～0.1 cm·s-1流速范圍內(nèi)，傳感器長(zhǎng)度為2 cm時(shí)，重復(fù)性誤差小于5 %，線性誤差小于5 %，能夠滿足巖土體滲流長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。

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Design and experiment of rock-soil seepage sensor based on electrolytic polarization principle*

QIN Sun-wei1,2, LI Yun-an1

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.School of Chemistry and Environmental Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China)

Aiming at problem that the seepage of rock and soil is difficult to be monitored in situ,a tracing method of electrolyte pulse generated by electrolytic polarization is proposed.The measuring principle,structure and measurement and control circuit of sensor are introduced.The sensor is made by using copper clad laminate with the size of 20 mm×5 mm,and flow velocity measurment experiments is conducted in 6 mm diameter of organic glass tube to simulate a single crack.The results show that the structure of sensor is simple and size is small,and within the velocity range of 0.01～0.1 cm·s-1,the repeatability error is less than 5 %,the linear error of low resistance peak measurement is 2.80 % and linear error of high resistance peak measurement is 4.08 %,which is suitable for long-term monitoring of seepage of rock and soil, and it has good practical value.

seepage; tracer method; electrolysis; polarization; sensor

10.13873/J.1000—9787(2015)11—0078—04

2015—08—19

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B2015326)

TH 764

A

1000—9787(2015)11—0078—04

秦孫巍(1978-)，男，湖北武漢人，博士研究生,講師，從事滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。