CN106950249A - 一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，装置包括激光器系统，腔体支架系统，红外检测系统，压力控制系统及数据控制处理系统。激光器系统传递调整激光；循环冷却水箱置于仓壁外侧进行降温，内壁加热炉提供稳定温度氛围，样品支护架用于固定样品并在样品上下端安装热传导探头；红外检测器获得样品表面温度变化信号，并将数据传递给温度控制器；压力控制系统通过高压气舱进行分梯度加压；最终以上数据实时同步传递至计算机处理系统。控制激光器发射激光照射试样正面使试样上表面温度瞬时升高，观察并记录试样下表面瞬态温升情况，得出不同压力下导热率变化情况。

Description

一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程试验技术领域，具体是一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置。

背景技术

岩石的导热率是岩石热物性中最主要的性质，代表了岩石的导热能力，研究不同压力下岩石的导热率，可用于研究岩石应用，即对大地热流、地壳热结构、深部岩石变质作用及热演化等的分析，亦是研究工程岩体内空气与围岩热交换的关键，是针对于冻土工程、核废料填埋工程、深部煤炭开挖等工程应用的基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，首次通过改变气压，营造不同压力条件氛围并利用激光闪射法测试岩石的导热率。具有实时性强、周期短、精度高、操作简便、可重复性强的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，包括激光器系统，腔体支架系统，红外检测系统，压力控制系统及数据控制处理系统；

所述激光器系统由激光发射器、光纤、脉冲检测器、光路调整器及石英窗片组成；激光发射器发射激光通过光纤传递，脉冲检测器检测激光信号并传递给光路调整器，最终通过石英窗片发射到腔体支架系统；

所述腔体支架系统包括循环冷却水箱、第一热传导探头、样品支护架、样品舱、第二热传导探头、固定弹簧、带孔顶紧螺栓及内壁加热炉；循环冷却水箱置于仓壁外侧利用冷水流动进行降温，第一热传导探头及第二热传导探头将温度数据传递给温度控制器，样品支护架固定样品，内壁加热炉提供腔体所需温度；

红外检测系统包括光圈、红外镜头、红外检测器、温度控制器；红外检测器利用红外线的热能使得检测器的温度发生改变，获得样品表面温度变化信号，并将数据传递给温度控制器；

压力控制系统包括压力表、阀门、加压泵、高压气舱，提供并控制所需压力，压力表测试腔体内部压力值及加压泵与高压气舱之间压力值，阀门控制加压泵及高压气舱开合，并检验其气密性；

数据控制处理系统包括数据输出端、装置总控板、计算机处理系统及供电单元，数据输出端向计算机处理系统实时同步输出数据，并利用计算机处理系统处理数据，装置总控板可调控压力和温度的高低，供电单元为各系统提供电力支持。

通过改变气压，营造不同压力条件氛围并利用激光闪射法测试岩石的导热率。

在所述样品支护架设置围绕样品四根可拆卸竖杆，竖杆上皆装配传感器，用于固定样品并确定样品移动变形轨迹及测试样品外表面温度。

在所述样品支护架下端利用带孔顶紧螺栓将其与下部结构相连固定，螺栓中空结构便于下部红外检测系统检测上部传来的信号，减少误差。

在所述压力控制系统处设置双阀门与压力表，以检验气密性，保证气密性良好。

在所述试样下部热传导探头背面设置四个固定弹簧，提供一个不影响力学实验的压力，抵消因压力改变而造成装置之间的相对位移。

在所述样品下表面设置热传导探头，同时样品舱下侧设置红外检测器，不同位置的温度检测有效减少气压对激光闪射法测导热率的影响。

本发明进一步公开了一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验方法，包括如下步骤：

步骤一：试验前检测高压气舱内部条件，开合第一阀门及第二阀门，并通过第一压力表及第二压力表检测系统气密性；补充循环冷却水箱内部水量；开启供电单元，检测各单元通电情况；

步骤二：利用游标卡尺和电子秤对试件的质量和尺寸进行测量并记录，并计算出其他的参数，试样的厚度依据其已有资料的热扩散系数决定，要求试样无开口气孔或贯通气孔，磨光试样端面并使两端面平行，保证其两端面与第一热传导探头及第二热传导探头接触良好；测试前在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层，阻止激光射线并可观察波长段热辐射的穿透；

步骤三：将试件安装于样品舱中，固定好第一热传导探头及第二热传导探头，拧紧带孔顶紧螺栓，并安装后好样品支护架的支护竖杆；

步骤四：通过装置总控板调节气压，分级加压，每个压力梯度达到稳定时，通过温度控制器开启内壁加热炉，开始加热至腔体达到所需的温度并保持稳定，通过装置总控板调节压力控制系统，打开第一阀门，读取第一压力表数值，待稳定后打开第二阀门，待第二压力表稳定后读取数值，此时第二压力表的数值即腔体内部的数值；

步骤五：开始给激光发射器电容组充电，激光脉冲照射试样正面使试样上表面温度瞬时升高，第一热传导探头将试样上表面温度信号传递给温度控制器，同时第二热传导探头将试样下表面温度信号传递给温度控制器，记录热流变化量，温度控制器将数据通过数据输出端传递给计算机处理系统，计算机处理系统绘出试样下表面瞬态温升曲线并通过以上数据计算出导热率测量值；

步骤六：利用循环冷却水箱冷却腔体，达到同样温度时继续加压，上升一个压力梯度时重复上述步骤，利用计算机处理系统绘出不同压力下导热率变化曲线；

步骤七：根据不同试验要求，控制不同压力，不同温度环境即改变内壁加热炉的温度值来重复性进行上述步骤，获得重复性实验结果。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，首次在不同压力条件下利用激光闪射法测试岩石的导热率，通过全新设计的试验装置有效综合温度、压力两种对岩石力学主要影响因素，使得模拟试验更加完善，所得出的试验数据更加真实全面，测量精度高、测试周期短和测试温度范围宽。

附图说明

图1为一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置的结构示意图；

图2为本发明的模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验结构框图；

图3为一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置样品支架布置图；

图中，A1—激光发射器、A2—光纤、A3—脉冲检测器、A4—光路调整器、A5—石英窗片，B1—循环冷却水箱、B2—第一热传导探头、B3—样品支护架(B31-样品支护架竖杆、B32-样品支护架竖杆传感器)、B4—样品舱、B5—第二热传导探头、B6—固定弹簧、B7—带孔顶紧螺栓、B8—内壁加热炉，C1—光圈、C2—红外镜头、C3—红外检测器、C4—温度控制器，D1—第一压力表、D2—第一阀门、D3—加压泵、D4—第二压力表、D5—第二阀门、D6—高压气舱，E1—数据输出端、E2—装置总控板、E3—计算机处理系统，E4—供电单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

请参阅图1，本发明实施例中，一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，由激光器系统，腔体支架系统，红外检测系统，压力控制系统及数据控制处理系统组成：

激光器系统包括激光发射器A1、光纤A2、脉冲检测器A3、光路调整器A4、石英窗片A5，激光发射器A1发射激光通过光纤A2传递，脉冲检测器A3检测由光纤A2传递来的激光信号，避免系统自热并通过监测减少系统总能耗，激光继续通过光纤A2向下传递给光路调整器A4，准确调整光路并最终通过石英窗片A5发射到腔体支架系统。

腔体支架系统包括循环冷却水箱B1、第一热传导探头B2、样品支护架B3、样品舱B4、第二热传导探头B5、固定弹簧B6、带孔顶紧螺栓B7、内壁加热炉B8，循环冷却水箱B1布置于样品支护架B3仓壁外侧一周，控制装置总控板在需要降温的时候开启循坏冷却水箱B1,冷水即流过样品支护架B3外舱壁进行降温，第一热传导探头B2及第二热传导探头B5采用Hot Disk 5501(Kapton)探头，探头压力极限为60Mpa，第一热传导探头B2及第二热传导探头B5将数据传递给温度控制器C4，第一热传导探头B2及第二热传导探头B5与样品支护架B3相连，样品支护架B3围绕样品舱B4一周立有四根可拆卸竖杆B3-1，竖杆上皆装配传感器B3-2，用于固定样品并确定样品移动变形轨迹及测试样品外表面温度，起到监测的作用第二，热传导探头B5固定在样品舱B4下侧，用于下托样品并测量样品下表面温度，测量热流通过量，并将数据传递给温度控制器C4，第二热传导探头B5下侧安装四个固定弹簧B6，提供一个不影响力学实验的压力，用于抵消因压力改变而造成第一热传导探头B2、样品及第二热传导探头B5相对位移，保证第一热传导探头B2及第二热传导探头B5紧贴样品上下表面，带孔顶紧螺栓B7将样品支护架B3整体与下部结构相连，带孔顶紧螺栓B7中空结构便于下部红外检测系统检测上部传来的信号，腔体支架系统内壁含有加热炉B8，可进行加热，提供腔体所需温度，由温度控制器C4控制。

红外检测系统包括光圈C1、红外镜头C2、红外检测器C3、温度控制器C4，光圈C1透光并将激光向下传递于红外镜头C2，红外检测器C3利用红外线的热能使得检测器的温度发生改变，获得样品表面温度变化信号，并将数据传递给温度控制器C4，温度控制器C4的显示屏可以显示来自第一热传导探头B2传来的样品上表面温度、第二热传导探头B5所传来的样品下表面温度、及红外检测器C3所检测的样品下部温度，并且可以调控腔体支架系统内壁加热，控制腔内温度高低。

压力控制系统包括第一压力表D1、第一第一阀门D2、加压泵D3、第二压力表D4、第二第二阀门D5、高压气舱D6，第一压力表D1置于腔体支架系统与压力控制系统连接处，测试腔体内部即样品舱B4的压力值，第一第一阀门D2控制加压泵D3的开合，第二压力表D4位于加压泵D3与高压气舱D6之间，监测高压气舱D6的气密性，第二第二阀门D5控制高压气舱的开合，高压气舱D6输入并储存压缩空气。

数据控制处理系统包括数据输出端E1、装置总控板E2、计算机处理系统E3，供电单元E4，数据输出端E1与计算机处理系统E3相连，向计算机处理系统E3实时同步输出数据，并利用计算机处理系统E3处理数据，同步绘出不同压力下岩石导热率的曲线图，装置总控板E2与激光器系统和压力控制系统相连，可调控压力和温度的高低，供电单元E4为各系统提供电力支持，控制供电。

所述的模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)调试检测仪器：检测高压气舱D6内部条件及压缩气体含量，开合第一阀门D2及第二阀门D5，并通过第一压力表D1及第二压力表D4检测系统气密性；补充循环冷却水箱B1内部水量；开启供电单元E4，检测各项指标；

(2)试件加工处理：利用游标卡尺和电子秤对试件的质量和尺寸进行测量并记录，并计算出其他的参数，试样的厚度依据其已有资料的热扩散系数决定，要求试样无开口气孔或贯通气孔，磨光试样端面并使两端面平行，保证其两端面与第一热传导探头B2及第二热传导探头B5接触良好。测试前在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层，阻止激光射线并可观察波长段热辐射的穿透。

(3)试件安装：将试件安装于样品舱B4中，固定好第一热传导探头B2及第二热传导探头B5，拧紧带孔顶紧螺栓B7，并安装后好样品支护架B3的支护竖杆。

(4)试验开始：通过装置总控板E2调节气压，分级加压，每个压力梯度达到稳定时，通过温度控制器C4开启内壁加热炉B8，开始加热至腔体达到所需的温度并保持稳定，通过装置总控板E2调节压力控制系统，打开第一阀门D2，读取第一压力表D1数值，待稳定后打开第二阀门D5，待第二压力表D4稳定后读取数值，此时第二压力表D4的数值即腔体内部的数值。

开始给激光发射器A1电容组充电，激光脉冲照射试样正面使试样上表面温度瞬时升高，第一热传导探头B2将试样上表面温度信号传递给温度控制器C4，同时第二热传导探头B5将试样下表面温度信号传递给温度控制器C4，记录热流变化量，温度控制器C4将数据通过数据输出端E1传递给计算机处理系统E3，计算机处理系统E3绘出试样下表面瞬态温升曲线并通过以上数据计算出导热率测量值。

利用循环冷却水箱B1冷却腔体，达到同样温度时继续加压，上升一个压力梯度时重复上述步骤，利用计算机处理系统E3绘出不同压力下导热率变化曲线。

(5)重复试验：根据不同试验要求，控制不同压力，不同温度环境即内壁加热炉B8的温度值来重复性进行上述步骤，获得重复性实验结果。

本发明首次在不同压力条件下利用激光闪射法测试岩石的导热率，通过全新设计的试验装置有效综合温度、压力两种对岩石力学主要影响因素，使得模拟试验更加完善，所得出的试验数据更加真实全面，测量精度高、测试周期短和测试温度范围宽。

本发明为模拟不同压力情况下岩石导热系数变化等一系列试验研究提供了一个精确平台，通过计算机控制压力及温度高低，实时且精确，使试验具有可重复性，可模拟性；针对数值模拟，可以通过基于本发明基础上的相关试验，来补充试验结果，使试验具有补充性与验证性。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，其特征在于：包括激光器系统，腔体支架系统，红外检测系统，压力控制系统及数据控制处理系统；

所述激光器系统由激光发射器、光纤、脉冲检测器、光路调整器及石英窗片组成；激光发射器发射激光通过光纤传递，脉冲检测器检测激光信号并传递给光路调整器，最终通过石英窗片发射到腔体支架系统；

所述腔体支架系统包括循环冷却水箱、第一热传导探头、样品支护架、样品舱、第二热传导探头、固定弹簧、带孔顶紧螺栓及内壁加热炉；循环冷却水箱置于仓壁外侧利用冷水流动进行降温，第一热传导探头和第二热传导探头将温度数据传递给温度控制器，样品支护架固定样品，内壁加热炉提供腔体所需温度；

红外检测系统包括光圈、红外镜头、红外检测器、温度控制器；红外检测器利用红外线的热能使得检测器的温度发生改变，获得样品表面温度变化信号，并将数据传递给温度控制器；

压力控制系统包括压力表、阀门、加压泵、高压气舱，提供并控制所需压力，压力表测试腔体内部压力值及加压泵与高压气舱之间压力值，阀门控制加压泵及高压气舱开合，并检验其气密性；

数据控制处理系统包括数据输出端、装置总控板、计算机处理系统及供电单元，数据输出端向计算机处理系统实时同步输出数据，并利用计算机处理系统处理数据，装置总控板可调控压力和温度的高低，供电单元为各系统提供电力支持。

2.根据权利要求1所述的一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，其特征在于：通过改变气压，营造不同压力条件氛围并利用激光闪射法测试岩石的导热率。

3.根据权利要求1所述的一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，其特征在于：在所述样品支护架设置围绕样品四根可拆卸竖杆，竖杆上皆装配传感器，用于固定样品并确定样品移动变形轨迹及测试样品外表面温度。

4.根据权利要求1所述的一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，其特征在于：在所述样品支护架下端利用带孔顶紧螺栓将其与下部结构相连固定，螺栓中空结构便于下部红外检测系统检测上部传来的信号，减少误差。

5.根据权利要求1所述的一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，其特征在于：在所述压力控制系统处设置双阀门与压力表，以检验气密性，保证气密性良好。

6.根据权利要求1所述的一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，其特征在于：在所述试样下部热传导探头背面设置四个固定弹簧，提供一个不影响力学实验的压力，抵消因压力改变而造成装置之间的相对位移。

7.根据权利要求1所述的一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验装置，其特征在于：在所述样品下表面设置热传导探头，同时样品舱下侧设置红外检测器，不同位置的温度检测有效减少气压对激光闪射法测导热率的影响。

8.采用权利要求1所述的一种模拟不同压力下测试岩石导热率的分析实验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：试验前检测高压气舱内部条件，开合第一阀门及第二阀门，并通过第一压力表及第二压力表检测系统气密性；补充循环冷却水箱内部水量；开启供电单元，检测各单元通电情况；

步骤二：利用游标卡尺和电子秤对试件的质量和尺寸进行测量并记录，并计算出其他的参数，试样的厚度依据其已有资料的热扩散系数决定，要求试样无开口气孔或贯通气孔，磨光试样端面并使两端面平行，保证其两端面与第一热传导探头及第二热传导探头接触良好；测试前在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层，阻止激光射线并可观察波长段热辐射的穿透；

步骤三：将试件安装于样品舱中，固定好第一热传导探头及第二热传导探头，拧紧带孔顶紧螺栓，并安装后好样品支护架的支护竖杆；

步骤四：通过装置总控板调节气压，分级加压，每个压力梯度达到稳定时，通过温度控制器开启内壁加热炉，开始加热至腔体达到所需的温度并保持稳定，通过装置总控板调节压力控制系统，打开第一阀门，读取第一压力表数值，待稳定后打开第二阀门，待第二压力表稳定后读取数值，此时第二压力表的数值即腔体内部的数值；

步骤五：开始给激光发射器电容组充电，激光脉冲照射试样正面使试样上表面温度瞬时升高，第一热传导探头将试样上表面温度信号传递给温度控制器，同时第二热传导探头将试样下表面温度信号传递给温度控制器，记录热流变化量，温度控制器将数据通过数据输出端传递给计算机处理系统，计算机处理系统绘出试样下表面瞬态温升曲线并通过以上数据计算出导热率测量值；

步骤六：利用循环冷却水箱冷却腔体，达到同样温度时继续加压，上升一个压力梯度时重复上述步骤，利用计算机处理系统绘出不同压力下导热率变化曲线；

步骤七：根据不同试验要求，控制不同压力，不同温度环境即改变内壁加热炉的温度值来重复性进行上述步骤，获得重复性实验结果。