CN104330412A - 岩土体导热系数的非接触无损测试方法 - Google Patents

岩土体导热系数的非接触无损测试方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104330412A
CN104330412A CN201410635924.9A CN201410635924A CN104330412A CN 104330412 A CN104330412 A CN 104330412A CN 201410635924 A CN201410635924 A CN 201410635924A CN 104330412 A CN104330412 A CN 104330412A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rock
heat conductivity
measured
coefficient
soil sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410635924.9A
Other languages
English (en)
Inventor
张得煊
欧阳先庚
张国军
彭波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Normal University
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
Shanghai Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Normal University filed Critical Shanghai Normal University
Priority to CN201410635924.9A priority Critical patent/CN104330412A/zh
Publication of CN104330412A publication Critical patent/CN104330412A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

本发明岩土体导热系数的非接触无损测试方法,具体指一种无损测试岩土体样品导热系数的方法,涉及非接触无损检测技术领域。其步骤第一将待测岩土体样品置于已处于恒温状态的加热平板上。第二设置红外热像仪于待测岩土体样品正前方,启动红外热像仪获取热像图以及得出待测岩土体表面温度场随时间变化的相应数据。第三在停止加热后的最终热图像上取四个点,记录下这四点加热过程中温度随时间变化的相应数据。第四设定待测岩土体样品表面温度做无量纲后理论推算。第五假定一个导热系数,无量纲后理论推算公式进行比较分析直至无量纲后的数据与理论值相吻合为止。本发明具有非接触、远距离、实时、快速、全场测量等优点。

Description

岩土体导热系数的非接触无损测试方法
技术领域
本发明涉及非接触无损检测技术领域,具体指一种无损测试岩土体样品导热系数的方法。
背景技术
导热系数是反映岩土体导热能力大小的物理量,也称导热率,单位为W·m-2·K-1,是一个重要的热物性参数,在地源热泵技术、核废料埋设、冻土工程、石油污染、地下电缆散热、地基温度场变化及煤矿开采等众多领域有着重要的用途,并且日益受到人们的重视。对其精确测量有着非常重要理论和工程应用价值。由于导热系数随物质的成分和结构的变化较多,用实验方法确定材料导热系数几乎成为研究物质导热系数的唯一途径。
岩土体导热系数可以通过实验测量,根据导热系数的实验测量原理,其测量方法大致可以分为稳定热流法和非稳定热流法。稳定热流法的基本原理是基于稳定热状况,即实验过程中土体两侧表面保持恒定的温差,土体内部温度不随时间变化时,测试土体的温度梯度和热流,用傅里叶导热定律求解导热系数。稳定热流法可分为圆球法、平板法以及热流计法等。这些方法具有原理简单、计算方便等优点,缺点是在测试含水材料的导热系数时精确度不高。非稳定热流法是采用一定几何形状的热源,通过测量土体和热源表面温度随时间的变化来计算导热系数。非稳定热流法基本上基于热电偶原理将温度转换成电势后用电压表或检流计读出相应电压,继而得到温度,具有明显的缺点:误差较大、调节过程复杂、自动化程度低,而且测量土体内部温度时需将热电偶埋入土体之中,使热电偶周围土体遭受挤压,对土体产生了一定的破坏性,主要有探针法、热线法、热带法、常功率平面热源法以及激光闪烁法等。
还有一种测量岩土体导热系数的方法为现场热响应测试方法,该测试方法需要钻孔打井将地热换热器埋设井中。许多现场环境由于各种原因不容许遭受破坏,故不能钻孔打井取土进行试验,因此,目前本领域技术人员迫切要求一种非接触无损伤测试技术测量岩土体的导热系数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种岩土体样品导热系数的非接触无损测试方法。本发明是利用红外辐射热成像的技术原理,测定岩土体样品热分布相应的热像图的判断物体的导热系数。
为达到上述目的,本发明公开一种测定岩土体样品导热系数的方法,所述步骤包括:
第一步,将待测岩土体样品置于已处于恒温状态的加热平板上。
第二步,设置红外热像仪于待测岩土体样品正前方,启动红外热像仪采集待测岩土体样品全动态红外视频信号,红外热像仪将待测岩土体样品辐射的功率信号转换成电信号传输至具有计算储存功能的显示装置,得到待测岩土体样品表面热分布相应的热像图。待测岩土体样品在加热过程中,由于红外热像仪实时监测的特点,可以得到每个时刻的热像图以及得出待测岩土体表面温度场随时间变化的相应数据。
第三步,在停止加热后的最终热图像上取四个点,其均位于待岩测土体样品表面上,记录下这四点加热过程中温度随时间变化的相应数据。
第四步,设定待测岩土体样品表面温度做无量纲后理论推算,其公式:
u = 1 1 + Bi + Σ m = 1 ∞ c m sin ( β m ) exp ( + β m 2 F 0 )
其中,Bi为毕渥数,βm为超越方程的特征根且为正根,cm为待定系数,F0为无量纲时间,u为无量纲温度。
进一步阐述Bi、βm、cm、F0和u公式;
Bi=hδ/k
βmcotβm=-Bi
c m = 2 ( β m 2 + Bi 2 ) β m ( β m 2 + B i 2 + Bi ) [ Bi 1 + Bi ( sin β m β m - cos β m ) + cos β m - 1 ]
u = T - T ∞ T 2 - T ∞
F o = at δ 2
其中,h为对流系数,δ为待测岩土体样品厚度,k为导热系数,T为待测岩土体样品的温度,T2为加热板恒温温度,T为室内温度,a为热扩散系数,是导热系数的倒数,t为时间坐标。
第五步,假定一个导热系数,对第二步得到的待测岩土体样品表面温度场随时间变化的数据无量纲化,无量纲后并第三步的理论推算公式进行比较分析,如无量纲后的数据与理论推算公式比较吻合时,说明假定的导热系数最理想最合理,即得到待测岩土体样品的导热系数。反之,重新假定导热系数,直至无量纲后的数据与理论值相吻合为止。
所述的红外热像仪应满足以下的技术指标:
1.其所测最小温差为0.1℃。
2.其记录方式为实时数字记录。
3.空间分辨率小于2.0mrad(即100米的距离最小目标要大于20cm)。
与现有的技术相比,本发明具有以下优点:
首先,本发明是利用红外辐射对物体或材料表层进行检测的原理而进行的,红外线是一种与可见光相邻的不可见光。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后,经电子系统处理,传至显示屏上,得到与物体表面热分布相应的热像图,热像图可以清楚的判断物体的导热系数是否为等大、一致。当物体导热系数不等大,用红外热像仪捕捉物体表面温度状况时,物体表面温度分布产生差别。红外热像仪具有实时监测的功能,能得出待测物体表面温度场随时间变化的相应数据,与相应的理论公式相结合便可计算出物体导热系数。该方法具有非接触、远距离、实时、快速、全场测量等优点。
其次,根据红外热像仪的测温范围,能下至零下上至几千度,对于一般性材料表面温度都能采集监测,以得出材料的导热系数。
最后,在现有的非稳定热流法测量岩土体导热系数测得方法中,只需一台红外热像仪便代替了多个热电偶测量物体的温度,并且自动读取物体温度无需人工读数,带来了一定的方便性。
本发明克服了目前借助用热电偶测温的缺陷以及可能破坏岩土体的缺点,达到了非接触无损伤检测的目的。
附图说明
图1是本发明的测试装置原理结构示意图;
图2是本发明实施例所测得的待测土体样品表面温度分布图;
图3是本发明实施例所测得的待测土体样品表面温度随时间变化的关系图;
图4是本发明实施例求解待测土体样品导热系数的位置关系图;
图5是本发明实施步骤的流程框图。
具体的实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述
一种岩土体样品导热系数的非接触无损测试方法
本发明装置(如附图1所示)包括恒温加热板1,待测岩土体样品2,用支架架起红外热像仪3,且连接具有计算储存功能的显示装置4一笔记本电脑。
其测试步骤如下(如附图5所示):
第一步,将待测岩土体样品2置于已处于恒温状态的加热平板1上。
第二步,设置红外热像仪3于待测岩土体样品2正前方,启动红外热像仪3采集待测岩土体样品2全动态红外视频信号,红外热像仪3将待测岩土体样品2辐射的功率信号转换成电信号传输至具有计算储存功能的显示装置4的笔记本电脑,得到待测岩土体样品2表面热分布相应的热像图。待测岩土体样品2在加热过程中,由于红外热像仪3实时监测的特点,可以得到每个时刻的热像图以及得出待测岩土体表面温度场随时间变化的相应数据。
第三步,如附图2所示,在停止加热后的最终热图像上取四个点,其都位于待岩测土体样品2表面上,记录下这四点加热过程中温度随时间变化的相应数据(如附图3所示)。
第四步,设定待测岩土体样品2表面温度做无量纲后理论推算,其公式:
u = 1 1 + Bi + Σ m = 1 ∞ c m sin ( β m ) exp ( + β m 2 F 0 ) .
第五步,通过假定一个导热系数后,附图3中四个点在同一时刻所对应的温度取平均后进行温度无量纲化,时间也进行无量纲化,无量纲后与理论推算公式F0-u曲线进行比较分析,比较出最吻合的曲线时,确定该假定的导热系数最合理,即该导热系数为待测土体的导热系数。(如附图4所示),待测土体导热系数为0.65W·m-2·K-1
反之,重新假定导热系数,直至无量纲后的数据与理论值相吻合为止。
综上所述,本发明是利用红外热像检测技术具有非接触、远距离、实时、快速、等优点测量岩土体样品的导热系数,克服了目前借助用热电偶测温的缺陷以及可能破坏岩土体样品的缺点,达到了非接触无损伤测试的目的。

Claims (2)

1.一种岩土体导热系数的非接触无损测试方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,将待测岩土体样品(2)置于恒温状态下的加热平板(1)之上;
第二步,设置红外热像仪(3)于待测岩土体样品(2)正前方,启动红外热像仪(3)采集待测岩土体样品(2)全动态红外视频信号,红外热像仪(3)将待测岩土体样品(2)辐射的功率信号转换成电信号传输至具有计算储存功能的显示装置(4);
第三步,在加热平板(1)停止加热后的最终热图像上取四个点,其均位于待测岩土体样品(2)表面上,记录下这四点加热过程中温度随时间变化的相应数据。
第四步,待测岩土体样品(2)表面温度,作无量纲后理论推算,其公式:
u = 1 1 + Bi + Σ m = 1 ∞ c m sin ( β m ) exp ( - β m 2 F 0 )
第五步,假定一个导热系数,对第二步得到的待测岩土体样品(2)表面温度场随时间变化的数据无量纲化,无量纲后并第三步的理论推算公式进行比较分析,如无量纲后的数据与理论推算公式比较吻合时,说明假定的导热系数最理想最合理,即得到待测岩土体样品的导热系数,反之,重新假定导热系数,直至无量纲后的数据与理论值相吻合为止。
2.根据权利要求1所述的岩土体导热系数的非接触无损测试方法的装置,其特征在于,包括恒温加热板(1),待测岩土体样品(2),红外热像仪(3),具有计算储存功能的显示装置(4),其中,红外热像仪(3)与具有计算储存功能的显示装置(4)以电信号方式连接;所述红外热像仪(3),其所测最小温差为0.1℃;所述具有计算储存功能的显示装置(4)为一笔记本电脑,记录方式为实时数字记录,空间分辨率小于2.0mrad。
CN201410635924.9A 2014-11-12 2014-11-12 岩土体导热系数的非接触无损测试方法 Pending CN104330412A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410635924.9A CN104330412A (zh) 2014-11-12 2014-11-12 岩土体导热系数的非接触无损测试方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410635924.9A CN104330412A (zh) 2014-11-12 2014-11-12 岩土体导热系数的非接触无损测试方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104330412A true CN104330412A (zh) 2015-02-04

Family

ID=52405182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410635924.9A Pending CN104330412A (zh) 2014-11-12 2014-11-12 岩土体导热系数的非接触无损测试方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104330412A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104729926A (zh) * 2013-12-24 2015-06-24 中南大学 一种岩土实验加热装置
CN104833695A (zh) * 2015-05-14 2015-08-12 电子科技大学 基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法
CN105973929A (zh) * 2016-03-17 2016-09-28 中国科学院等离子体物理研究所 一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法
CN108593703A (zh) * 2018-04-08 2018-09-28 中国矿业大学(北京) 含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法及其验证系统
CN109100391A (zh) * 2018-08-08 2018-12-28 广东永和建设集团有限公司 一种混凝土红外检测方法
CN109813866A (zh) * 2019-01-24 2019-05-28 中南大学 非饱和冻土基质势的测量系统与测量方法
CN110130414A (zh) * 2019-05-20 2019-08-16 中铁七局集团郑州工程有限公司 一种检测地下连续墙成墙质量的方法
CN111027236A (zh) * 2019-10-30 2020-04-17 武汉大学 多相复合材料的等效导热系数的细观尺度研究方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102116749A (zh) * 2010-01-06 2011-07-06 北京工业大学 地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统
CN102323294A (zh) * 2011-08-05 2012-01-18 江亚斌 一种岩土热响应测试方法
DE102010036992A1 (de) * 2010-08-13 2012-02-16 Technische Universität Darmstadt Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Wärme- und Temperaturleitfähigkeiten einer Messprobe

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102116749A (zh) * 2010-01-06 2011-07-06 北京工业大学 地源热泵岩土有效导热系数现场测定系统
DE102010036992A1 (de) * 2010-08-13 2012-02-16 Technische Universität Darmstadt Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Wärme- und Temperaturleitfähigkeiten einer Messprobe
CN102323294A (zh) * 2011-08-05 2012-01-18 江亚斌 一种岩土热响应测试方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
圆山重直: "《传热学》", 30 September 2011 *
张艳杰等: "红外热像技术在莫高窟第98窟壁画空鼓灌浆检测中的初步应用", 《敦煌研究》 *
朱明等: "《热工工程基础》", 30 September 2014 *
李云红: "基于红外热像仪的温度测量技术及其应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
王同瑞等: "PS加固土遗址土体的红外热像检测试验研究", 《岩土力学》 *
许模等: "岩土体导热系数研究进展", 《地球科学与环境学报》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104729926A (zh) * 2013-12-24 2015-06-24 中南大学 一种岩土实验加热装置
CN104833695A (zh) * 2015-05-14 2015-08-12 电子科技大学 基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法
CN104833695B (zh) * 2015-05-14 2017-09-12 电子科技大学 基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法
CN105973929A (zh) * 2016-03-17 2016-09-28 中国科学院等离子体物理研究所 一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法
CN108593703A (zh) * 2018-04-08 2018-09-28 中国矿业大学(北京) 含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法及其验证系统
CN109100391A (zh) * 2018-08-08 2018-12-28 广东永和建设集团有限公司 一种混凝土红外检测方法
CN109100391B (zh) * 2018-08-08 2021-06-15 广东永和建设集团有限公司 一种混凝土红外检测方法
CN109813866A (zh) * 2019-01-24 2019-05-28 中南大学 非饱和冻土基质势的测量系统与测量方法
CN109813866B (zh) * 2019-01-24 2021-08-17 中南大学 非饱和冻土基质势的测量方法
CN110130414A (zh) * 2019-05-20 2019-08-16 中铁七局集团郑州工程有限公司 一种检测地下连续墙成墙质量的方法
CN111027236A (zh) * 2019-10-30 2020-04-17 武汉大学 多相复合材料的等效导热系数的细观尺度研究方法
CN111027236B (zh) * 2019-10-30 2021-09-14 武汉大学 岩土体的等效导热系数的细观尺度数值研究方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104330412A (zh) 岩土体导热系数的非接触无损测试方法
CN101246137B (zh) 用红外热像仪检测建筑围护结构传热阻/传热系数的方法
Cao et al. An improved distributed sensing method for monitoring soil moisture profile using heated carbon fibers
Albatici et al. Assessment of the thermal emissivity value of building materials using an infrared thermovision technique emissometer
Larbi Youcef et al. In situ quantitative diagnosis of insulated building walls using passive infrared thermography
CN104048993B (zh) 便携式原位浅层地温和导热系数测量装置及测试方法
CN103063328B (zh) 一种非接触式测量露天煤垛内部温度的方法和设备
Chaffar et al. Thermal characterization of homogeneous walls using inverse method
CN106124062A (zh) 一种基于历史数据的红外测温自动补偿方法
CN103091359A (zh) 基于分布式光纤温度传感的灌注桩基完整性检测系统
CN101639455A (zh) 松散煤体热物性测试方法及系统
CN105716721A (zh) 一种红外温度检测精度校正方法
CN109839406A (zh) 一种界面接触热阻的高精度测试方法
Cao et al. A field study on the application of distributed temperature sensing technology in thermal response tests for borehole heat exchangers
CN105784184A (zh) 高温拉伸试验中一种温度-应变的一体化测量方法
Sfarra et al. Precious walls built in indoor environments inspected numerically and experimentally within long-wave infrared (LWIR) and radio regions
Adamczyk et al. Measuring thermal conductivity tensor of orthotropic solid bodies
CN103644973A (zh) 监测钢结构桥梁路面温度信息的方法、装置及系统
CN103234663B (zh) 测量实际路面温度的光纤光栅传感器的标定方法
CN105466495B (zh) 一种同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚的测量方法
Zhang et al. A non-destructive method to measure the thermal properties of frozen soils during phase transition
CN201594082U (zh) 一种便携式土壤热阻系数测量装置
JP3194072U (ja) 赤外線カメラと計算ソフトを用いたインスペクション診断装置
CN105372288B (zh) 一种热流率测量仪和测量方法
Liang et al. Test on fouling detection of ballast based on infrared thermography

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20150204