基于識別液位壓力的滲水系數自動測量儀設計

張 輝，李 昆，王 珊，趙奕菲，蔡逸林，陳柞旭

(北京科技大學能源與環境工程學院，北京 100083)

0 引言

隨著瀝青混合料技術的不斷成熟，瀝青路面在公路交通運輸中的應用日益廣泛。由于路面滲水性能及其使用壽命與行車安全密切相關[1]，故監測其抗滲能力已成為當前公路建設中的重要任務?；诖耍_地研究瀝青路面滲水系數已成為工程應用中亟待解決的問題。目前，滲水儀大多采用人工掐表計時和目測讀取刻度的操作方法，誤差較大[2]。該方法只根據液位初、末狀態計算滲水系數，并未考慮滲水過程中出現的漏水、溢水、氣泡和膨脹等現象[3]，數據波動大，準確性差[4]。此外，對不同路段測量結果進行歸檔整理的工作量大，難以形成路況診斷數據庫，信息利用效率低，不利于全國公路建設網絡的長期穩定發展[5]。

本文通過對大量現場路面實測數據的分析與總結，依據國家行業標準[6]，設計并開發了一套控制系統與嵌入式軟件相匹配的路面滲水系數自動測量儀(以下簡稱“自動滲水儀”)。

1 自動滲水儀結構

自動滲水儀各部件名稱及尺寸按國家交通部部門計量檢定規程JJG104—2015標注。

盛水量筒采用透明亞克力材質，表面刻有以“mL”為單位的標尺。根據水的密度和盛水量筒內徑可知，液位每改變1 mm，對應壓強變化約10 Pa，水的體積變化約2.00 mL。

在盛水量筒下方管道，通過G1/4外螺紋安裝了數字壓力傳感器(pressure indicator，PI)。PI采用RS-485[7]半雙工通信方式。由于壓力傳感器內部芯體向上布置，與自動滲水儀管道形成“U”型管結構，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。當管道水位壓強小于該殘留水位壓強時，測得的數據保持恒定，對應“0水位”壓強。將壓力傳感器布置在開關閥門上方管道，有利于實時監測水位壓強的變化，以免注水時氣體存留在壓力傳感器芯體部位，從而減小測量壓力波動。

為了降低閥門內徑局部阻力對測量結果的影響、與行業標準規定保持一致，將原來的手動開關閥更換為G1/2內螺紋接口、10 mm孔口直徑的VX232GZ1E型常閉電磁閥，并采用DC 12 V供電。手動開關閥門時，由于操作者用力大小不同，滲水儀側面受到不均衡壓力作用，使滲水儀主體向一側“翹起”，造成滲水儀與路面間的密封面破損，導致漏水；改用電磁閥則消除了這種破壞性因素，同時便于實施自動控制[8]。

自動滲水儀結構如圖1所示。

圖1 自動滲水儀結構示意圖Fig.1 Automatic water seepage meter structure diagram

2 控制系統設計

控制系統是上位機軟件與滲水儀各部件關聯的紐帶，由液位壓力監測、閥門開關控制和電池電壓采集三部分構成。上位機采用LJD-eWinV5-ST4嵌入式觸摸屏。觸控屏各端口通過排線與相應部件聯接。

2.1 液位壓力監測

自動滲水儀控制系統電路如圖2所示。

圖2 自動滲水儀控制系統電路圖Fig.2 Automatic water seepage meter control system circuit diagram

液位壓強通過CYYZ11-H-04-RS-17-C-G數字壓力傳感器實時獲取。該傳感器中：1引腳與電池正極相連；3引腳與電池負極相連；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。壓力傳感器的測量范圍為0～10 kPa，對應數字輸出范圍為0～2 000，表明每一個數字對應可識別的壓強為5 Pa。響應頻率為5 Hz，表示壓力傳感器數據更新時間為200 ms。通信參數設置為“9600,N,8,1”，說明異步通信的速率為9 600 bit/s，每個字節占用8個位、1個起始位(默認)和1個停止位，相當于發送1個字節需要10個比特位(bit)。每秒發送的極限字節數為960個。每個字節發送時間約為1 ms。從圖2中可以看出，發送指令長度為8個字節，則單條指令的極限發送時間為8 ms，實際響應速率大于10 ms。

壓力傳感器的萬能地址為FF，此處設為01。

發送指令格式為：01 03 00 00 00 01 84 0A。

該格式表示：讀(03，功能碼)01號地址壓力傳感器00 00地址開始的00 01個字(相當于2個字節)，循環冗余校驗碼為84 0A(低字節在前，高字節在后)。

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號地址壓力傳感器后得到02個字節數據，其值為02 AC，循環冗余校驗碼為B9 59(低字節在前，高字節在后)。

2.2 閥門開關控制

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

繼電器內部為電阻線圈，DC+與電池正極相連，DC-與電池負極相連。COM、常開(normally open,NO)和常關(normally closed,NC)分別為繼電器的公共觸點。常開觸點表示線圈不加電時為斷開狀態。常閉觸點表示線圈不加電時為閉合狀態。當“H”跳線帽短路時，表示共“高壓”端，即繼電器線圈的正極與COM觸點相連；反之，“L”表示共“低壓”端，即繼電器線圈的負極與COM觸點相連。因此，當選擇“H”時，電磁閥的正極與電池正極相連，負極與繼電器的COM端子相連。此時，COM端子電壓與電池電壓相同。當觸摸屏向DO1引腳發送指令1時，繼電器的IN端子信號線為高電平。此時，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。反之，當觸摸屏向DO1引腳發送指令0時，繼電器的IN端子信號線為低電平，繼電器斷電，COM端子與NO端子斷開，電磁閥供電電路中斷，電磁閥斷開。

2.3 電池電壓采集

控制系統采用3節26800鋰電池供電。單節鋰電池為2.6～4.3 V、7 000 mA·h。電池通過300 kΩ限流電阻、200 kΩ電壓上拉電阻和100 kΩ可變電阻構成一個閉合回路。電池負極與觸摸屏的模擬地引腳AGND相連，經過100 kΩ可變電阻抽出的杜邦線接頭與觸摸屏的AD引腳相連。對于單節電池，電量耗盡時電壓為2.6 V、充滿電時電壓為4.3 V。則3節電池的電壓測量范圍為7.8～12.9 V。觸摸屏模/數轉換為12位，對應212=4 096個數值，其范圍為0～4 096。通過實際測量，觸摸屏AD值與電壓間的對應關系為：

UD=263UA+6.596

(1)

式中：UA為電池模擬電壓值，V；UD為電池模擬電壓轉化為數字電壓對應的AD值，無量綱。

根據式(1)可知，10 V電壓對應的A/D值為263×10+6.596=2 636.596 ≈ 2 637。

7.8 V電壓對應AD值為2 058。12.9 V電壓對應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)，從而實現不同模擬電壓到數字區間段的映射，通過顏色為操作者提示電池電量消耗情況。

3 工藝流程設計

工藝流程分為始終計量和過程識別2種模式。始終計量模式通過人工或壓力傳感器識別起始與結束水位高度。過程識別模式通過壓力傳感器感知水位下降過程，記錄整個測試過程中的壓力數據。

3.1 始終計量模式

根據行業標準JJG 104—2015，將路面滲水系數測試過程分解為7個基本工藝步驟。始終計量模式工藝流程分解步驟如圖3所示。

圖3 始終計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中標示了每個步驟對應的水位壓力變化趨勢區間段和轉折點。其中：區間段采用粗實線標示；轉折點用空心圓圈標注。

①注水。打開電磁閥，當滲水儀通過膩子與路面密封后，再關閉電磁閥，在盛水量筒中注滿水。此時，液面超過0 mL刻度線，壓力穩定，在曲線中表現為某一水平臺階。

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

③校準。關閉電磁閥，向盛水量筒中填水至0 mL刻度線。此時，水位壓力曲線呈陡然上升趨勢，達到某一水平平臺。因此，需通過上位機軟件對壓力傳感器測得的壓強值進行校準，對應0 mL刻度線。

④預滲。打開電磁閥，水開始滲入路面，水位高度不斷降低，液面下降速率達到穩定。這可方便用戶判斷液面何時到達預定刻度線，提高人工控制掐表時間的精確度。

⑤開始。當水位高度到達100 mL刻度線時，水位下降速率基本穩定，開始計時。人工操作需要操作人員目測刻度線，誤差大。而自動滲水儀則通過壓力值反饋識別水位高度，能夠精準地記錄起始時刻。

⑥滲中。水通過路面不斷滲入下層，水位不斷下降。當發生漏水、溢水、鼓泡、泡滅等現象時，壓力傳感器可以實時感知相應的壓強變化，將過程數據完整地記錄下來。

⑦終了。當水位高度到達500 mL刻度線時，如果時間沒有超過3 min，結束計時；或者當水位在3 min內仍未到達500 mL刻度線時，也要結束計時，記錄終了刻度。根據終了時刻與起始時刻的時間差和壓強差，計算對應的滲水系數[9]。

始終計量模式對于滲水量大的新路面有較好的測量效果。而對于舊路面，由于滲水量小，液面長時間未能到達100 mL刻度線，無法開始測試。在充填和預滲步驟，水一部分填入下部自由空間，另一部分滲入路面，則會導致實測值偏小。此外，人工操作模式對于水下滲過程中的氣泡、鼓泡等現象無法進行觀察和識別，數據偏差很大[10]。

3.2 過程識別模式

過程識別模式利用壓力傳感器[11]對水位壓強作實時監測，將充填和預滲步驟連貫進行，減少了水下滲的時間，且無需甄別100 mL和500 mL刻度線。通過下滲曲線的穩定狀態，即可識別下滲過程。

過程識別模式工藝流程步驟如圖4所示。

圖4 過程識別模式工藝流程步驟示意圖Fig.4 Process identification model process flow step diagram

①注水。關閉電磁閥，將水注入盛水量筒中，待液面穩定后，壓力曲線呈某一平臺形狀，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。將水位液面調整至0 mL刻度線位置，用于軟件校準點的識別，壓力曲線保持平臺形狀，但數值低于注水段壓強。

③充填。打開電磁閥，水填入下部自由空間，液面迅速下降，曲線呈陡降趨勢，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，液面波動較大，曲線中會呈現毛刺、鼓包、斷崖等局部特征。

④開始。當液面波動穩定后，曲線斜率趨于固定值，水以一定速率下滲。開始計時，并記錄此刻的時間和水位壓強值作為初始時刻數據。

⑤滲中。水位不斷下降，期間可能會出現漏水、正常滲水、溢水、氣泡等現象，分別對應曲線的不同形狀。通過算法識別，可以得到對應的特征，在計算時進行修正或刪除，以保證測量結果的準確性。

⑥終了。當水位高度到達500 mL或時間達到3 min時，結束測量，記錄對應的時間與壓強，并計算滲水系數。

過程識別模式不僅可以獲得滲水系數，還可以通過算法的開發，識別不同路面的滲水特征，對路況進行判斷和分析，為路政提供建設、維修和保養參考。

4 軟件設計

控制系統需要上位機軟件配合完成指令操作和數據采集，并通過算法對過程曲線進行特征識別。算法的完善性與可靠性將保證滲水儀測量的準確性和智能化。

4.1 測試過程

始終計量模式與過程識別模式采用同一界面，兩種方式通過操作類型中的選項按鈕予以區分。所有的測量操作均在“測試過程”屬性頁中完成。

始終計量模式軟件操作界面如圖5所示。

當“操作類型”為“JJG104—2015”時，對應始終計量模式。在校準步驟中將液面調整為0 mL刻度時，點擊“0刻度校準”按鈕，實時壓力對應的壓力值會定標為“0刻度線→XXXXPa”。整個過程以該值為基準進行自動測試。

當“操作類型”為“自動延時”時，對應過程識別模式。點擊圖5右上角的“開始測試”按鈕，按鈕對應標簽顯示為圖5中的“停止測試”字樣，并改變為禁止狀態。此時，測試過程由程序自動完成。打開電磁閥，液位開始下降。當檢測到液面達到100 mL刻度線時，圖5中間部分的計時器開始計時。當液面降至500 mL或時間到達3 min時，停止計時，記錄對應壓強。數據將自動保存在“數據處理”屬性頁表格中，每一行記錄對應一次測量結果。

當“操作類型”選擇自動延時，在界面右方的“延時計時(s)”文本框中輸入延時時間。點擊“開始測試”按鈕，先打開電磁閥，水開始充填下部自由空間。待延時時間達到后，液面已經平穩下降。此時，記錄開始時間和壓強。當測試時間達到3 min后，記錄對應的時間和壓強，扣除2點間的斷崖，將數據點按直線或指數關系擬合，得到對應的準確壓強，再求出滲水系數。

2種操作模式需要“手動操作”模式的配合。在注水、充填等步驟時，可以通過點擊“打開水閥”和“關閉水閥”進行上位機觸摸控制。

4.2 數據處理

測試過程數據如表1所示。

表1 測試過程數據Tab.1 Data of experimental measurement

在“數據處理”屬性頁中可以對測試過程中的數據記錄進行保存和計算，獲得當前幾組測量數據的標準差、平均值和變異系數，其值分別為1.0879、11.9060和9.137%。其中，變異系數為標準差與平均值的商。此外，也可以通過“打開文件”按鈕調入已有的測試數據進行分析。如果已完成測量工作，可以點擊“保存數據”，將記錄保存到以時間命名的文件中。記錄中含有每一次測試的位置、起始時間、起始水位、終止時間、終止水位、滲水系數等。如果連接GPS模塊，每次測量的定位信息也會保存到記錄中，以便后續大數據的匯總分析，從而達到識別不同位置的數據點、監測不同路段滲水性能的目的，實現路況診斷。

5 數據分析

始終計量模式得到的數據是起點和終點的平均值，只是滲水系數的近似值；過程識別模式能清晰地再現滲水過程細節，輔以理論模型，能夠實現路面性能的評估與預測。

5.1 正常滲水

正常滲水過程壓力實時曲線如圖6所示。

圖6 正常滲水過程壓力實時曲線圖Fig.6 Curves of water pressure for normal seepage process

從圖6(a)中的原始數據可以看出，測量過程數據波動明顯，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所致。經過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，數據更加清晰。根據圖6中B點與E點數據，可以計算出對應的滲水速率，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]開發的滲水裝置以eType電阻式液位傳感器測量液位高度，而本文以壓力傳感器測量液位高度。這2種方法均能測量體積變化，但差別較大。壓力傳感器測量參數為液體壓強，而電阻式液位傳感器測量參數為高度。對于相同位數的A/D轉換電路，1 Pa壓強相當于0.1 mm高度，壓力傳感器最小分辨率為5 Pa，相當于0.5 mm；而電阻式液位傳感器最小分辨率為1 mm。如果將壓強測量范圍縮小，還可以進一步提高測量分辨率。壓力傳感器為數字式傳感器，不需要A/D轉換，通過串口直接獲取數據，性價比高，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轉換模塊，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刻數據的影響，無法對一段數據進行光滑分析。遞推中值是以當前數據點前后各25點數據進行排序并取中值獲得。整條曲線不僅可以過濾脈沖尖波，還可以光滑曲線。由于該方法并不進行插值，保持了數據的原有特征?；谏鲜鰩c，采用壓力傳感器可以高分辨率、快速、保真地對數據分析處理。

在充填步驟段，曲線形狀明顯不同。充填步驟的壓強呈指數衰減下降，而滲中步驟的曲線近似為一條直線，斜率不變。顯然，將B點作為計時開始點更加準確。達到E點后，曲線特征已完全顯現。對B點與E點之間的數據采用最小二乘法擬合。方程形式為y=a+bx。壓力與時間擬合線性函數關系對應參數列表如表2所示。從表2中可以看出，線性相關系數達到0.997 44，說明壓力與時間高度線性相關，直線對應斜率為-0.985 29 Pa/s，相當于59.117 4 Pa/min。按每毫米高度對應2 mL體積水柱計算，每分鐘滲水量為59.117 4÷10×2=11.823 mL。這與取線性區間兩端點得到的數值11.914近似相等。

表2 壓力與時間擬合線性函數關系對應參數列表Tab.2 List of parameters corresponding to the linear function of pressure versus time fitting

在實驗室采用馬歇爾試件研究滲水系數時，由于試件孔隙率大、滲水速度快，表現為指數衰減形式。本文以實際路面為測試對象，路面內部孔隙充填有細顆粒砂塵，導致孔隙率減小，相應液阻增大，滲水過程變緩，呈現為在某一區間段為近線性關系。

5.2 異?，F象

滲水過程中，經常伴有特殊現象，例如氣泡、漏水、溢水等。以出現氣泡為例，滲水過程發生異?，F象時對應的壓力實時曲線如圖7所示。

圖7 滲水過程發生異常現象時對應的壓力實時曲線圖Fig.7 Curves of water pressure for abnormal seepage process

對原始數據經過遞推中值算法濾波處理后，數據起點B與終點E之間有一個臺階，其高度為：2.00(mL/mm)×(2 140-2 080)Pa÷10(Pa/mm)=12.00 mL。

該臺階高度對應測試過程中產生氣泡的體積，約為12 mL。不考慮氣泡時，滲水系數為5 mL/min，去除氣泡體積后，滲水系數為2.779 mL/min，其計算過程如下。

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)。

從以上數據可以看出，過程現象對數據結果影響顯著。

6 結論

本文通過對大量滲水過程測量數據的分析研究，并結合野外工作人員使用經驗，在兼容行業標準JJG 104—2015操作規程基礎上，拓展了工藝流程，實現了滲水系數的自動測量，提高了測量精度，減輕了人員操作負擔。本文主要創新點如下：①研制了基于數字壓力傳感器的滲水系數測量過程自動控制系統；②開發了基于Windows CE嵌入式系統的上位機控制與數據處理分析軟件；③自動滲水儀兼容了行業標準操作規范，拓展了用戶自定義操作流程，提供了液位始終計量模式和過程識別模式這2種操作方法。

為了完善過程特征的甄別，仍需對大量測試數據進行分析，后續將進一步深化研究。