秦孙巍, 李云安

(1.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074； 2.武汉工程大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430074)

基于电解极化原理的岩土渗流传感器设计与实验*

秦孙巍1,2, 李云安1

(1.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074； 2.武汉工程大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430074)

针对岩土体渗流难于原位监测的问题，提出了一种利用电解极化产生电解质脉冲进行示踪的方法。介绍了传感器的测量原理、结构和测控电路。采用覆铜板制作了尺寸为20 mm×5 mm的传感器，并在6 mm内径有机玻璃管模拟的单裂隙中进行了流速测定实验。结果表明:传感器结构简单、体积小，在0.01～0.1 cm·s-1的流速范围内，传感器的重复性误差小于5 %，低阻峰测量线性误差为2.80 %，高阻峰测量线性误差为4.08 %，能够满足岩土体渗流长期监测的要求，具有良好的实用价值。

渗流; 示踪法; 电解; 极化; 传感器

0 引 言

渗流监测在水利工程、土建工程、给排水、环保、地质、石油等领域理论研究和工程应用中都具有及其重要地位。渗流监测的常用方法有测压管法、渗压计法[1]、量水堰法、容积法、示踪法[2]、温度场法[3]等，这些方法要么只能给出渗透压力和渗透性能，要么只能在大尺度的时空中给出渗流状态，对于渗流速度和渗流方向测定还没有十分经济有效的方法[4]。传统示踪法虽然可以测定流速和流向，但由于示踪剂多为染料或电解质溶液，需要专门的投药装置，且投药点与测量位置必须间隔较长距离，难以设计成一体化传感器实现连续监测。

本文从电解质示踪的角度出发，利用直流电场在电极上产生的电解极化替代传统投药装置形成电解质脉冲实现无投药示踪，设计了集电解质脉冲产生与测量一体化的渗流传感器。

1 测量原理

在稀溶液中的两电极上施加直流电压，受电场影响离子产生电迁移，阳离子会向负极移动，阴离子会向正极移动，由于离子电迁移速度远大于扩散速度，离子在电极表面双电层上形成高浓度区域，在电极附近形成低浓度区域，即浓差极化，此时在距离电极x处离子数密度为[5]

(1)

由式(1)可知，当温度一定时，极化离子数密度与电势正相关，电势取决于电极间电压，电压越高电极界面双电层与附近区域离子浓差越大。当有电流通过时，双电层上离子因得失电子数目减少，为了维持双电层离子数密度，附近区域离子向双电层运动，从而使得双电层与附近区域离子浓差进一步增加，电流密度越大浓差极化现象越明显。

当施加的电极电压高于分解电压时，体系会产生电解，依照法拉利定律，其电解产物的量与法拉利电流强度、通电时间的关系为

(2)

式中n为电解物质的量；F为法拉利常数；ne为电子转移数；I为法拉利电流；t为电解时间。

由式(2)可知，当通电时间一定时，法拉利电流越大电解的物质越多，当电解电压一定时，法拉利电流大小取决于电极常数，电极常数越小法拉利电流越大。电解过程是一个离子得失电子的过程，阴、阳离子的总电荷数在电解过程中是不变的，对于惰性电极电解天然水来讲，其过程对体系导电性影响不大，不会干扰下游电导测定。

由上述分析可知，在电极上施加直流电压，离子会因极化而重新分布，在电极表面会形成高浓度区域，此时情况和传统示踪法加入示踪剂时相仿，在停止施加直流电压时，由于电场消失，离子的电迁移运动停止，扩散运动成为主导因素，此时离子在溶液中的运动过程可理解为溶质在一定流速下的扩散过程，其过程与传统示踪法相似，通过求解菲克定律建立的偏微分方程，可得到离子浓度随时间和距离的解析解[6]

(3)

式中m为电解质质量，g；α为孔隙率；w为截面积，m2；C为离子浓度，g·L-1；u为流速，m·s-1；t为时间，s；DL为扩散系数，m·s-1；x为测量位置，m。

式(3)是传统示踪法的理论基础，在使用示踪法测量流速时，通常采用测点浓度达到最大值时的时间来计算流速[7]，在x处离子浓度达到最大值时的时间可由式(3)求极值可得

(4)

由式(4)可知，当u≠0时，在下游x处测量的优势流速为

(5)

(6)

即当相对误差ε、扩散系数DL和测量位置x不变，流速满足式(6)条件时，优势流速等于实际流速，此时实际流速与离子浓度达到最高时的时间呈反比。

实际测量过程中，由于温度无法保证恒定，扩散系数会在一定范围内波动，温度对扩散系数的影响符合Arrhenius方程[8]

(7)

式中 D为扩散系数，m·s-1；D0为指前因子，m·s-1；E为扩散活化能；R为摩尔气体常量，J·mol-1K-1；T为温度，K。以水自扩散系数为例，在273K时为1.269×10-9m2·s-1，373K时为7.260×10-9m2·s-1，扩散系数相差约为6倍。为了消弱温度的影响，可将最小可测流速在式(6)的基础上提高5～6倍。

2 传感器设计

2.1 结构设计

传感器由一对电解电极、数对电导电极及基板三部分组成。电解电极的主要功能是产生电解极化，当电解电压一定时，电流密度与电极常数有关，电极常数越小，电流密度越大，浓差极化越明显，但过大的电流密度有可能使体系温度因焦耳热而改变，故电解电极的电极常数选择应以不明显改变体系温度为前提尽可能地增加电流密度。电导电极的主要功能是感知系统浓度变化，根据测量需要可在传感器上布设一对电导电极以测量某一方向上的流速，也可布设多对电导电极测量不同方向上的测量流速，电导电极的电极常数决定了电导率的测定范围，如天然水的电导率一般在50～1 500μS·cm-1之间[9]，电极常数宜控制在0.1～1内，电极常数一般无法通过尺寸进行计算准确求取，但可采用已知电导率的溶液进行标定[10]。基板的主要功能是固定电极，保证电极常数和电极间距不发生变化，对于混凝土类的测量对象，可以省略基板，将电极直接固化在混凝土内。

本文以5mm×20mm长方形传感器为例(如图1)说明其结构，该传感器由电极基板、一对电解电极和一对电导电极组成，采用单面覆铜电路板印刷制作。两电极由玻璃纤维基板上平行的覆铜带组成，电极长度5mm，宽度1mm，极板间距1mm，电解电极与电导电极相距20mm。

图1 传感器结构图

2.2 测控电路设计

测控电路包括RS—232通信、电导测量和电解控制三个部分(如图2)，三部分通过单片机统一进行协调调度，当单片机从RS—232通信接收到测量指令后，通过内部定时器控制时间进行电解极化，同时利用A/D转换进行电导率测定，测定结果与测定时间同步通过RS—232通信发送至上位机，完成整个测控过程。

电导测量采用经典的交流两电极分压法[11]，激励源产生±2.5V，频率为1kHz的方波，为提高测量分辨率采用由模拟开关控制的0.5,1.0,10,20,50,100kΩ电阻器组成8档可调采样电阻器，分压方波信号经过放大电路、绝对值电路、滤波电路等调制成直流电压信号送AD进行A/D转换，结果由单片机处理后由RS—232通信实现输出，因该系统主要用于测量电导率的变化量而非绝对量，故无需进行温度补偿。电解控制部分由电解电源和双路开关组成，电解电源采用与系统电源不共地的5～15V可调恒压电源，双路开关可采用继电器或光电耦合器实现程控。

图2 测控电路框图

3 实验与结果

3.1 实验装置

实验采用内径6mm，外径8mm的有机玻璃管模拟单裂隙岩土体，在有机玻璃管内延水流方向布置传感器(如图3)，利用恒流泵产生不同流量的稳定流场，流过有机玻璃管后用100mL量筒测量流量以标定流速。电解电源采用TPR3005—3C型30V精密可调直流电源独立供电，电解电压9V，每个测定周期内通电时间4s，测量时间300s，电导率测量采样频率7Hz，传感器电解电极的电极常数为0.306 7cm-1，电导电极的电极常数为0.486 3cm-1，流速范围为0.01～0.1cm·s-1。

图3 实验装置图

3.2 数据处理

在一个测量周期内，电导率曲线会产生三个峰(如图4)，峰a是由于电解过程中电解电压变化，形成的电磁感应峰(electromagneticinductionpeak，EIP)，其大小受电解电压变化率影响，与溶质、流速无关。峰b是电解极化过程中，电极附近低离子浓度，电阻较高的区域迁移而形成的高阻峰(highresistancepeak,HRP)。峰c是电极表面双电层高离子浓度、电阻较低的区域迁移产生的低阻峰(lowresistancepeak,LRP)。

图4 流速为0.022 2 cm/s时电导率变化

为了提高出峰时间测量的准确度，消除电导率测量过程中产生的小幅高频噪声，本文在计算出峰时间前，先采用5层Coiflet小波进行滤波，去除了信号中的高频部分，结果如图5所示，由图可见滤波后残差在±0.5μS·cm-1范围内，信号无明显失真。

图5 小波滤波结果

3.3 重复性误差

表1中,v0为体积法标定流速；t为出峰时间；STD为标准方差；RSD为相对标准方差；Peak为峰类型。

3.4 线性误差

采用线性回归对表1的测量速度与标定流速进行回归分析，结果如图5所示，低阻峰测量的速度回归方程为v0=1.328vLRP-0.004 78，相关性系数R2=0.997 2，线性误差2.80 %;高阻峰测量的速度回归方程为v0=0.705 8vHRP-0.001 31，相关性系数R2=0.994 1，线性误差4.08 %。结果表明：低阻峰、高阻峰出峰时间计算的流速均与标定流速呈现良好的线性关系，均可用于测量流速。

表1 不同流速测量结果

Tab 1 Measurement results of different flow velocity

序号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

图6 不同流速测量结果

4 结 论

本文通过分析电解过程中的浓差极化现象和离子扩散相关原理，提出了采用电解极化生成电解质脉冲进行示踪的方法，设计了一种用于岩土渗流的传感器和相关测控电路，并通过实验进行了验证。结果表明：该方法不引入新物质进入环境，对环境影响小，传感器结构简单、成本低廉、重复性好，可靠性高，在0.01～0.1 cm·s-1流速范围内，传感器长度为2 cm时，重复性误差小于5 %，线性误差小于5 %，能够满足岩土体渗流长期监测的要求。

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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

湖北省教育厅科学技术研究项目(B2015326)

TH 764

A

1000—9787(2015)11—0078—04

秦孙巍(1978-)，男，湖北武汉人，博士研究生,讲师，从事渗流监测系统设计和研究。