CN102305815A - 一种用于土柱试验的电导率测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于土柱试验的电导率测量装置，包括土样筒(1)、示踪剂溶液流入端口(2)、示踪剂溶液流出端口(3)、示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)、示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)、通道选择器(8)、电导率测试仪(9)和计算机(10)；示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)和示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)分别由电缆(6)和电缆(7)与通道选择器(8)连接，通道选择器(8)通过电导率测试仪(9)和计算机(10)连接；通道选择器(8)可以自动选择示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)或示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)与电导率测试仪(9)连接。同时提供了该装置的使用方法，其具有准确、便捷、环保的特点，广泛适用于环境岩土工程的技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于土柱试验的电导率测量装置及测量方法，属于环境岩土工程的技术领域。
背景技术
由于工业污染、生活污水排放以及农业生产化肥过度使用等原因导致土壤和地下水遭受严重污染，随着降雨和地下水的流动，许多污染成份随之在土壤中迁移，并逐步侵蚀建筑物地基和基础，对建筑物的安全造成了巨大威胁。因此，研究污染溶质在土壤中的运移成了环境岩土工程的重要课题，这对于如何采取相应的防渗和防腐措施都具有重要指导意义。土柱试验是开展土壤溶质运移研究的主要方法，是获得穿透曲线的重要手段。所谓土柱法，首先将土样装入土样筒中，其次用去离子水饱和土样，然后用示踪剂溶液连续恒定注入土样中，最后定量分析示踪剂溶液在土样中运移时通过土样筒出口截面的相对浓度与时间的关系曲线，此曲线即是穿透曲线。根据穿透曲线，可以得出溶质运移的关键参数(如弥散系数、孔隙水平均流速、延迟因子等)，这些参数是表征介质水动力学特征的综合物理量，是研究可溶性物质在多孔介质中迁移转化规律及预测评价污染物时空分布的基础。因此，获得穿透曲线的关键就是获得土样筒出口截面的溶质相对浓度，目前广泛使用化学实验的方法得到相对浓度。这具有以下不足：(1)化学实验受人为操作的影响较大，因此其精度较差；(2)化学试验得到结果的时间明显滞后，不能随着溶质运移的过程同步观测；(3)整个实验过程根据不同时间需要化验较多的浓度，因此重复性的工作会花费很多时间，效率很低，更增加了误差的几率；(4)长期接触化学试剂不利于人体健康。
因此，发明一种能够适用于土柱实验、准确、便捷、环保的测试装置和使用方法具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种用于土柱试验的电导率测量装置及测量方法。
一种用于土柱试验的电导率测量装置，包括土样筒(1)、示踪剂溶液流入端口(2)、示踪剂溶液流出端口(3)、示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)、示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)、通道选择器(8)、电导率测试仪(9)和计算机(10)；示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)和示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)分别由电缆(6)和电缆(7)与通道选择器(8)连接，通道选择器(8)通过电导率测试仪(9)和计算机(10)连接；通道选择器(8)可以自动选择示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)或示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)与电导率测试仪(9)连接。
所述的电导率测量装置，所述土样筒(1)是一个空腔圆柱筒体，示踪剂溶液从示踪剂溶液流入端口(2)流入土样筒，从示踪剂溶液流出端口(3)流出土样筒，示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)置于土样筒(1)的上端，示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)置于土样筒(1)的下端。
所述的电导率测量装置，所述示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)由两个流入端电流电极(11)、(14)和两个流入端电压电极(12)、(13)，示踪剂溶液流出端电导率传感器由两个流出端电流电极(15)、(18)和两个流出端电压电极(16)、(17)组成；电导率传感器土样筒由有机玻璃制作；电极(11)～(18)均由不锈钢制作成扇形，嵌入土样筒(1)中并与其内表面平齐，电极内表面光滑。
一种土柱试验电导率的测量方法，包括以下步骤：
A1：将土壤装入土样筒(1)后，从示踪剂溶液流入端口(2)注入去离子水使土样饱和，此时示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)测得土样的电流和电压值，通过通道选择器(8)把电压和电流值传递给电导率测试仪(9)，得到土样的最小电导率值σmin，σmin存储在计算机中等待运算；
A2：从示踪剂溶液流入端口(2)注入示踪剂溶液，示踪剂溶液从上往下流动，逐渐从从示踪剂溶液流出端口流出，随着时刻t的增加，示踪剂溶液流出端口(3)的示踪剂溶液浓度逐渐增大，示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)测得土样在时刻t的电流和电压值，通过通道选择器(8)把电压和电流值传递给电导率测试仪(9)，得到土样在时刻t的电导率值σt，σt存储在计算机(10)中等待运算；
A3：随着示踪剂溶液从上往下流动，示踪剂溶液流出端口的示踪剂溶液浓度达到最大值并趋于稳定，示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)测得土样对应的电流和电压值，通过通道选择器(8)把电压和电流值传递给电导率测试仪(9)，得到土样的最大电导率值σmax，σmax存储在计算机(10)中等待运算；
A4：根据下式便可以计算时刻t的土样筒(1)出口截面示踪剂溶液的相对浓度，进一步画出穿透曲线：
其中：ct为t时刻示踪剂溶液流出土样筒(1)出口截面时的浓度，c0为示踪剂溶液的初始浓度，ci为土样孔隙水的原始浓度；σt为t时刻示踪剂溶液流出土样简(1)出口截面时土样的电导率(与ct对应)，σmax为土样的最大电导率(与c0对应)，σmin为土样的最小电导率(与ci对应)。
本发明提供的一种用于土柱试验的电导率测量装置及使用方法相对于传统的装置和化学分析，具有快速、准确、低廉、环保的优点，为土柱室内试验提供另一种全新的测试装置和方法，并为现场试验奠定非常有利的基础。
附图说明
图1为本发明一种用于土柱试验的电导率测量装置的结构示意图；
图2为本发明一种用于土柱试验的电导率测量装置的土样筒的结构示意图；
图3为本发明一种用于土柱试验的电导率测量装置的土样筒的剖面示意图；
附图标记说明：1、土样筒；2、示踪剂溶液流入端口；3、示踪剂溶液流出端口；4、示踪剂溶液流入端电导率传感器；5、示踪剂溶液流出端电导率传感器；6、电缆(连接示踪剂溶液流入端电导率传感器4)；7、电缆(连接示踪剂溶液流出端电导率传感器5)；8、通道选择器；9、电导率测试仪；10、计算机；11、流入端电流电极；12、流入端电压电极；13、流入端电压电极；14、流入端电流电极；15、流出端电流电极；16、流出端电压电极；17、流出端电压电极；18、流出端电流电极。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明一种用于土柱试验的TDR测试装置及使用方法的工作原理如下：电导率是土壤的一项基本物理性质，与土壤孔隙水中的离子类型和浓度密切相关。当离子浓度较低时，可以忽略离子的相互作用，此时土壤孔隙水的电导率σpw和孔隙水的浓度c呈线性关系，土壤的电导率σs和孔隙水的浓度c也呈线性关系。在这一基本前提下，土柱试验中示踪剂溶液流出土样筒出口截面时的相对浓度可以等效为：
其中：ct为t时刻示踪剂溶液流出土样筒(1)出口截面时的浓度，c0为示踪剂溶液的初始浓度，ci为土样孔隙水的原始浓度；σt为t时刻示踪剂溶液流出土样筒(1)出口截面时土样的电导率(与ct对应)，σmax为土样的最大电导率(与c0对应)，σmin为土样的最小电导率(与ci对应)。
可见，只要测试出σt、σmax、σmin，便可以根据式(1)计算出示踪剂溶液在土样筒出口截面的相对浓度，而σt、σmax、σmin的测试可以依据以下的装置和方法很方便地实现。
由图1所示，一种用于土柱试验的电导率测量装置，包括土样筒1、示踪剂溶液流入端电导率传感器4、示踪剂溶液流出端电导率传感器5、电缆6、电缆7、通道选择器8、电导率测试仪9和计算机10。
示踪剂溶液流入端电导率传感器4和示踪剂溶液流出端电导率传感器5分别由电缆6和电缆7与通道选择器8连接，通道选择器8通过电导率测试仪9和计算机10连接。
通道选择器8可以根据设置自动选择示踪剂溶液流入端电导率传感器4或示踪剂溶液流出端电导率传感器5与电导率测试仪9连接。
所述的土样筒1是一个空腔圆柱筒体，示踪剂溶液从示踪剂溶液流入端2流入土样筒1，从示踪剂溶液流出端3流出土样筒1，示踪剂溶液流入端电导率传感器4置于电导率传感器土样筒1的上端，示踪剂溶液流出端电导率传感器5置于电导率传感器土样筒1的下端。
由图2、图3所示，示踪剂溶液流入端电导率传感器4由流入端电流电极11、流入端电压电极12、流入端电压电极13、流入端电流电极14组成，示踪剂溶液流出端电导率传感器5由流入端电流电极15、流入端电压电极16、流入端电压电极17、流入端电流电极18组成。电导率传感器土样筒1由有机玻璃制作。上述八个电极(图中标记11～18)均由不锈钢制作成扇形，嵌入土样筒1中并与其内表面平齐，电极内表面光滑，避免了对土样的破坏和影响，因此也适应于对原状土样的试验。
本发明也可以通过以下方式实现，所述示踪剂溶液流入端口2和示踪剂溶液流出端口3之间不仅局限于仅有示踪剂溶液流入端电导率传感器4和示踪剂溶液流出端电导率传感器5两层，还可以有若干层电导率传感器。
实施例2
本实施例提供利用本发明电导率传感器测量电导率的方法，土壤按照实验要求装入土样筒1后，首先从示踪剂溶液流入端口2注入去离子水使土样饱和，此时示踪剂溶液流入端电导率传感器4通过流入端电流电极11、流入端电流电极14和流入端电压电极12、流入端电压电极13测得土样的电流和电压值，通过连接示踪剂溶液流入端电导率传感器4的电缆6输入通道选择器8，通道选择器8把电压和电流值传递给电导率测试仪9得到土样的最小电导率值σmin，σmin存储在计算机中等待运算。
然后从示踪剂溶液流入端口2注入示踪剂溶液，示踪剂溶液从上往下流动，逐渐从从示踪剂溶液流出端口3流出，随着时刻t的增加，示踪剂溶液流出端口3的示踪剂溶液浓度逐渐增大，示踪剂溶液流出端电导率传感器5通过流入端电流电极15、流入端电流电极18和流入端电压电极16、流入端电压电极17测得土样在时刻t的电流和电压值，通过连接传感器5的电缆7输入通道选择器8，通道选择器8把电压和电流值传递给电导率测试仪9得到土样在时刻t的电导率值σt，σt存储在计算机中等待运算。
随着示踪剂溶液从上往下流动，示踪剂溶液流出端口3的示踪剂溶液浓度达到最大值并趋于稳定，示踪剂溶液流出端电导率传感器5通过流入端电流电极15、流入端电流电极18和流入端电压电极16、流入端电压电极17测得土样对应的电流和电压值，通过连接传感器5的电缆7输入通道选择器8，通道选择器8把电压和电流值传递给电导率测试仪9得到土样的最大电导率值σmax，σmax存储在计算机中等待运算。
最后，根据实施例中式(1)便可以计算任意时刻t的土样筒出口截面示踪剂溶液的相对浓度，进一步画出穿透曲线。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于土柱试验的电导率测量装置，其特征在于，包括土样筒(1)、示踪剂溶液流入端口(2)、示踪剂溶液流出端口(3)、示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)、示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)、通道选择器(8)、电导率测试仪(9)和计算机(10)；示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)和示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)分别由电缆(6)和电缆(7)与通道选择器(8)连接，通道选择器(8)通过电导率测试仪(9)和计算机(10)连接；通道选择器(8)可以自动选择示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)或示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)与电导率测试仪(9)连接。
2.根据权利要求1所述的电导率测量装置，其特征在于，所述土样筒(1)是一个空腔圆柱筒体，示踪剂溶液从示踪剂溶液流入端口(2)流入土样筒，从示踪剂溶液流出端口(3)流出土样筒，示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)置于土样筒(1)的上端，示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)置于土样筒(1)的下端。
3.根据权利要求1所述的电导率测量装置，其特征在于，所述示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)由两个流入端电流电极(11)、(14)和两个流入端电压电极(12)、(13)，示踪剂溶液流出端电导率传感器由两个流出端电流电极(15)、(18)和两个流出端电压电极(16)、(17)组成；电导率传感器土样筒由有机玻璃制作；电极(11)～(18)均由不锈钢制作成扇形，嵌入土样筒(1)中并与其内表面平齐，电极内表面光滑。
4.根据权利要求1所述的电导率测量装置，其特征在于，所述示踪剂溶液流入端口(2)和示踪剂溶液流出端口(3)之间不仅局限于仅有示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)和示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)两层，还可以有若干层电导率传感器。
5.一种土柱试验电导率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1：将土壤装入土样筒(1)后，从示踪剂溶液流入端口(2)注入去离子水使土样饱和，此时示踪剂溶液流入端电导率传感器(4)测得土样的电流和电压值，通过通道选择器(8)把电压和电流值传递给电导率测试仪(9)，得到土样的最小电导率值σmin，σmin存储在计算机中等待运算；
A2：从示踪剂溶液流入端口(2)注入示踪剂溶液，示踪剂溶液从上往下流动，逐渐从从示踪剂溶液流出端口流出，随着时刻t的增加，示踪剂溶液流出端口(3)的示踪剂溶液浓度逐渐增大，示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)测得土样在时刻t的电流和电压值，通过通道选择器(8)把电压和电流值传递给电导率测试仪(9)，得到土样在时刻t的电导率值σt，σt存储在计算机(10)中等待运算；
A3：随着示踪剂溶液从上往下流动，示踪剂溶液流出端口的示踪剂溶液浓度达到最大值并趋于稳定，示踪剂溶液流出端电导率传感器(5)测得土样对应的电流和电压值，通过通道选择器(8)把电压和电流值传递给电导率测试仪(9)，得到土样的最大电导率值σmax，σmax存储在计算机(10)中等待运算；
A4：根据下式便可以计算时刻t的土样筒(1)出口截面示踪剂溶液的相对浓度，进一步画出穿透曲线：
其中：ct为t时刻示踪剂溶液流出土样筒(1)出口截面时的浓度，c0为示踪剂溶液的初始浓度，ci为土样孔隙水的原始浓度；σt为t时刻示踪剂溶液流出土样筒(1)出口截面时土样的电导率(与ct对应)，σmax为土样的最大电导率(与c0对应)，σmin为土样的最小电导率(与ci对应)。
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