基于識(shí)別液位壓力的滲水系數(shù)自動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

張 輝，李 昆，王 珊，趙奕菲，蔡逸林，陳柞旭

(北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著瀝青混合料技術(shù)的不斷成熟，瀝青路面在公路交通運(yùn)輸中的應(yīng)用日益廣泛。由于路面滲水性能及其使用壽命與行車(chē)安全密切相關(guān)[1]，故監(jiān)測(cè)其抗?jié)B能力已成為當(dāng)前公路建設(shè)中的重要任務(wù)?；诖耍_地研究瀝青路面滲水系數(shù)已成為工程應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。目前，滲水儀大多采用人工掐表計(jì)時(shí)和目測(cè)讀取刻度的操作方法，誤差較大[2]。該方法只根據(jù)液位初、末狀態(tài)計(jì)算滲水系數(shù)，并未考慮滲水過(guò)程中出現(xiàn)的漏水、溢水、氣泡和膨脹等現(xiàn)象[3]，數(shù)據(jù)波動(dòng)大，準(zhǔn)確性差[4]。此外，對(duì)不同路段測(cè)量結(jié)果進(jìn)行歸檔整理的工作量大，難以形成路況診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，信息利用效率低，不利于全國(guó)公路建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展[5]。

本文通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)路面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與總結(jié)，依據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套控制系統(tǒng)與嵌入式軟件相匹配的路面滲水系數(shù)自動(dòng)測(cè)量?jī)x(以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)滲水儀”)。

1 自動(dòng)滲水儀結(jié)構(gòu)

自動(dòng)滲水儀各部件名稱及尺寸按國(guó)家交通部部門(mén)計(jì)量檢定規(guī)程JJG104—2015標(biāo)注。

盛水量筒采用透明亞克力材質(zhì)，表面刻有以“mL”為單位的標(biāo)尺。根據(jù)水的密度和盛水量筒內(nèi)徑可知，液位每改變1 mm，對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)變化約10 Pa，水的體積變化約2.00 mL。

在盛水量筒下方管道，通過(guò)G1/4外螺紋安裝了數(shù)字壓力傳感器(pressure indicator，PI)。PI采用RS-485[7]半雙工通信方式。由于壓力傳感器內(nèi)部芯體向上布置，與自動(dòng)滲水儀管道形成“U”型管結(jié)構(gòu)，故在壓力傳感器上方存有一定量的水，形成初始“0水位”壓強(qiáng)。當(dāng)管道水位壓強(qiáng)小于該殘留水位壓強(qiáng)時(shí)，測(cè)得的數(shù)據(jù)保持恒定，對(duì)應(yīng)“0水位”壓強(qiáng)。將壓力傳感器布置在開(kāi)關(guān)閥門(mén)上方管道，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位壓強(qiáng)的變化，以免注水時(shí)氣體存留在壓力傳感器芯體部位，從而減小測(cè)量壓力波動(dòng)。

為了降低閥門(mén)內(nèi)徑局部阻力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響、與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定保持一致，將原來(lái)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥更換為G1/2內(nèi)螺紋接口、10 mm孔口直徑的VX232GZ1E型常閉電磁閥，并采用DC 12 V供電。手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)時(shí)，由于操作者用力大小不同，滲水儀側(cè)面受到不均衡壓力作用，使?jié)B水儀主體向一側(cè)“翹起”，造成滲水儀與路面間的密封面破損，導(dǎo)致漏水；改用電磁閥則消除了這種破壞性因素，同時(shí)便于實(shí)施自動(dòng)控制[8]。

自動(dòng)滲水儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)滲水儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Automatic water seepage meter structure diagram

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是上位機(jī)軟件與滲水儀各部件關(guān)聯(lián)的紐帶，由液位壓力監(jiān)測(cè)、閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制和電池電壓采集三部分構(gòu)成。上位機(jī)采用LJD-eWinV5-ST4嵌入式觸摸屏。觸控屏各端口通過(guò)排線與相應(yīng)部件聯(lián)接。

2.1 液位壓力監(jiān)測(cè)

自動(dòng)滲水儀控制系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 自動(dòng)滲水儀控制系統(tǒng)電路圖Fig.2 Automatic water seepage meter control system circuit diagram

液位壓強(qiáng)通過(guò)CYYZ11-H-04-RS-17-C-G數(shù)字壓力傳感器實(shí)時(shí)獲取。該傳感器中：1引腳與電池正極相連；3引腳與電池負(fù)極相連；2引腳(RS-485A)與觸摸屏Rx3端子相連；4引腳(RS-485B)與觸摸屏Tx3端子相連。壓力傳感器的測(cè)量范圍為0～10 kPa，對(duì)應(yīng)數(shù)字輸出范圍為0～2 000，表明每一個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)可識(shí)別的壓強(qiáng)為5 Pa。響應(yīng)頻率為5 Hz，表示壓力傳感器數(shù)據(jù)更新時(shí)間為200 ms。通信參數(shù)設(shè)置為“9600,N,8,1”，說(shuō)明異步通信的速率為9 600 bit/s，每個(gè)字節(jié)占用8個(gè)位、1個(gè)起始位(默認(rèn))和1個(gè)停止位，相當(dāng)于發(fā)送1個(gè)字節(jié)需要10個(gè)比特位(bit)。每秒發(fā)送的極限字節(jié)數(shù)為960個(gè)。每個(gè)字節(jié)發(fā)送時(shí)間約為1 ms。從圖2中可以看出，發(fā)送指令長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，則單條指令的極限發(fā)送時(shí)間為8 ms，實(shí)際響應(yīng)速率大于10 ms。

壓力傳感器的萬(wàn)能地址為FF，此處設(shè)為01。

發(fā)送指令格式為：01 03 00 00 00 01 84 0A。

該格式表示：讀(03，功能碼)01號(hào)地址壓力傳感器00 00地址開(kāi)始的00 01個(gè)字(相當(dāng)于2個(gè)字節(jié))，循環(huán)冗余校驗(yàn)碼為84 0A(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)。

接收接令格式為：01 03 02 02 AC B9 59。

該格式表示：讀(03，功能碼)01號(hào)地址壓力傳感器后得到02個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，其值為02 AC，循環(huán)冗余校驗(yàn)碼為B9 59(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)。

2.2 閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制

觸摸屏具有4路數(shù)字輸入接口(digital input,DI)和4路數(shù)字輸出接口(digital output,DO)，共用5 V電源線和GND線，均為信號(hào)線，電壓低、電流小，不具有驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的能力，需要通過(guò)外部繼電器間接控制電磁閥。DO引腳電位的高低由上位機(jī)軟件發(fā)送指令控制:發(fā)送1時(shí)為高電平；發(fā)送0時(shí)為低電平。觸摸屏的DO1引腳與繼電器的IN端子相連。

繼電器內(nèi)部為電阻線圈，DC+與電池正極相連，DC-與電池負(fù)極相連。COM、常開(kāi)(normally open,NO)和常關(guān)(normally closed,NC)分別為繼電器的公共觸點(diǎn)。常開(kāi)觸點(diǎn)表示線圈不加電時(shí)為斷開(kāi)狀態(tài)。常閉觸點(diǎn)表示線圈不加電時(shí)為閉合狀態(tài)。當(dāng)“H”跳線帽短路時(shí)，表示共“高壓”端，即繼電器線圈的正極與COM觸點(diǎn)相連；反之，“L”表示共“低壓”端，即繼電器線圈的負(fù)極與COM觸點(diǎn)相連。因此，當(dāng)選擇“H”時(shí)，電磁閥的正極與電池正極相連，負(fù)極與繼電器的COM端子相連。此時(shí)，COM端子電壓與電池電壓相同。當(dāng)觸摸屏向DO1引腳發(fā)送指令1時(shí)，繼電器的IN端子信號(hào)線為高電平。此時(shí)，繼電器加電，COM端子與NO端子短路，電磁閥的供電電路形成閉合回路，電磁閥打開(kāi)。反之，當(dāng)觸摸屏向DO1引腳發(fā)送指令0時(shí)，繼電器的IN端子信號(hào)線為低電平，繼電器斷電，COM端子與NO端子斷開(kāi)，電磁閥供電電路中斷，電磁閥斷開(kāi)。

2.3 電池電壓采集

控制系統(tǒng)采用3節(jié)26800鋰電池供電。單節(jié)鋰電池為2.6～4.3 V、7 000 mA·h。電池通過(guò)300 kΩ限流電阻、200 kΩ電壓上拉電阻和100 kΩ可變電阻構(gòu)成一個(gè)閉合回路。電池負(fù)極與觸摸屏的模擬地引腳AGND相連，經(jīng)過(guò)100 kΩ可變電阻抽出的杜邦線接頭與觸摸屏的AD引腳相連。對(duì)于單節(jié)電池，電量耗盡時(shí)電壓為2.6 V、充滿電時(shí)電壓為4.3 V。則3節(jié)電池的電壓測(cè)量范圍為7.8～12.9 V。觸摸屏模/數(shù)轉(zhuǎn)換為12位，對(duì)應(yīng)212=4 096個(gè)數(shù)值，其范圍為0～4 096。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，觸摸屏AD值與電壓間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

UD=263UA+6.596

(1)

式中：UA為電池模擬電壓值，V；UD為電池模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓對(duì)應(yīng)的AD值，無(wú)量綱。

根據(jù)式(1)可知，10 V電壓對(duì)應(yīng)的A/D值為263×10+6.596=2 636.596 ≈ 2 637。

7.8 V電壓對(duì)應(yīng)AD值為2 058。12.9 V電壓對(duì)應(yīng)AD值為3 399。將2 058～3 399等分為5份，在軟件界面中用不同顏色塊表示，分別為紅(2 058～2 325)、黃(2 326～2 593)、黃綠(2 594～2 861)、淺綠(2 862～3 129)和深綠(3 130～3 399)，從而實(shí)現(xiàn)不同模擬電壓到數(shù)字區(qū)間段的映射，通過(guò)顏色為操作者提示電池電量消耗情況。

3 工藝流程設(shè)計(jì)

工藝流程分為始終計(jì)量和過(guò)程識(shí)別2種模式。始終計(jì)量模式通過(guò)人工或壓力傳感器識(shí)別起始與結(jié)束水位高度。過(guò)程識(shí)別模式通過(guò)壓力傳感器感知水位下降過(guò)程，記錄整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的壓力數(shù)據(jù)。

3.1 始終計(jì)量模式

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JJG 104—2015，將路面滲水系數(shù)測(cè)試過(guò)程分解為7個(gè)基本工藝步驟。始終計(jì)量模式工藝流程分解步驟如圖3所示。

圖3 始終計(jì)量模式工藝流程步驟示意圖Fig.3 End to end metering mode process flow step diagram

圖3中標(biāo)示了每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的水位壓力變化趨勢(shì)區(qū)間段和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其中：區(qū)間段采用粗實(shí)線標(biāo)示；轉(zhuǎn)折點(diǎn)用空心圓圈標(biāo)注。

①注水。打開(kāi)電磁閥，當(dāng)滲水儀通過(guò)膩?zhàn)优c路面密封后，再關(guān)閉電磁閥，在盛水量筒中注滿水。此時(shí)，液面超過(guò)0 mL刻度線，壓力穩(wěn)定，在曲線中表現(xiàn)為某一水平臺(tái)階。

②充填。打開(kāi)電磁閥，盛水量筒中的水充填至路面與滲水儀之間的空隙，空隙內(nèi)的氣體被排出。壓力曲線呈陡然下降趨勢(shì)，同時(shí)伴有滲水過(guò)程。充填的目的是將水充入閥門(mén)下部自由空間。

③校準(zhǔn)。關(guān)閉電磁閥，向盛水量筒中填水至0 mL刻度線。此時(shí)，水位壓力曲線呈陡然上升趨勢(shì)，達(dá)到某一水平平臺(tái)。因此，需通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)壓力傳感器測(cè)得的壓強(qiáng)值進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)0 mL刻度線。

④預(yù)滲。打開(kāi)電磁閥，水開(kāi)始滲入路面，水位高度不斷降低，液面下降速率達(dá)到穩(wěn)定。這可方便用戶判斷液面何時(shí)到達(dá)預(yù)定刻度線，提高人工控制掐表時(shí)間的精確度。

⑤開(kāi)始。當(dāng)水位高度到達(dá)100 mL刻度線時(shí)，水位下降速率基本穩(wěn)定，開(kāi)始計(jì)時(shí)。人工操作需要操作人員目測(cè)刻度線，誤差大。而自動(dòng)滲水儀則通過(guò)壓力值反饋?zhàn)R別水位高度，能夠精準(zhǔn)地記錄起始時(shí)刻。

⑥滲中。水通過(guò)路面不斷滲入下層，水位不斷下降。當(dāng)發(fā)生漏水、溢水、鼓泡、泡滅等現(xiàn)象時(shí)，壓力傳感器可以實(shí)時(shí)感知相應(yīng)的壓強(qiáng)變化，將過(guò)程數(shù)據(jù)完整地記錄下來(lái)。

⑦終了。當(dāng)水位高度到達(dá)500 mL刻度線時(shí)，如果時(shí)間沒(méi)有超過(guò)3 min，結(jié)束計(jì)時(shí)；或者當(dāng)水位在3 min內(nèi)仍未到達(dá)500 mL刻度線時(shí)，也要結(jié)束計(jì)時(shí)，記錄終了刻度。根據(jù)終了時(shí)刻與起始時(shí)刻的時(shí)間差和壓強(qiáng)差，計(jì)算對(duì)應(yīng)的滲水系數(shù)[9]。

始終計(jì)量模式對(duì)于滲水量大的新路面有較好的測(cè)量效果。而對(duì)于舊路面，由于滲水量小，液面長(zhǎng)時(shí)間未能到達(dá)100 mL刻度線，無(wú)法開(kāi)始測(cè)試。在充填和預(yù)滲步驟，水一部分填入下部自由空間，另一部分滲入路面，則會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)值偏小。此外，人工操作模式對(duì)于水下滲過(guò)程中的氣泡、鼓泡等現(xiàn)象無(wú)法進(jìn)行觀察和識(shí)別，數(shù)據(jù)偏差很大[10]。

3.2 過(guò)程識(shí)別模式

過(guò)程識(shí)別模式利用壓力傳感器[11]對(duì)水位壓強(qiáng)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將充填和預(yù)滲步驟連貫進(jìn)行，減少了水下滲的時(shí)間，且無(wú)需甄別100 mL和500 mL刻度線。通過(guò)下滲曲線的穩(wěn)定狀態(tài)，即可識(shí)別下滲過(guò)程。

過(guò)程識(shí)別模式工藝流程步驟如圖4所示。

圖4 過(guò)程識(shí)別模式工藝流程步驟示意圖Fig.4 Process identification model process flow step diagram

①注水。關(guān)閉電磁閥，將水注入盛水量筒中，待液面穩(wěn)定后，壓力曲線呈某一平臺(tái)形狀，且高于0 mL刻度線，保證有足量水填入下部自由空間。

②校準(zhǔn)。將水位液面調(diào)整至0 mL刻度線位置，用于軟件校準(zhǔn)點(diǎn)的識(shí)別，壓力曲線保持平臺(tái)形狀，但數(shù)值低于注水段壓強(qiáng)。

③充填。打開(kāi)電磁閥，水填入下部自由空間，液面迅速下降，曲線呈陡降趨勢(shì)，下部自由空間的空氣被水排出。自由空間填滿后，由于路面的粗糙程度和溫度各異，液面波動(dòng)較大，曲線中會(huì)呈現(xiàn)毛刺、鼓包、斷崖等局部特征。

④開(kāi)始。當(dāng)液面波動(dòng)穩(wěn)定后，曲線斜率趨于固定值，水以一定速率下滲。開(kāi)始計(jì)時(shí)，并記錄此刻的時(shí)間和水位壓強(qiáng)值作為初始時(shí)刻數(shù)據(jù)。

⑤滲中。水位不斷下降，期間可能會(huì)出現(xiàn)漏水、正常滲水、溢水、氣泡等現(xiàn)象，分別對(duì)應(yīng)曲線的不同形狀。通過(guò)算法識(shí)別，可以得到對(duì)應(yīng)的特征，在計(jì)算時(shí)進(jìn)行修正或刪除，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

⑥終了。當(dāng)水位高度到達(dá)500 mL或時(shí)間達(dá)到3 min時(shí)，結(jié)束測(cè)量，記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間與壓強(qiáng)，并計(jì)算滲水系數(shù)。

過(guò)程識(shí)別模式不僅可以獲得滲水系數(shù)，還可以通過(guò)算法的開(kāi)發(fā)，識(shí)別不同路面的滲水特征，對(duì)路況進(jìn)行判斷和分析，為路政提供建設(shè)、維修和保養(yǎng)參考。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要上位機(jī)軟件配合完成指令操作和數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)算法對(duì)過(guò)程曲線進(jìn)行特征識(shí)別。算法的完善性與可靠性將保證滲水儀測(cè)量的準(zhǔn)確性和智能化。

4.1 測(cè)試過(guò)程

始終計(jì)量模式與過(guò)程識(shí)別模式采用同一界面，兩種方式通過(guò)操作類型中的選項(xiàng)按鈕予以區(qū)分。所有的測(cè)量操作均在“測(cè)試過(guò)程”屬性頁(yè)中完成。

始終計(jì)量模式軟件操作界面如圖5所示。

當(dāng)“操作類型”為“JJG104—2015”時(shí)，對(duì)應(yīng)始終計(jì)量模式。在校準(zhǔn)步驟中將液面調(diào)整為0 mL刻度時(shí)，點(diǎn)擊“0刻度校準(zhǔn)”按鈕，實(shí)時(shí)壓力對(duì)應(yīng)的壓力值會(huì)定標(biāo)為“0刻度線→XXXXPa”。整個(gè)過(guò)程以該值為基準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。

當(dāng)“操作類型”為“自動(dòng)延時(shí)”時(shí)，對(duì)應(yīng)過(guò)程識(shí)別模式。點(diǎn)擊圖5右上角的“開(kāi)始測(cè)試”按鈕，按鈕對(duì)應(yīng)標(biāo)簽顯示為圖5中的“停止測(cè)試”字樣，并改變?yōu)榻範(fàn)顟B(tài)。此時(shí)，測(cè)試過(guò)程由程序自動(dòng)完成。打開(kāi)電磁閥，液位開(kāi)始下降。當(dāng)檢測(cè)到液面達(dá)到100 mL刻度線時(shí)，圖5中間部分的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)液面降至500 mL或時(shí)間到達(dá)3 min時(shí)，停止計(jì)時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)。數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存在“數(shù)據(jù)處理”屬性頁(yè)表格中，每一行記錄對(duì)應(yīng)一次測(cè)量結(jié)果。

當(dāng)“操作類型”選擇自動(dòng)延時(shí)，在界面右方的“延時(shí)計(jì)時(shí)(s)”文本框中輸入延時(shí)時(shí)間。點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”按鈕，先打開(kāi)電磁閥，水開(kāi)始充填下部自由空間。待延時(shí)時(shí)間達(dá)到后，液面已經(jīng)平穩(wěn)下降。此時(shí)，記錄開(kāi)始時(shí)間和壓強(qiáng)。當(dāng)測(cè)試時(shí)間達(dá)到3 min后，記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間和壓強(qiáng)，扣除2點(diǎn)間的斷崖，將數(shù)據(jù)點(diǎn)按直線或指數(shù)關(guān)系擬合，得到對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確壓強(qiáng)，再求出滲水系數(shù)。

2種操作模式需要“手動(dòng)操作”模式的配合。在注水、充填等步驟時(shí)，可以通過(guò)點(diǎn)擊“打開(kāi)水閥”和“關(guān)閉水閥”進(jìn)行上位機(jī)觸摸控制。

4.2 數(shù)據(jù)處理

測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)Tab.1 Data of experimental measurement

在“數(shù)據(jù)處理”屬性頁(yè)中可以對(duì)測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行保存和計(jì)算，獲得當(dāng)前幾組測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值和變異系數(shù)，其值分別為1.0879、11.9060和9.137%。其中，變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的商。此外，也可以通過(guò)“打開(kāi)文件”按鈕調(diào)入已有的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果已完成測(cè)量工作，可以點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”，將記錄保存到以時(shí)間命名的文件中。記錄中含有每一次測(cè)試的位置、起始時(shí)間、起始水位、終止時(shí)間、終止水位、滲水系數(shù)等。如果連接GPS模塊，每次測(cè)量的定位信息也會(huì)保存到記錄中，以便后續(xù)大數(shù)據(jù)的匯總分析，從而達(dá)到識(shí)別不同位置的數(shù)據(jù)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)不同路段滲水性能的目的，實(shí)現(xiàn)路況診斷。

5 數(shù)據(jù)分析

始終計(jì)量模式得到的數(shù)據(jù)是起點(diǎn)和終點(diǎn)的平均值，只是滲水系數(shù)的近似值；過(guò)程識(shí)別模式能清晰地再現(xiàn)滲水過(guò)程細(xì)節(jié)，輔以理論模型，能夠?qū)崿F(xiàn)路面性能的評(píng)估與預(yù)測(cè)。

5.1 正常滲水

正常滲水過(guò)程壓力實(shí)時(shí)曲線如圖6所示。

圖6 正常滲水過(guò)程壓力實(shí)時(shí)曲線圖Fig.6 Curves of water pressure for normal seepage process

從圖6(a)中的原始數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量過(guò)程數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯，呈毛刺狀。這一方面是由于壓力傳感器受到外部因素干擾，另一方面則是由于液面自身波動(dòng)所致。經(jīng)過(guò)遞推中值算法濾波處理后得到下方光滑曲線，如圖6(b)所示，曲線原有的基本特征保持不變，數(shù)據(jù)更加清晰。根據(jù)圖6中B點(diǎn)與E點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的滲水速率，即：

滲水速率=2.00(mL/mm)×(2 270-1 950)Pa÷10(Pa/mm)÷[(359.984-37.682)(s)÷60(s/min)]=64.00 mL÷5.372 min=11.914 (mL/min)。

羅文婷等[12]開(kāi)發(fā)的滲水裝置以eType電阻式液位傳感器測(cè)量液位高度，而本文以壓力傳感器測(cè)量液位高度。這2種方法均能測(cè)量體積變化，但差別較大。壓力傳感器測(cè)量參數(shù)為液體壓強(qiáng)，而電阻式液位傳感器測(cè)量參數(shù)為高度。對(duì)于相同位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路，1 Pa壓強(qiáng)相當(dāng)于0.1 mm高度，壓力傳感器最小分辨率為5 Pa，相當(dāng)于0.5 mm；而電阻式液位傳感器最小分辨率為1 mm。如果將壓強(qiáng)測(cè)量范圍縮小，還可以進(jìn)一步提高測(cè)量分辨率。壓力傳感器為數(shù)字式傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)串口直接獲取數(shù)據(jù)，性價(jià)比高，采樣周期為100 ms，速度較快。而電阻式液位傳感器需要添加模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，采樣周期為1 s。此外，電阻式液位傳感器采用卡爾曼濾波。該濾波方法只大概率考慮前一時(shí)刻數(shù)據(jù)的影響，無(wú)法對(duì)一段數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑分析。遞推中值是以當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)前后各25點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序并取中值獲得。整條曲線不僅可以過(guò)濾脈沖尖波，還可以光滑曲線。由于該方法并不進(jìn)行插值，保持了數(shù)據(jù)的原有特征?；谏鲜鰩c(diǎn)，采用壓力傳感器可以高分辨率、快速、保真地對(duì)數(shù)據(jù)分析處理。

在充填步驟段，曲線形狀明顯不同。充填步驟的壓強(qiáng)呈指數(shù)衰減下降，而滲中步驟的曲線近似為一條直線，斜率不變。顯然，將B點(diǎn)作為計(jì)時(shí)開(kāi)始點(diǎn)更加準(zhǔn)確。達(dá)到E點(diǎn)后，曲線特征已完全顯現(xiàn)。對(duì)B點(diǎn)與E點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合。方程形式為y=a+bx。壓力與時(shí)間擬合線性函數(shù)關(guān)系對(duì)應(yīng)參數(shù)列表如表2所示。從表2中可以看出，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.997 44，說(shuō)明壓力與時(shí)間高度線性相關(guān)，直線對(duì)應(yīng)斜率為-0.985 29 Pa/s，相當(dāng)于59.117 4 Pa/min。按每毫米高度對(duì)應(yīng)2 mL體積水柱計(jì)算，每分鐘滲水量為59.117 4÷10×2=11.823 mL。這與取線性區(qū)間兩端點(diǎn)得到的數(shù)值11.914近似相等。

表2 壓力與時(shí)間擬合線性函數(shù)關(guān)系對(duì)應(yīng)參數(shù)列表Tab.2 List of parameters corresponding to the linear function of pressure versus time fitting

在實(shí)驗(yàn)室采用馬歇爾試件研究滲水系數(shù)時(shí)，由于試件孔隙率大、滲水速度快，表現(xiàn)為指數(shù)衰減形式。本文以實(shí)際路面為測(cè)試對(duì)象，路面內(nèi)部孔隙充填有細(xì)顆粒砂塵，導(dǎo)致孔隙率減小，相應(yīng)液阻增大，滲水過(guò)程變緩，呈現(xiàn)為在某一區(qū)間段為近線性關(guān)系。

5.2 異?，F(xiàn)象

滲水過(guò)程中，經(jīng)常伴有特殊現(xiàn)象，例如氣泡、漏水、溢水等。以出現(xiàn)氣泡為例，滲水過(guò)程發(fā)生異常現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力實(shí)時(shí)曲線如圖7所示。

圖7 滲水過(guò)程發(fā)生異?，F(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力實(shí)時(shí)曲線圖Fig.7 Curves of water pressure for abnormal seepage process

對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)遞推中值算法濾波處理后，數(shù)據(jù)起點(diǎn)B與終點(diǎn)E之間有一個(gè)臺(tái)階，其高度為：2.00(mL/mm)×(2 140-2 080)Pa÷10(Pa/mm)=12.00 mL。

該臺(tái)階高度對(duì)應(yīng)測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生氣泡的體積，約為12 mL。不考慮氣泡時(shí)，滲水系數(shù)為5 mL/min，去除氣泡體積后，滲水系數(shù)為2.779 mL/min，其計(jì)算過(guò)程如下。

滲水速率=[2.00(mL/mm)×(2 170-2 035)Pa÷10(Pa/mm)-12.00mL]÷[(361.579-37.766)(s)÷60(s/min)]=15 mL÷5.397 min=2.779 (mL/min)。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，過(guò)程現(xiàn)象對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果影響顯著。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大量滲水過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)的分析研究，并結(jié)合野外工作人員使用經(jīng)驗(yàn)，在兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JJG 104—2015操作規(guī)程基礎(chǔ)上，拓展了工藝流程，實(shí)現(xiàn)了滲水系數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，提高了測(cè)量精度，減輕了人員操作負(fù)擔(dān)。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：①研制了基于數(shù)字壓力傳感器的滲水系數(shù)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)；②開(kāi)發(fā)了基于Windows CE嵌入式系統(tǒng)的上位機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理分析軟件；③自動(dòng)滲水儀兼容了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范，拓展了用戶自定義操作流程，提供了液位始終計(jì)量模式和過(guò)程識(shí)別模式這2種操作方法。

為了完善過(guò)程特征的甄別，仍需對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，后續(xù)將進(jìn)一步深化研究。