CN104034385B - 一种用于非饱和土试验的全自动扩散气泡冲刷测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于非饱和土试验的全自动扩散气泡冲刷测量仪，它包括：底座（11），安装在底座（11）上的气泡收集器（1）和常闭电子阀（8），气泡收集器（1）底部设有进排水口（3）和传感器接口（2），传感器接口（2）连接有精密水压传感器（7）；气泡收集器进排水口（3）与常闭电子阀（8）相连，常闭电子阀（8）另一端与压力板仪（15）底部的螺旋底槽（18）进排水口相连，螺旋底槽（18）另一端与压力体积控制器（12）中的封闭水缸（13）相连。本发明结构设计合理，操作方便，自动化程度高，可实现扩散气泡体积测量的全过程自动化，测量效率高；并且可定时测量扩散气泡的体积，提高非饱和土实验的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种扩散气泡体积测量装置，具体而言涉及一种全自动量测非饱和土试验中扩散至陶土板底部的气泡体积测量仪。
背景技术
非饱和土是一种四相离散材料，包括固相（土颗粒）、液相（孔隙水）、气相（孔隙气）、液-气交界面。其中，液-气交界面的数量由液相、气相各占含量的多少来决定；液-气交界面的力学特性由基质吸力的值来反映。由于基质吸力对非饱和土的变形、强度特性有重要影响，因此对非饱和土进行实验研究时，必须维持基质吸力在一个固定水平。目前通常采用“轴平移”技术来控制基质吸力，压力室内部空气保持一定的压强，当非饱和土含水率保持稳定时，基质吸力就达到了稳定状态。
由于基质吸力的控制需要相当长一段时间，而且非饱和土的压缩试验、直接剪切试验、三轴压缩试验也需要比较长的时间，在这个过程中压力室内部的高压空气可通过高进气值陶瓷板扩散，进入其下方的螺旋底槽空腔。扩散的气泡取代空腔内的水，使排水速度减缓，引起水体积变化量测的误差。所以，气泡扩散是非饱和土试验测量技术的一种障碍。
在某些情况下，几天时间内通过高进气值扩散的气泡体积可能超过土样中水的总体积。对于超过一天的非饱和土试验，如需了解土样含水量或饱和度的变化，则必须考虑扩散气泡体积。
现有技术测量扩散气泡体积主要依靠气泡收集器和滚轮，通过循环挤压与陶瓷板下方空腔连通的水管，使得管内的水循环流动，带动扩散气泡移动至气泡收集器进行收集。但是这种方式一方面需要大量人力操作，效率低下；另一方面难以保证扩散气泡被全部收集并测量出体积，实验的精确度受到制约；而且这种方式结构复杂、设计不够合理，容易在试验过程中导致错误操作。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术存在的工作效率低，测量精度不够高，结构复杂等缺陷，提供一种结构设计合理，操作方便，尤其是自动化程度高，工作效率高，能够高效收集并精确测量非饱和土试验过程中通过高进气值陶瓷板扩散的气泡，保证试验精确度的用于非饱和土试验的全自动扩散气泡冲刷测量仪。
技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，它包括：底座，安装在底座上的气泡收集器和常闭电子阀，所述的气泡收集器底部设有气泡收集器进排水口和传感器接口，传感器接口连接有精密水压传感器，气泡收集器内开设有漏斗空腔和与漏斗空腔相连的漏斗细管；所述的气泡收集器进排水口与常闭电子阀相连，常闭电子阀另一端与压力板仪底部的螺旋底槽进排水口相连，陶土板螺旋底槽另一端与压力体积控制器中的封闭水缸相连。
作为优选方案，以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的传感器接口连接排气泡阀门。
作为优选方案，以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的精密水压传感器的量程为5kPa，分辨率为1Pa，精度为5Pa，精密水压传感器通过数据采集卡与计算机相连。
作为优选方案，以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的常闭电磁阀通过电路板与压力体积控制器相连。
作为优选方案，以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的压力体积控制器通过数据采集卡于计算机相连。
作为优选方案，以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的封闭水缸内设有活塞。
作为优选方案，以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的漏斗细管（5）的直径为5mm，高度为200mm。
作为优选所述的气泡收集器由透明有机玻璃制作而成，直径100mm，高300mm，其顶端开口，内部掏空成漏斗状，底部两端分别设置一个传感器接口和一个进排水口，所述的传感器接口与所述的精密水压传感器相连，所述的进排水口则与所述的常闭电磁阀相连。
以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的压力板仪内的螺旋底槽上部设有陶土板，陶土板上设有土样。
以上所述的常闭电磁阀两端分别设有进排水口，一端的进排水口与所述的气泡收集器底部的进排水口相连，另一端与陶土板下方螺旋底槽进排水口相连，所述的常闭电磁阀通过连接电路板接入到所述的压力体积控制器，连同压力体积控制器通过串口再与计算机相连。
以上所述的压力体积控制器通过控制室接口与陶土板下方螺旋底槽空腔相连，压力控制精度为1kPa，体积量测精度为+/-0.005ml，所述的压力体积控制室通过串口接入数据采集卡再与计算机相连。
有益效果：本发明提供的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪和现有技术相比具有以下优点：
本发明提供的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，结构设计合理，操作方便，自动化程度高，可实现扩散气泡体积测量的全过程自动化，测量效率高；并且可定时测量扩散空气的体积，提高非饱和土实验的精确度。
附图说明
图1本发明所述的全自动扩散气泡冲刷测量仪结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，它包括：底座（11），安装在底座（11）上的气泡收集器（1）和常闭电子阀（8），所述的气泡收集器（1）底部设有气泡收集器进排水口（3）和传感器接口（2），传感器接口（2）连接有精密水压传感器（7），气泡收集器（1）内开设有漏斗空腔（4）和与漏斗空腔（4）相连的漏斗细管（5）；所述的气泡收集器进排水口（3）与常闭电子阀（8）相连，常闭电子阀（8）另一端与压力板仪（15）底部的螺旋底槽（18）进排水口相连，陶土板螺旋底槽（18）另一端与压力体积控制器（12）中的封闭水缸（13）相连。所述的传感器接口（2）连接排气泡阀门（6）。所述的常闭电磁阀（8）通过电路板与压力体积控制器（12）相连。所述的压力体积控制器（12）通过数据采集卡于计算机相连。
以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的精密水压传感器（7）的量程为5kPa，分辨率为1Pa，精度为5Pa，精密水压传感器（7）通过数据采集卡与计算机相连。
以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的封闭水缸（13）内设有活塞（14）。所述的压力体积控制器（12）可以推动所述水缸（13）内的活塞往返运动，使水缸（13）具有排水与吸水功能，同时，所述的压力体积控制器（12）还具有量测水缸内水体积变化的功能。
以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的漏斗细管（5）的直径为5mm，高度为200mm。
以上所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，所述的压力板仪（15）内的螺旋底槽（18）上部设有陶土板（17），陶土板（17）上设有土样（16）。
所述的漏斗细管（5）或漏斗空腔（4）中充水具有一定液面高度时，所述的精密水压传感器（7)则由于水头差产生一定读数，当所述的漏斗细管(5)或漏斗空腔(4)中水液面发生变化时，传感器的读数会发生相应的变化。
本本发明所述的全自动扩散气泡冲刷测量仪与非饱和土土水特征曲线压力板仪（15）结合使用的具体实施步骤如下：
一、根据土工试验标准将土样（16）装入压力板仪（15），按要求装配好压力板仪。
二、打开计算机，试验开始前，检查整个管路的连通性，检查完毕后进入软件界面，点击冲刷按钮，则压力控制器（12）推动活塞将水缸（13）中的水以较快的速度冲刷陶土板（17）底部的陶土板螺旋底槽（18），最后进入气泡收集器（1），冲刷完成后，软件自动控制在气泡收集器（1）的漏斗细管（5）中形成一定的液面高度，如管路中的气泡，打开传感器接头（2）中的阀门6，则漏斗细管中的水从阀门（6）中流出，排除传感器接头（2）中的气泡，来回几次冲刷，即可排除整个管路中的气泡。
三、对压力控制器（12）施加一较小水压1kPa，使压力控制器（12）能稳定运作，即土样的孔隙水压力为1kPa，按试验方案要求的基质吸力对土样（16）施加一恒定气压，即为孔隙气压力，根据轴平移技术，所施加的基质吸力为孔隙气压力与孔隙水压力的差值。基质吸力的施加会使土中水体积发生变化，水体积变化量可从压力体积控制器读取。
四、试验过程中，由于空气的扩散在陶土板（17）底部螺旋底槽（18）累积，引起水体积变化量测误差，可通过软件设置间隔时间对扩算的气泡进行冲刷，冲刷气泡的体积计算原理如下：
首先，测记压力体积控制器（12）中水缸（13）中水体积V1和精密水压传感器P1，此时，常闭电磁阀（8）关闭冲刷开始，常闭电磁阀（8）开启，压力体积控制器（12）的活塞（14）挤压水缸（13）中的水，水流以较快速度进入螺旋底槽（18），带动螺旋底槽（18）空腔内的气泡，从螺旋底槽（18）另一个进排水口出来，经过常闭电磁阀（8）进入气泡收集器（1）的漏斗空腔（4），气泡上浮从漏斗空腔（4）中溢出，当漏斗空腔（4）中的液面上升达到一定的高度时，精密水压传感器（7）采集到水压力后反馈到计算机，由软件控制水缸压力体积控制器（12）中的活塞（14）停止运动。接着，压力体积控制器(12)中活塞往相反方向运动，使水缸(13)以较慢的速度从气泡收集器(1)中吸水，当漏斗空腔(4)中水液面下降至原先漏斗细管(5)中的某一液面高度，即此时精密水压传感器(7)原先的读数P1时，计算机软件接收到反馈信息后立即停止压力体积控制器(12)中的活塞停止运动，同时关闭常闭电磁阀(8)，然后自动测记当前的水体积，测量得到扩散气泡体积即为V=V1-V2。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，它包括：底座（11），安装在底座（11）上的气泡收集器（1）和常闭电子阀（8），所述的气泡收集器（1）底部设有气泡收集器进排水口（3）和传感器接口（2），传感器接口（2）连接有精密水压传感器（7），气泡收集器（1）内开设有漏斗空腔（4）和与漏斗空腔（4）相连的漏斗细管（5）；所述的气泡收集器进排水口（3）与常闭电子阀（8）相连，常闭电子阀（8）另一端与压力板仪（15）底部的螺旋底槽（18）进排水口相连，陶土板螺旋底槽（18）另一端与压力体积控制器（12）中的封闭水缸（13）相连。
2.根据权利要求1所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的传感器接口（2）连接排气泡阀门（6）。
3.根据权利要求1所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的精密水压传感器（7）的量程为5kPa，分辨率为1Pa，精度为5Pa，精密水压传感器（7）通过数据采集卡与计算机相连。
4.根据权利要求1所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的常闭电磁阀（8）通过电路板与压力体积控制器（12）相连。
5.根据权利要求1所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的压力体积控制器（12）通过数据采集卡于计算机相连。
6.根据权利要求1所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的封闭水缸（13）内设有活塞（14）。
7.根据权利要求1所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的漏斗细管（5）的直径为5mm，高度为200mm。
8.根据权利要求1所述的用于非饱和土试验的扩散气泡冲刷测量仪，其特征在于，所述的压力板仪（15）内的螺旋底槽（18）上部设有陶土板（17），陶土板（17）上设有土样（16）。
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