鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置的製作方法

2023-07-14 13:52:16 2

專利名稱：鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置，它是通過在含 水層布置的鑽孔中激發水頭變化，實時測量水頭隨時間的變化規律，利用地 下水動力學原理，計算得到不同的含水層介質中滲透係數。屬於儀器測試技 術領域。
背景技術：
滲透係數的確定是地下水資源評價、數值模擬、開發利用、環境保護以 及科學管理的基礎，通常通過現場抽水試驗或壓水試驗獲取。
現場抽水試驗即利用抽水設備(如量桶、空氣壓縮機和水泵)在井孔中 產生一定水位降深，記錄井孔中水位隨時間變化數據，根據地下水動力學理 論(如泰斯公式、裘布依公式等)計算得到滲透係數。
抽水試驗持續時間長、所需設備及操作人員多、費用高、對場地及井孔 要求苛刻且極易對含水層造成汙染。現場試驗時，多採用測繩來測量動水位， 而試驗初始階段水位變化極快，人工測量不可避免的會造成誤差，從而降低 了計算結果的可靠性。
壓水試驗方法主要有單孔壓水試驗法和三段壓水試驗法。這些試驗方法 都是通過觀測恆定壓力條件下壓入水量來評價裂隙巖體的透水性能，不能直 接計算滲透係數等水文地質參數，信息利用率低。為改變這一狀況，國內外 不少學者先後提出了一些基於穩定流理論的求參公式，但是壓水試驗試段短、歷時短，只有在極少數情況下才是穩定流，因而求出的滲透係數誤差較 大。此外，壓水試驗對場地及設備的要求均較高，可操作性不強。 發明內容
本實用新型的目的旨在通過在含水層布置的鑽孔中激發水頭變化，實時 測量水頭隨時間的變化規律，利用地下水動力學原理，現場計算得到不同含 水層介質中滲透係數。
本實用新型的技術解決方案其結構是包括水頭激發系統、傳感器系統 和數據採集系統三部分，其中傳感器系統的輸出/入端與數據採集系統的輸入 /出端對應相接；將傳感器測量到的介質的壓力、溫度、密度數據通過其輸出
/入埠傳輸給數據採集系統；數據採集系統將採集頻率通過其輸出/入埠 傳輸給傳感器；數據採集系統的輸出控制端與水頭激發系統的控制輸入端對 應相接；當數據採集系統採集到的壓力值和預置的壓力相同時，數據採集系 統控制水頭激發系統釋放壓力以激發試驗。
所述的水頭激發系統，其結構是進氣管上裝有減壓閥、進氣閥門，進氣 閥門的出氣口接入密封腔體，密封腔體上裝有井內壓力顯示錶、電纜線密封 口，密封腔體的出氣管上裝有排氣閥門。
所述的傳感器系統，其結構是由船用壓力傳感器、溫度採集模塊，數據 處理傳輸模塊、數字密度傳感器和外殼構成。其中船用壓力傳感器、溫度採 集模塊和數字密度傳感器的數據輸出端分別與數據處理傳輸模塊的輸入端 對應相接。所述的船用壓力傳感器是將採集到的壓力信號輸入給數據處理傳 輸模塊，通過數據處理傳輸模塊進行模數轉換，將壓力值傳輸給數據採集系 統，進行數據存儲，為以後計算滲透係數提供原始數據。所述的溫度採集模塊和數字密度傳感器，將介質的實時溫度和密度的數 據通過數據處理傳輸模塊傳輸給數據採集系統，進行數據存儲，為以後計算 熱傳導係數提供原始數據。
傳感器系統可測試井孔中介質壓力的變化，並將採集到的信號轉換為數 字信號，傳送到數據採集系統。本系統還集成了溫度傳感器和數字密度傳感 器，除了測量井孔中壓力的變化，還可以測量介質溫度和密度。
所述的數據採集系統，其結構包括電源、主機、採集系統數據的輸入端
口、採集系統數據的輸出埠，其中的主機(MSP430)的數據輸入埠與 採集系統數據輸出埠相接；採集系統數據的輸出埠與主機的數據輸入端 口相接。
數據採集系統的功能是採集傳感器測量的信號，並將該信號存貯到存貯 器或者存貯至與之相連接的計算機設備。
本實用新型的優點測試數據記錄主機取樣率達l、 2、 5、 10Hz，滿足低 K值地層(K值1.0xl0—6cm/s或8.6xl0-4m/d)禾口高尺值地層(2.6x10—'cm/s或 2.2xl02m/d)產生振蕩反應的測量需要。實現現場測試，現場處理數據並通 過計算機計算得到滲透係數和熱傳導係數。使用時，用戶可將獲取測試數據 的軟體(數據採集軟體)安裝在筆記本電腦上，實現現場實時測試並記錄數 據。傳感器系統除了壓力傳感器外，還集成了溫度傳感器、密度傳感器實現 一機多用。系統體積小，重量輕，便於攜帶。整個系統可以存放於手提箱並 攜帶(15kg)。在一個採樣周期內高精度測量水位變化以及井內水溫等參數， 水位測量精度為3%。-5%。。測量數據可通過U盤讀寫和刪除。

附圖1是本實用新型的的結構示意圖 附圖2水頭激發系統的結構示意圖
附圖3是傳感器系統的結構框圖。 附圖4是數據採集系統的結構框圖。 附圖5是數據採集系統的控制流程圖。 附圖6是主機和USB接口流程圖。
具體實施方式
對照附圖1，其結構是包括水頭激發系統、傳感器系統和數據採集系統三 部分，其中傳感器系統的輸出/輸入端與數據採集系統的輸入/輸出端對應相 接；將傳感器測量到的介質的壓力、溫度、密度數據通過其輸出埠傳輸給 數據採集系統；數據採集系統將採集頻率通過其輸出埠傳輸給傳感器；數 據採集系統的輸出控制端與水頭激發系統的控制輸入端對應相接；當數據採 集系統採集到的壓力值和預置的壓力相同時，數據採集系統控制水頭激發系 統釋放壓力以激發試驗。
對照附圖2，水頭激發系統的結構是進氣管1上裝有減壓閥2、進氣閥門 3，進氣閥門3的出氣口接入密封腔體，密封腔體上裝有井內壓力顯示錶5、 電纜線密封口 6，密封腔體的出氣管上裝有排氣閥門4。
工作時，壓縮空氣通過進氣管1進入，通過減壓閥2調整進氣壓力，當 密封腔體內的壓力達到預置壓力值時，關閉進氣閥門3，同時開啟排氣閥門 4激發水頭變化，通過該水頭變化計算得到滲透係數。
該系統的功能是通過一定的激發方式，如可以瞬時抽取一定量的水，瞬 時注入一定量的水，使用一定體積的柱狀物體瞬時插入水中或提出水面，利用空氣壓縮機產生氣壓在鑽孔中產生一定的壓力等，使鑽孔中水頭產生振蕩 效應，利用測試系統記錄水頭隨時間變化所對應的壓力值，以供計算滲透係數。
當井內空氣壓力增加，水平面下降直到水壓"上升"與氣壓"下降"壓力相等 時為止。 一旦水平面穩定後，快速打開釋放閥門，瞬間釋放了井內空氣壓力。 從而在沒有水花飛濺的的情況下，水平面恢復至原位，同時壓力傳感器和數 據記錄儀記錄了水平面的變化和時間。氣壓衝擊測試可以提供非常高質量的 數據，該數據沒有"噪聲"或因機械衝擊方法而產生的水花飛濺的幹擾。
對照附圖3，傳感器系統的結構是由船用壓力傳感器、溫度採集模塊、數 據處理傳輸模塊、數字密度傳感器和外殼構成，其中船用壓力傳感器、溫度 採集模塊和數字密度傳感器的數據輸出端分別與數據處理傳輸模塊的輸入 端對應相接。所述的船用壓力傳感器是將採集到的壓力信號輸入給數據處理 傳輸模塊，通過數據處理傳輸模塊進行模數轉換，將壓力值傳輸給數據採集 系統，進行數據存儲，為以後計算滲透係數提供原始數據。
船用壓力式液位變送器壓力採用了高性能的矽壓阻式壓力充油芯體作壓 力敏感核心，接入專用集成電路將傳感器毫伏信號轉換成標準電壓、電流或 頻率信號，並可以直接與計算機接口卡、控制儀表、智能儀表或PLC等相 連，是擴散矽精密機械加工、溫度補償、模擬信號處理技術的結晶。在矽基 片上採用離子注入並經雷射修正製成惠斯通電橋，過程壓力作用於傳感器的 隔離膜片上使膜片產生位移，通過膜盒內的矽油壓力傳遞到矽基片上，使惠 斯通電橋的四支電阻，有兩支因拉伸而阻值變小，另外兩支因壓縮而阻值變 大，橋臂阻值的變化使電橋失去平衡這樣就產生了一個與壓力成正比的電壓輸出信號。傳感器的毫伏信號經過集成放大電路處理轉換成工業標準的4
20mA信號輸出。船用壓力式液位變送器體積小，重量輕，精度高，穩定性 好穩定可靠的矽壓阻晶片通過溫度校正，使溫度漂移在其最高的精度範圍之 內，長期穩定性好，從而減少了維護工作量。電路可靠，響應速度快，採用 了先進的膜片/充油隔離技術，充油量極小保證了很好的壓力傳遞功能，提高 了抵禦極限破壞壓力的能力，同時也提高了防腐蝕的能力，利用高分子篩很 好地解決了變送器內部結露的問題，提高變送器在高溼環境中使用的壽命。 內部電路有防幹擾設計，導線設有屏蔽層。船用壓力式液位變送器將OEM 充油芯體封裝在不鏽鋼殼體內。前端護套起保護傳感器膜片的作用，也能使 液體流暢地接觸到膜片；防水導線與外殼密封連接；通氣管在電纜內與外界 連接；內部高分子篩防結露；內置微型信號處理電路，可進行遠程傳輸，具 有良好的穩定性和可靠性。
所述的溫度採集模塊和數字密度傳感器，將介質的實時溫度和密度的數 據通過數據處理傳輸模塊傳輸給數據採集系統，進行數據存儲，為以後計算 熱傳導係數提供原始數據。
數字密度傳感器(現有)包括液體密度變送器和信號放大以及模數轉換電 路，實現將傳感器的毫伏信號經過集成放大電路處理轉換成RS485信號輸 出。
溫度採集模塊採用DS18B20(數字式溫度傳感器)，其晶片本身帶有命令 集和存儲器，微處理器通過發出控制命令，對晶片存儲器進行讀寫，完成溫 度測量，用簡單的程序即可得到自動識別，節省大量引線和控制通道切換的 邏輯電路。使用DS18B20無需事先標定，無需外圍元件，放大器和A/D轉換器也都被省去。
內部計數器對一個受溫度影響的振蕩器的脈衝計數，低溫時振蕩器的脈 衝可以通過門電路，而當到達某一設置高溫時振蕩器的脈衝無法通過門電
路。計數器設置為一55'C時的值，如果計數器達到0之前，門電路未關閉， 則溫度寄存器的值將增加，這表示當前溫度高於一55'C。同時，計數器復位 在當前溫度值上，電路對振蕩器的溫度係數進行補償，計數器重新開始計數 直到回零。如果門電路仍然未關閉，則重複以上過程。溫度轉換所需時問不 超過750ms，得到的溫度值的位數因解析度不同而不同，DS18B20數字式 溫度傳感器與單片機的數據通訊單片機與DS18B20通過一根線進行通信 時，單片機必須首先發出這樣5個ROM命令的一個，這5個命令分別為 讀ROM、匹配ROM、査尋ROM、跳過ROM、報警查尋。單片機在讀寫 DS18B20前先使其復位，檢測到其應答信號後，微處理器發ROM操作命令， 然後，再發控制命令。有一個控制命令指示DS18B20進行溫度測量。測量 結果將存放在DS18B0的內存中，當遇到讀內存命令時可以被讀出。
數據處理傳輸模塊(數據採集與發送模塊)採用MSP430F149單片機、 DS18B20數字溫度傳感器和RS-485通信接口及相應配套電路和器件組成。
MCU通過對相應傳感器和變送器的實時採樣和處理，將相應的壓力、溫 度和密度等數據通過RS-485接口實時發送到數據監測、顯示和控制主模塊。 該模塊同時具有運行指示和自檢功能。
壓力式液位變送器實現將傳感器的毫伏信號經過集成放大電路處理轉換 成工業標準的4 20mA信號輸出。所選用的壓力式液位變送器應具有體積 小，重量輕，精度高，穩定性好等特點。傳感器系統可測試井孔中介質壓力的變化，並將採集到的信號轉換為數 字信號，傳送到數據採集系統。本系統還集成了溫度傳感器和數字密度傳感 器，除了測量井孔中壓力的變化，還可以測量介質溫度和密度。對照附圖4，所述的數據採集系統的結構包括電源、主機、採集系統數據的輸入埠、採集系統數據的輸出埠，其中的主機(MSP430)的數據 輸入埠與採集系統數據輸出埠相接；採集系統數據的輸入埠與主機的數據輸出埠相接。 數據採集系統的功能是採集傳感器測量的信號，並將該信號存貯到存貯器或者存貯至與之相連接的計算機設備。數據採集系統主機主要由MSP430 晶片(16位超低功耗的混合信號處理器)構成的數據採集處理器和MAX485 (用於RS-485通信的低功耗收發器，器件中具有一個驅動器和一個接收器。 可以減小EML並降低由不恰當的終端匹配電纜引起的反射，MAX485的 驅動器擺率不受限制，實現最高2.5Mbps的傳輸速率)，數據傳輸電路構成。 數據採集系統主機包括下位從MCU和上位主MCU及實時時鐘、USB通 信板、IIC總線、鍵盤、LCD顯示等。下位機從MCU布置在與傳感器同一 位置的保護罩中，上位機主MCU布置在數據採集箱中，通過485通信線相 連接。壓力傳感器和溫度傳感器接受到的電壓信號，放大後輸出至下位機從 MCU，經MAX485通信傳至上位機主MCU。上位機主機有LCD顯示和USB 通信接口，從LCD可以直接讀出頻率信號，或者通過485通信將頻率信號 存貯在USB存貯設備中。上電復位後，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證 程序從正確的位置開始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時間。然後軟體可設置適當的寄存器的控制位來確定最後的系統時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU時鐘MCLK時發生故障，DCO會自動啟動，以保證系統 正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。對照附圖6，主機和USB通信板通信時，首先檢查接收的標誌位是否為 "0"，當為"0"時，檢查通信板發出的標示，若為"2"，表示需要把測出 的數據寫到USB板，若為"3",為把內存的數據刪除；若為"4"，為讀外存U 盤內的數據；若為"5"，為讀取外存U盤信息(U盤的已經使用容量，剩餘容 量等)；否則不和USB板進行通信。對照附圖7，該模塊由MSP430F149高檔單片機、實時時鐘、USB通信 板、掉電保存晶片、輸出控制、鍵盤、LCD顯示、聲光報警指示和上下位光 電隔離通信接口等電路及晶片組成。下位數據採集與發送模塊被布置在與傳 感器同一位置的保護罩中，而該主模塊被布置在地面數據採集箱中，通過485 通信線相連接。具有很高性價比的16位MSP430F149單片機，採用了精簡指令集(RISC) 結構，具有豐富的尋址方式(7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址)、簡 潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲 器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz晶體驅動下指令周期為125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源 程序。在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅動下， 實現125ns的指令周期。16位的數據寬度、125ns的指令周期以及多功能的 硬體乘法器(能實現乘加)相配合，能實現數位訊號處理的某些算法。在等 待方式下，耗電為0.7uA，在節電方式下，最低可達O.luA。MSP430F149高檔單片機同時集成了較豐富的片內外設。它們分別是硬 件看門狗、模擬比較器A 、定時器A、定時器B、雙串口 0、 1、硬體乘 法器、液晶驅動器、12位ADC 、 12(3總線直接數據存取(DMA)、埠 0 (P0)、埠 1 6 (P1 P6)、基本定時器(BasicTimer)等。用於地下水參數現場測試的步驟(1) 把數據傳輸導線(數據線)傳感器一端穿過井管的密封井蓋，通過 接線端子(又叫鳳凰端子)連接到下位機從MCU上；旋接壓力傳感器不鏽 鋼外殼，使用O型環或特氟隆膠帶密封；然後把數據線接在測試工具的接線 柱上(必須將黑色的鋼絲壓入固定螺絲並旋緊)；在井套管上旋接密封井蓋， 使用0型環或特氟隆膠帶密封接頭。(2) 將壓力傳感器通過密封井蓋上面的數據線孔降下，確保其在水平面 因氣壓而降低後，仍然位於水平面之下。(3) 用扳手將傳感器電纜的氣密接頭旋緊以便密封接頭。(4) 將傳感器電纜連接到數據記錄儀上。(5) 將數據記錄儀連接到220伏電源上(野外無220V電源可選用電池)。(6) 打開數據記錄儀和並按照步驟設置測試井號，頻率，並插好優盤， 為獲取測試數據做好準備。(7) 關閉壓力釋放閥，打開進氣閥，關閉壓力調節器。(8) 把氣源(泵或壓縮空氣罐)連接到氣壓調節器的快速接頭上。(9) 啟動採樣，緩慢打開氣壓調節器對井水加壓至選定的深度，通常要 求在滿足試驗條件的基礎上使用儘可能小的壓力，以降低數據噪音。(10) 關閉進氣閥並檢查系統氣密性。(11) 監測實測曲線，當曲線達到近似穩定狀態或井蓋上壓力表的讀數 近似穩定時，認為系統達到近似穩定，可以開始下一步驟。(12) 迅速打開釋放閥以激發振蕩，振蕩幵始。(13) 用充足的時間使水平面恢復到靜態水位，完成一次振蕩試驗。(14) 一個試驗周期結束後，根據屏幕上顯示的振蕩波型圖，來確定此 次試驗是否需要保存，如果需要保存到優盤，在主菜單界面，選擇"保存外 存"，"確定"即可(文件保存後測井編號自動加1，可以對同一測井的多次 試驗數據保存到外存)。如果對試驗數據不滿意，可以直接重複測試，儀器 內存裡的試驗數據會自動清空。然後重複步驟(7) (13)即可。試驗數據保存結束後，可以對外存的歷史數據調出查詢，在主菜單界面， 選擇"文件讀入"，然後輸入需要査詢的測井編號(必須是對應外存內的編 號，否則查詢不到)，然後選擇"NO:"後面的數字，也就是這個測井的第 幾個測試數據，然後"確定"。
權利要求1、鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置，其特徵是包括水頭激發系統、傳感器系統和數據採集系統三部分，其中傳感器系統的輸出/輸入端與數據採集系統的輸入/輸出端對應相接；數據採集系統的輸出控制端與水頭激發系統的控制輸入端對應相接。
2、 根據權利要求1所述的鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置，其特徵是 水頭激發系統的結構是在進氣管上裝有減壓閥、進氣閥門；進氣閥門的出氣 口接入密封腔體；密封腔體上裝有井內壓力顯示錶、電纜線密封口；密封腔 體的出氣管上裝有排氣閥門。
3、 根據權利要求l所述的鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置，其特徵是 傳感器系統的結構是由一個船用壓力傳感器、溫度採集模塊、數據處理傳輸 模塊、數字密度傳感器和外殼構成，其中船用壓力傳感器、溫度採集模塊和 數字密度傳感器的數據輸出端分別與數據處理傳輸模塊的輸入端對應相接。
4、 根據權利要求2所述的鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置，其特徵是 所述的溫度採集模塊和數字密度傳感器的介質實時溫度和密度數據輸出端 分別通過數據處理傳輸模塊與數據採集系統中的介質實時溫度和密度數據 輸入端相接。
5、根據權利要求1所述的鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置，其特徵 是數據採集系統的結構包括電源、主機、採集系統的數據輸入埠、採集系 統的數據輸出埠，其中的主機的數據輸入埠與採集系統數據輸出埠相 接；採集系統的數據輸出埠與主機的數據輸入埠相接。
專利摘要本實用新型是鑽孔振蕩式滲透係數取值試驗裝置，其結構是傳感器系統的輸出/入端與數據採集系統的輸入/出端對應相接；傳感器測量到的介質的壓力、溫度、密度數據通過其輸出/入埠傳輸給數據採集系統；數據採集系統將採集頻率通過其輸出/入埠傳輸給傳感器；數據採集系統的輸出控制端與水頭激發系統的控制輸入端對應相接。優點測試數據記錄主機取樣率達1、2、5、10Hz，滿足低K值地層K值(1.0×10-6cm/s或8.6×10-4m/d)和高K值(2.6×10-1cm/s或2.2×102m/d)地層產生振蕩反應的測量需要。通過在含水層布置的鑽孔中激發水頭變化，實時測量水頭隨時間變化規律，利用地下水動力學原理，實現現場測試、處理數據並通過計算機計算得到滲透係數和熱傳導係數。
文檔編號E21B49/00GK201144696SQ200820030980
公開日2008年11月5日 申請日期2008年1月17日 優先權日2008年1月17日
發明者傅志敏, 蓉 吳, 周志芳, 建 楊, 王錦國 申請人:河海大學