CN103267776A - 一种混凝土水含量的测定方法及测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土水含量的测定方法及测定装置。采用基于谐波探测技术的3ω法测定混凝土水含量，包括以下步骤：（1）探针制备：（2）探针固定到样品中，连接仪器；（3）仪器初始化；（4）调平电阻；（5）测量谐波信号；（6）结果分析。用于测定混凝土含水量的装置，包括锁相放大器，信号发生器，标准电阻箱和铂丝探针；所述铂丝探针连接信号发生器，信号发生器连接锁相放大器，锁相放大器连接标准电阻箱，标准电阻箱再连接铂丝探针形成环路；铂丝探针同时也连接锁相放大器。本发明基于谐波探测技术的3ω法，对微弱信号检测灵敏，对水含量比较敏感，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土水分测定技术领域，具体地说，涉及一种混凝土水含量的测定方法及测定装置。
背景技术
目前，混凝土水分测定的常用方法主要包括接触式测量方法如红外加热法、卤素加热法、电容法、电阻法，以及使用高频电磁波、微波、近红外线等的非接触式测量方法。这些测量方法在加热均匀度，测量精确度，测量速度，经济性等方面都有各自的优势，但也存在相应的不足，如红外加热法加热过程中有聚光点，测出来的样品会有颜色改观，仪器尺寸相对较大，不便捷等；非接触测量方法需要对物料种类，堆放密度，与测量探针的距离等多种因素进行量化等。
基于谐波探测技术的3ω测试技术是一种与热线法和热带法紧密相关的热导率测量技术。已被广泛地应用于对从纳米量级材料到体材料的热导率等热物性参数的测量。1910年，Corbino曾提出，利用交流电流在材料中产生的两种不同频率的电压可对材料的一些物理量进行测量。1993年Cahill等首次系统提出测试体材料热导率的斜率-3ω法。至今，中国科学院工程热物理研究所对3ω技术及其装置做了深入研究。
3ω方法利用一细长的金属丝作为加热丝同时作为温度传感器，样品包覆在金属加热丝的四周。当对金属丝施加角频率为ω的正弦波电流时，由于金属丝有一定的电阻，因焦耳效应产生的热量以2ω的频率对金属丝和液体加热，产生频率为2ω的温度波。对于纯金属，温度的上升使电阻增加，增加的电阻的变化频率也是2ω，增加的电阻与频率为ω的交流电共同作用产生频率为3ω的电压。该3ω电压信号与样品的热波传输能力有关，含水量不同的样品，传输热波的能力不同，所产生的3ω电压信号也不同。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于谐波探测技术，对水含量敏感，测量精度高，可实现对样品无损检测的混凝土水含量测定方法。
本发明的另一目的是提供上述用于测定混凝土含水量的装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种混凝土水含量的测定方法，采用基于谐波探测技术的3ω法测定混凝土水含量。具体包括以下步骤：
（1）探针制备：
（2）探针固定到样品中，连接仪器；
（3）仪器初始化：实验开始，让信号发生器输出一个10mV的电压，经电流转换模块转换成微小的交流电流来加热探针内封装的铂丝；
（4）调平电阻：调节串联标准电阻箱的读数，使标准电阻箱的阻值近似等于探针的初始阻值，然后将信号发生器的输出电压调整到5V；
（5）测量谐波信号：选取0.5Hz和1Hz这两个频率来测量探针两端的基波电压和三次谐波电压；初次试验，为了得到完整的谐波信号，需给加热丝输入不同频率的电流，频率范围为0.01~1000Hz，测量探针两端的三次谐波电压和基波电压；再次试验时，根据初次试验得到的谐波曲线第Ⅲ段所在频率范围，测量此低频下的三次谐波电压和基波电压。经试验，只需选取0.5Hz和1Hz这两个频率来测量探针两端的基波电压和三次谐波电压；
（6）结果分析：首先，标定不同水分含量样品的3ω响应信号，其中信号强度为三次谐波曲线的斜率，用s表示， 
，反映的是样品的热扩散性质；接着，绘制信号强度和水含量的关系图,得标准信号图谱；最后，测绘样品的信号强度和水含量的关系图，和标准图谱对照得样品水含量。
上述用于测定混凝土含水量的装置，包括锁相放大器，信号发生器，标准电阻箱和铂丝探针；所述铂丝探针连接信号发生器，信号发生器连接锁相放大器，锁相放大器连接标准电阻箱，标准电阻箱再连接铂丝探针形成环路；铂丝探针同时也连接锁相放大器。
所述铂丝探针包括两个铜箔片，金属铂加热丝和绝缘聚酰亚胺薄膜；两个铜箔片平行放置，金属铂加热丝设于两个铜箔片之间并连接两个铜箔片；两个铜箔片和金属铂加热丝封装在两层绝缘聚酰亚胺薄膜之间。
本发明的3ω方法的原理是：含水量不同的样品，传输热波的能力不同。随着输入电流角频率ω的改变，3ω电压信号的响应也不同，因此标定不同水分含量样品的3ω响应信号，然后测量待测样品的3ω电压信号，对照标准信号图谱即可得知样品的水分含量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的测定方法是基于谐波探测技术的3ω法，对微弱信号检测灵敏，对水含量比较敏感，测量精度高。
2.本发明采用的铂丝探针使用寿命长、可重复利用，不易损坏，绝缘好，可实现对样品无损检测的同时不再对样品表面有光滑的要求，对具有多孔结构的样品亦能使用。
附图说明
图1 为三次谐波（3ω信号）随输入电流角频率（ω信号）的变化曲线；
图2 为用于测定混凝土含水量的装置示意图；
图3 为不同水含量砂浆测试样品信号强度s变化方框图；
图4 为不同水含量混凝土测试样品信号强度s变化方框图；
图5 为不同水含量混凝土测试样品信号强度和水含量的关系图。
具体实施方式
如图2所示，一种用于测定混凝土含水量的装置，包括锁相放大器1，信号发生器2，标准电阻箱3和铂丝探针4；铂丝探针4包括两个铜箔片41，金属铂加热丝42和绝缘聚酰亚胺薄膜43。两个铜箔片41平行放置，金属铂加热丝42设于两个铜箔片41之间并连接两个铜箔片41；两个铜箔片41和金属铂加热丝42封装在两层绝缘聚酰亚胺薄膜43之间。铂丝探针4的金属铂加热丝42一端连接信号发生器2，信号发生器2连接锁相放大器1，锁相放大器1连接标准电阻箱3，标准电阻箱3再连接铂丝探针4金属铂加热丝的另一端形成环路；铂丝探针4的两个铜箔片41再连接锁相放大器1。
当热波遇到不同的物体，在三次谐波曲线（图1）上会出现不同的拐点，频率比较高的区域（Ⅰ段），热作用深度很小局限于铂丝里面，表示的是热波在铂丝内部的传播；频率居中的区域（Ⅱ段）为过渡区，表示的是热波在聚酰亚胺薄膜内的传播；频率比较低的区域（Ⅲ段），热作用深度大于探针整体厚度，表示的是热波在被测样品内的传播，不同样品Ⅲ段的斜率不同，因此可以用来分析水含量的不同。
实施例1 砂浆测试
第一步探针制备。一片25μm厚的聚酰亚胺薄膜经超声波洗净后平铺并固定在载玻片上。一层厚约200nm的铂加热/探测器通过紫外曝光和光刻工艺沉积在两个铜箔焊盘上。两根导线通过焊接工艺固定在两个焊盘上。另一片一侧涂有热熔胶的聚酰亚胺薄膜通过热压工艺覆盖在铂探测器上使其密封。
第二步将探针固定到样品中，连接仪器。准备以下三个样品：1.原样：100g水泥+14g水；2.加入5%水：100g水泥+14.7g水；3.加入10%水：100g水泥+15.4g水。
第三步仪器初始化。实验开始，让调节信号发生器输出一个10mV的电压，经电流转换模块转换成微小的交流电流来加热探针内封装的铂丝。
第四步调平电阻。调节串联电阻箱的读数，使电阻箱的阻值近似等于探针的初始阻值，然后将信号发生器的输出电压调整到5V。
第五步测量谐波信号。给加热丝输入0.1~1000Hz频率范围的电流，记录探针两端的三次谐波电压和基波电压。非线性拟合得三次谐波（3ω信号）随输入电流角频率（ω信号）的变化曲线，求取第Ⅲ段谐波的斜率得信号强度。试验结果如下：原样得信号强度依次为4.39/3.95/6.82/3.00；加入5%水样品得信号强度依次为6.88/6.94/4.73；加入10%水样品得信号强度依次为7.84/7.34。这里三个样品的信号强度值数量不等是由探针位置选取不同导致的，对结果分析没有影响。
第六步结果分析：首先，标定不同水分含量样品的3ω响应信号，其中信号强度为三次谐波曲线的斜率，用s表示，
，反映的是样品的热扩散性质；接着，绘制信号强度和水含量的关系图,得标准信号图谱；最后，测绘样品的信号强度和水含量的关系图，和标准图谱对照得样品水含量。
绘制所得三个样品的信号强度变化方框图(图3)，从图3可见水含量不同的砂浆响应信号强度不同，证明本发明技术方案可行。
实施例2 混凝土测试
使用实施例1中同一套用于混凝土含水量测定的3ω热物性测量系统进行试验，测试以下三个样品：1.165水含量混凝土（图4、图5中表示为#1（165））；2.180水含量混凝土（图4、图5中表示为#2（180））；3.185水含量混凝土（图4、图5中表示为#3（185））。
采用简便方法，选取0.5Hz和1Hz这两个频率来测量探针两端的基波电压和三次谐波电压，求取两点的斜率得信号强度。试验结果如下：#1（165）得信号强度依次为3.75/3.35/3.30/3.79/3.65/3.81；#2（180）得信号强度依次为3.74/3.55/3.48/3.80/3.90/3.67；#3（185）得信号强度依次为3.74/4.34/3.93/3.97/4.10/3.90。绘制所得三个样品的响应信号强度变化方框图(图4)，从图4可见水含量不同的混凝土信号强度不同，再次证明本发明技术方案可行。此外，也证明本发明所用铂丝探针具有对水含量敏感，测量精度高，可重复利用，不易损坏的优势。
由于实施例2所得数据较完整，本发明选用此组试验数据绘制不同水含量混凝土测试样品信号强度和水含量的关系图（图5），从图5可见，不同水含量的混凝土样品响应信号曲线差异较大，因此，和标准图谱对照即可得待测样品的水含量。
Claims (4)
1.一种混凝土水含量的测定方法，其特征在于：采用基于谐波探测技术的3ω法测定混凝土水含量。
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）探针制备：
（2）探针固定到样品中，连接仪器；
（3）仪器初始化：实验开始，让信号发生器输出一个10mV的电压，经电流转换模块转换成微小的交流电流来加热探针内封装的铂丝；
（4）调平电阻：调节串联标准电阻箱的读数，使标准电阻箱的阻值近似等于探针的初始阻值，然后将信号发生器的输出电压调整到5V；
（5）测量谐波信号：选取0.5Hz和1Hz这两个频率来测量探针两端的基波电压和三次谐波电压；
（6）结果分析：首先，标定不同水分含量样品的3ω响应信号，其中信号强度为三次谐波曲线的斜率，用s表示， ，反映的是样品的热扩散性质；接着，绘制信号强度和水含量的关系图,得标准信号图谱；最后，测绘样品的信号强度和水含量的关系图，和标准图谱对照得样品水含量。
3.一种用于测定混凝土含水量的装置，其特征在在于包括锁相放大器（1），信号发生器（2），标准电阻箱（3）和铂丝探针（4）；所述铂丝探针（4）连接信号发生器（2），信号发生器（2）连接锁相放大器（1），锁相放大器（1）连接标准电阻箱（3），标准电阻箱（3）再连接铂丝探针（4）形成环路；铂丝探针（4）同时也连接锁相放大器（1）。
4.根据权利要求3所述的用于测定混凝土含水量的装置，其特征在于所述铂丝探针（4）包括两个铜箔片（41），金属铂加热丝（42）和绝缘聚酰亚胺薄膜（43）；两个铜箔片（41）平行放置，金属铂加热丝（42）设于两个铜箔片（41）之间并连接两个铜箔片（41）；两个铜箔片（41）和金属铂加热丝（42）封装在两层绝缘聚酰亚胺薄膜（43）之间。
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