CN105044147A - 一种近相变区冻土导热系数测定装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种稳态法测定近相变区冻土导热系数的装置与方法，尤其适用于高温段内多个温度点下测量冻土导热系数变化。该装置由恒温装置Ⅰ、恒温装置Ⅱ、管状土样室、热流传感器、冷液循环板、探针型温度传感器Ⅰ、探针型温度传感器Ⅱ组成。冷液循环板分别放在管状土样室的左右两端，在其中一端设有热流传感器。冷液循环板与通过硅胶管与高低温恒温液体循环装置Ⅰ、Ⅱ连接，探针型温度传感器插进管状土样室中，两端的冷液循环板通过硅胶管与恒温装置相连，通过恒温装置控制冻土试样两端温度值为该试样相变区最高和最低温度值。其结构简单，测量方法简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种导热系数测定装置和方法，尤其适用于高温段内多个温度点下测量冻土导热系数变化的近相变区冻土导热系数测定装置和方法。
背景技术
冻土导热系数测量是评价冻土材料传热性能和热工稳定性的重要指标。现有冻土导热系数测量方法主要两类：基于稳态法和基于瞬态法。基于瞬态法的导热系数测试仪器测试原理是测试探头瞬间释放热量，然后探测温升梯度，进而计算被测材料导热系数，这对于低温状态冻土（温度远离相变区）和融土（不受相变干扰）导热系数测量是可行的，但是近相变区冻土由于其冰、水相变会受到仪器探头瞬间加热干扰造成测试结果失真。基于稳态法的测试仪器和装置测试精度强烈依赖于被测冻土试样中温度分布的线性度，获得的导热系数是定值。而相变区冻土中形成的温度梯度和相应的导热系数沿冻土高度动态变化。因此，基于稳态法的导热系数测定结果与相变区冻土导热系数真实分布模式与具体量值方面存在本质差异。
发明内容
发明目的：针对上述技术问题，提供一种结构简单，使用方便快捷，精度高的近相变区冻土导热系数测定装置和方法。
为实现上述技术目的目的，本发明的近相变区冻土导热系数测定装置，包括两端开口横置的管状土样室，管状土样室两侧分别设有起支撑作用的固定板，管状土样室内部设有冻土试样，冻土试样上安装有热流传感器，管状土样室两端开口处分别设有冷液循环板密封冻土试样，两侧液体循环板上分别连接有两根硅胶管，一侧的冷液循环板通过两根硅胶管连接有恒温装置Ⅰ，另一侧的冷液循环板通过两根硅胶管连接有恒温装置Ⅱ；管状土样室由内到外分别设有内隔热层、保温绝热夹层和外隔热层，管状土样室的圆柱面上按管状土样室的对称两侧位置上分别开有两组各有4个传感器孔，开在管状土样室一侧位置的传感器孔内安装有探针型温度传感器Ⅰ，开在管状土样室另一侧位置的传感器孔内安装有探针型温度传感器Ⅱ，探针型温度传感器Ⅰ和探针型温度传感器Ⅱ通过头部感温，探针型温度传感器Ⅰ插入至冻土试样的中间位置，探针型温度传感器Ⅱ插入冻土试样的表皮即可。
所述内隔热层为壁厚15～20mm的有机玻璃管，外隔热层为壁厚10～15mm的有机玻璃管，保温绝热夹层为聚氯乙烯泡沫塑料空心层或者真空层结构；所述高低温恒温液体循环装置Ⅰ和高低温恒温液体循环装置Ⅱ型号为XT5704LT-R30C；所述探针型温度传感器Ⅰ、探针型温度传感器Ⅱ和热流传感器的型号分别为MF5E-2.202F和GHT-1C。
一种近相变区冻土导热系数测定方法，其步骤如下：
a.将与管状土样室内部空腔尺寸相同的待测冻土试样安设在管状土样室中；
b.利用冷液循环板将管状土样室两侧的端口封堵起来，在冻土试样的一侧与冷液循环板之间安装热流传感器，将管状土样室两侧的端口与冷液循环板的边缘密封；
c.利用两根硅胶管将安装有热流传感器的管状土样室一侧的冷液循环板与恒温装置Ⅰ连接，利用另外两根硅胶管将管状土样室另一侧的冷液循环板与恒温装置Ⅱ连接起来；
d.将4支探针型温度传感器Ⅰ通过开在管状土样室一侧位置的传感器孔插入至冻土试样的中间位置，将4支探针型温度传感器Ⅱ通过开在管状土样室另一侧的传感器孔插入冻土试样的表皮；
e.开启恒温装置Ⅰ和恒温装置Ⅱ，设定恒温装置Ⅰ的温度为近相变区冻土最低温度，设定恒温装置Ⅱ的温度为近相变区冻土最高温度；
f.开启恒温装置Ⅰ和恒温装置Ⅱ后，利用针型温度传感器Ⅰ和探针型温度传感器Ⅱ采集冻土试样温度，并将温度信息发送给计算机，计算机监控接收到的温度信息，当数值变化稳定后，连同同一时间热流传感器发送的数值信息一并记录下来；
g.根据预先测量的冻土试样截面积S，热流量Q，相邻测点间距H和温差ΔT，以及测量时间t，利用公式：QH/(QtΔT）计算不同温度点下被测冻土试样的导热系数。
有益效果：
1.利用本发明装置中温度测点数量可根据被测冻土试样实际条件动态增减，达到获得近相变区多个温度点下冻土导热系数的目的。
2.本发明装置径向采用两层低导热系数材料的有机玻璃桶和保温绝缘材料保温，各层中间为空气夹层，最大限度降低了冻土径向热量损失，提高了测试精度。
3.本发明装置操作简单，热流量测定可以采用现有热流计，也可联合现有瞬态法间接获得。
附图说明
附图1为本发明装置整体结构剖面图；
附图2为管状土样室的立体图
附图3为管状土样室的截面图；
附图4为冷液循环板的立体图；
附图5为热流传感器的立体图；
图中：冷液循环板-1，管状土样室-2，内隔热层-3，保温绝热夹层-4，外隔热层-5，固定板-6，探针型传感器Ⅰ-7，探针型传感器Ⅱ-8，热流传感器-9，冻土试样-10，硅胶管-11，恒温装置Ⅰ-12，恒温装置Ⅱ-13，传感器测试孔-14。
具体实施方式
下面结合附图和本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的近相变区冻土导热系数测定装置，其包括两端开口横置的管状土样室2，如图2所示，管状土样室2两侧分别设有起支撑作用的固定板6，管状土样室2内部设有冻土试样10，如图5所示，冻土试样10上安装有热流传感器9，管状土样室2两端开口处分别设有冷液循环板1用来密封冻土试样10，两侧液体循环板1上分别连接有两根硅胶管11，如图4所示，一侧的冷液循环板1通过两根硅胶管11连接有恒温装置Ⅰ12，另一侧的冷液循环板1通过两根硅胶管11连接有恒温装置Ⅱ13；如图3所示，管状土样室2由内到外分别设有内隔热层3、保温绝热夹层4和外隔热层5，所述内隔热层3为壁厚15～20mm的有机玻璃管，外隔热层5为壁厚10～15mm的有机玻璃管，保温绝热夹层4为聚氯乙烯泡沫塑料空心层或者真空层结构；管状土样室2的圆柱面上按管状土样室2的对称两侧位置上分别开有两组各有4个传感器孔14，开在管状土样室2一侧位置的传感器孔14内安装有探针型温度传感器Ⅰ7，开在管状土样室2另一侧位置的传感器孔14内安装有探针型温度传感器Ⅱ8，探针型温度传感器Ⅰ7和探针型温度传感器Ⅱ8通过头部感温，探针型温度传感器Ⅰ7插入至冻土试样10的中间位置，探针型温度传感器Ⅱ8插入冻土试样10的表皮即可。所述高低温恒温液体循环装置Ⅰ12和高低温恒温液体循环装置Ⅱ13型号为XT5704LT-R30C；所述探针型温度传感器Ⅰ7、探针型温度传感器Ⅱ8和热流传感器9的型号分别为MF5E-2.202F和GHT-1C。
一种使近相变区冻土导热系数测定方法，其步骤如下：
a.将与管状土样室2内部空腔尺寸相同的待测冻土试样10安设在管状土样室2中；
b.利用冷液循环板1将管状土样室2两侧的端口封堵起来，在冻土试样10的一侧与冷液循环板1之间安装热流传感器9，将管状土样室2两侧的端口与冷液循环板1的边缘密封；
c.利用两根硅胶管11将安装有热流传感器9的管状土样室2一侧的冷液循环板1与恒温装置Ⅰ12连接，利用另外两根硅胶管11将管状土样室2另一侧的冷液循环板1与恒温装置Ⅱ13连接起来；
d.将4支探针型温度传感器Ⅰ7通过开在管状土样室2一侧位置的传感器孔14插入至冻土试样10的中间位置，将4支探针型温度传感器Ⅱ8通过开在管状土样室2另一侧的传感器孔14插入冻土试样10的表皮；
e.开启恒温装置Ⅰ12和恒温装置Ⅱ13，设定恒温装置Ⅰ12的温度为近相变区冻土最低温度（约为-2℃），设定恒温装置Ⅱ13的温度为近相变区冻土最高温度（约为0℃）；
f.开启恒温装置Ⅰ12和恒温装置Ⅱ13后，利用针型温度传感器Ⅰ7和探针型温度传感器Ⅱ8采集冻土试样10温度，并将温度信息发送给计算机，计算机监控接收到的温度信息，当数值变化稳定后，连同同一时间热流传感器9发送的数值信息一并记录下来；
g.根据预先测量的冻土试样截面积S，热流量Q，相邻测点间距H和温差ΔT，以及测量时间t，利用公式：QH/(QtΔT计算不同温度点下被测冻土试样10的导热系数。
Claims (5)
1.一种近相变区冻土导热系数测定装置，其特征在于：包括两端开口横置的管状土样室（2），管状土样室（2）两侧分别设有起支撑作用的固定板（6），管状土样室（2）内部设有冻土试样（10），冻土试样（10）上安装有热流传感器（9），管状土样室（2）两端开口处分别设有冷液循环板（1）密封冻土试样（10），两侧液体循环板（1）上分别连接有两根硅胶管（11），一侧的冷液循环板（1）通过两根硅胶管（11）连接有恒温装置Ⅰ（12），另一侧的冷液循环板（1）通过两根硅胶管（11）连接有恒温装置Ⅱ（13）；管状土样室（2）由内到外分别设有内隔热层（3）、保温绝热夹层（4）和外隔热层（5），管状土样室（2）的圆柱面上按管状土样室（2）的对称两侧位置上分别开有两组各有4个传感器孔（14），开在管状土样室（2）一侧位置的传感器孔（14）内安装有探针型温度传感器Ⅰ（7），开在管状土样室（2）另一侧位置的传感器孔（14）内安装有探针型温度传感器Ⅱ（8），探针型温度传感器Ⅰ（7）和探针型温度传感器Ⅱ（8）通过头部感温，探针型温度传感器Ⅰ（7）插入至冻土试样（10）的中间位置，探针型温度传感器Ⅱ（8）插入冻土试样（10）的表皮即可。
2.根据权利要求1所述的近相变区冻土导热系数测定装置，其特征在于：所述内隔热层（3）为壁厚15～20mm的有机玻璃管，外隔热层（5）为壁厚10～15mm的有机玻璃管，保温绝热夹层（4）为聚氯乙烯泡沫塑料空心层或者真空层结构。
3.根据权利要求1所述的近相变区冻土导热系数测定装置，其特征在于：所述高低温恒温液体循环装置Ⅰ（12）和高低温恒温液体循环装置Ⅱ（13）型号为XT5704LT-R30C。
4.根据权利要求1所述的近相变区冻土导热系数测定装置，其特征在于：所述探针型温度传感器Ⅰ（7）、探针型温度传感器Ⅱ（8）和热流传感器（9）的型号分别为MF5E-2.202F和GHT-1C。
5.一种使用权利要求1所述装置的近相变区冻土导热系数测定方法，其特征在于步骤如下：
a.将与管状土样室（2）内部空腔尺寸相同的待测冻土试样（10）安设在管状土样室（2）中；
b.利用冷液循环板（1）将管状土样室（2）两侧的端口封堵起来，在冻土试样（10）的一侧与冷液循环板（1）之间安装热流传感器（9），将管状土样室（2）两侧的端口与冷液循环板（1）的边缘密封；
c.利用两根硅胶管（11）将安装有热流传感器（9）的管状土样室（2）一侧的冷液循环板（1）与恒温装置Ⅰ（12）连接，利用另外两根硅胶管（11）将管状土样室（2）另一侧的冷液循环板（1）与恒温装置Ⅱ（13）连接起来；
d.将4支探针型温度传感器Ⅰ（7）通过开在管状土样室（2）一侧位置的传感器孔（14）插入至冻土试样（10）的中间位置，将4支探针型温度传感器Ⅱ（8）通过开在管状土样室（2）另一侧的传感器孔（14）插入冻土试样（10）的表皮；
e.开启恒温装置Ⅰ（12）和恒温装置Ⅱ（13），设定恒温装置Ⅰ（12）的温度为近相变区冻土最低温度，设定恒温装置Ⅱ（13）的温度为近相变区冻土最高温度；
f.开启恒温装置Ⅰ（12）和恒温装置Ⅱ（13）后，利用针型温度传感器Ⅰ（7）和探针型温度传感器Ⅱ（8）采集冻土试样（10）温度，并将温度信息发送给计算机，计算机监控接收到的温度信息，当数值变化稳定后，连同同一时间热流传感器（9）发送的数值信息一并记录下来；
g.根据预先测量的冻土试样截面积S，热流量Q，相邻测点间距H和温差ΔT，以及测量时间t，利用公式：QH/(QtΔT）计算不同温度点下被测冻土试样（10）的导热系数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Address after: 221116 Research Institute of China University of Mining and Technology,, Jiangsu Applicant after: China University of Mining & Technology Address before: 221116 Research Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou University, Jiangsu, China, Applicant before: China University of Mining & Technology |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180105 Termination date: 20200710 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |