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

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：

$u=\frac{1}{1+\mathrm{Bi}}+\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m\sin \left({\mathrm{\β}}_m\right)\exp (+{{\mathrm{\β}}_m}^2{F}_0)$

其中，Bi为毕渥数，β_m为超越方程的特征根且为正根，c_m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、β_m、c_m、F₀和u公式；

Bi＝hδ/k

β_mcotβ_m＝-Bi

$c_m=\frac{2({{\mathrm{\β}}_m}^2+{\mathrm{Bi}}^2)}{{\mathrm{\β}}_m({{\mathrm{\β}}_m}^2+B{i}^2+\mathrm{Bi})}[\frac{\mathrm{Bi}}{1+\mathrm{Bi}}(\frac{\sin {\mathrm{\β}}_m}{{\mathrm{\β}}_m}-\cos {\mathrm{\β}}_m)+\cos {\mathrm{\β}}_m-1]$

$u=\frac{T-T_{\∞}}{T_2-T_{\∞}}$

$F_o=\frac{\mathrm{at}}{{\mathrm{\δ}}^2}$

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：

$u=\frac{1}{1+\mathrm{Bi}}+\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m\sin \left({\mathrm{\β}}_m\right)\exp (+{{\mathrm{\β}}_m}^2{F}_0).$

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：

$u=\frac{1}{1+\mathrm{Bi}}+\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m\sin \left({\mathrm{\β}}_m\right)\exp (-{{\mathrm{\β}}_m}^2{F}_0)$

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。