CN107589147A - 一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置及方法，包括试模、温度传感器，试模中样本两端布置铝板，铝板通过导线连接智能电阻仪。多个温度传感器连接温度采集模块，其中一个温度传感器连接温度控制开关，温度控制开关连接加热棒。所述智能电阻仪、温度采集模块均连接直流稳压电源。所述智能电阻仪、温度采集模块均连接客户端计算机。本发明能够实现对土体导热系数及电阻率的同时测量；且操作简单、准确性高、能够实时监测。

Description

一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置及方法

技术领域

本发明涉及土体导热系数和电阻率试验领域，特别是一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置及方法。

背景技术

土体的导热系数表征其导热能力的大小，是土木工程热工计算的重要参数，也是预测和评价地下工程冻结的重要指标；土体的电阻率则反映其导电能力的大小，利用土体的电阻率结构指标可以有效反映土体结构特征。作为土体固有的基本物理性质，土体导热系数和电阻率的大小取决于土体的成分、孔隙率、吸水性、含水量等诸多因素。准确快速地测定土体的导热系数和电阻率，不仅在地热、冻土工程研究方面有很大作用，在土体工程力学评价、岩土工程原位测试技术及其他领域也有着极其重要的价值。

目前，国内外学者进行了许多对土体导热系数测试方法的研究。主要分为稳态法和非稳态法。稳态法即试件内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后，借助测量试样单位面积的热流速率和温度梯度，就可以直接测定试件的导热系数。稳态法的原理简单，成本低廉，操作简便，但一般需要较长的测试时间，且对试样的尺寸要求偏大。非稳态法指通过测量确定试验加热过程中试样温度随时间的变化，然后根据测量数据计算测试过程中试样的温度变化率确定试样的热扩散率，从而计算出试样的导热系数。非稳态法的测量时间较短，但是对测量环境要求较为苛刻，仪器价格高昂且操作复杂，适合小样本测试。

现有的土体电阻率测试方法主要是二相电极法和四相电极法。二电极法是在试样两端预埋或外贴两平行电极，根据欧姆定律利用已测的试样两端的电压值和电流值计算出电阻值。该方法测试简单，实用性强，其缺点是：电极与土体的接触面积会直接影响测量结果。四相电极法是在试样内部预埋四个相等间距的平行电极，两个外侧电极通过恒定直流，两个内侧电极通恒定电压，再利用欧姆定律计算出接电压的两电极间的电阻。四相电极法不受接触电阻的影响，但电极的制作比较繁琐，费时费力，不容易控制，并且它不能消除直流电引起的极化作用的影响。

以上方法仅能对土体的导热系数和电阻率其中一项进行测量。基于此，本发明提供一种可同时测量土体导热系数和电阻率的系统装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置及方法，能够实现对土体导热系数及电阻率的同时测量；且操作简单、准确性高、能够实时监测。

本发明采取的技术方案为：

一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，包括试模、温度传感器，试模中样本两端布置铝板，铝板通过导线连接智能电阻仪。多个温度传感器连接温度采集模块，其中一个温度传感器连接温度控制开关，温度控制开关连接加热棒。所述智能电阻仪、温度采集模块均连接直流稳压电源。所述智能电阻仪、温度采集模块均连接客户端计算机。

所述试模材质为ABS塑料，且试模底部、上部以及两壁边均铺设泡沫板隔热保温。

所述两块铝板为5052铝板，两块铝板布置于样本两端，铝板与样本采用面接触。

所述温度传感器共计三只，分别布置在铝板接触两端、以及样本另一端。

所述加热棒插入样本外、盛装在试模的沙中，且与铝板保持5cm的距离。

所述温度传感器为DS18B20温度传感器。

所述温度采集模块为DAM DS1808温度采集模块。

本发明一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置及方法，通过采用上述结构，可以测量在不同温度下各种工程用土的导热系数及电阻率。该装置结构简单，操作方便，自带的数据采集系统，解决了人工计数误差较大的问题，并能够进行实时监测。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图中：试模1，铝板2，温度传感器3，加热棒4，泡沫板5，温度控制开关6，智能电阻仪7，直流稳压电源8，温度采集模块9，客户端计算机10，沙子11，土体样本12，导线 13。

具体实施方式

如图1所示，一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，包括试模1、温度传感器3。试模1中样本12两端布置铝板2，铝板2通过导线13连接智能电阻仪7。多个温度传感器3连接温度采集模块9，其中一个温度传感器连接温度控制开关6，温度控制开关6 连接加热棒4。所述智能电阻仪7、温度采集模块9均连接直流稳压电源8。所述智能电阻仪7、温度采集模块9均连接客户端计算机10。

所述试模1尺寸为：400mm×100mm×100mm(长×宽×高)，材质为ABS塑料，且试模底部、上部以及两壁边均铺设泡沫板5隔热保温。

所述样本12有效尺寸为：100mm×100mm×100mm(长×宽×高)。

所述两块铝板2尺寸为：100mm×100mm×6mm(长×宽×厚度)，为5052铝板并布置于样本12两端。为了减少空气接触电阻，铝板2与样本12采用面接触。

所述温度传感器3共计三只，分别布置在铝板2接触两端以及土体样本另一端。

所述加热棒4插入非样本模具的沙11中，且与铝板2保持5cm的距离。

所述温度控制开关6一端与一只温度传感器相连，另一端与加热棒4相连。

所述温度传感器3为DS18B20温度传感器。

所述温度采集模块9为DAM DS1808温度采集模块。

一种可同时测量土体导热系数及电阻率的方法，具体操作步骤如下：

步骤一：将待测土体样本填筑于试模1中的两块铝板2之间，并将沙11填筑于铝板2外侧的试模1中。将三个温度传感器按传热路径，分别布置在铝板2接触两端的土体样本及沙中、以及土体样本的另一端。并将加热棒4插入非样本模具的沙11中，且与铝板2 保持5cm的距离。

步骤二：打开稳压直流电源8，打开客户端计算机10中的温度、电阻采集程序，设置串口号、加热棒加热温度、采集时间间隔。并自动记录保存所采集的温度、电阻数据。

步骤三：加热棒4开始加热，待所测数据稳定，根据傅里叶热平衡方程可由所采集的温度数据计算出土体的导热系数。

步骤二中利用电阻率法，根据公式：

可得出样本土体电阻率。式中ρ为电阻率，U为内侧两电极间的电位差；I为电路中的电流强度；S为铝板面积；L为两块铝板之间的距离。

步骤三中利用热平衡方程，由于实验过程中热量是平衡的，即：

Q_铝＝Q_土体 (2)

热量从铝板2传递到土体另一端，铝板2的热传导系数可查材料导热系数表得知。

常见金属导热系数表(W/m.k)

温度(℃)	0	100	200	300
					铝	237	234	227	218
铜	384	379	372	367
					铁	73.3	67.5	61.6	54.7
铅	35.1	33.4	31.4	29.8
					镍	93.0	82.6	73.3	63.97
银	414	409	373	362
					碳钢	52.3	48.9	44.2	41.9

并且铝板2两侧稳定温差可由温度传感器测得，可求出通过土体的单位面积上的热流量，通过温度传感器测得土体两侧的温度梯度，便可求出土体的热传导系数：

式中：Q_铝、Q_土体为穿过铝板和土体的热量，λ_铝为铝板的导热系数，△T_铝为铝板两侧温度差，L_铝为铝板厚度，λ_土体为土体的导热系数，△T_土体为土体两侧的温度差，L_土体为土体试样的长度。

通过采用上述系统装置以及计算方法，能够实现对不同土体导热系数和电阻率的同时测量，改进了传统方法只能对土体导热系数和电阻率中的一项进行测量，测试准确性高，同时节省了大量时间，提高了实验效率。

Claims (10)

1.一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，包括试模(1)、温度传感器(3)，其特征在于：试模(1)中样本(12)两端布置铝板(2)，铝板(2)通过导线(13)连接智能电阻仪(7)；

多个温度传感器(3)连接温度采集模块(9)，其中一个温度传感器连接温度控制开关(6)，温度控制开关(6)连接加热棒(4)；

所述智能电阻仪(7)、温度采集模块(9)均连接直流稳压电源(8)；

所述智能电阻仪(7)、温度采集模块(9)均连接客户端计算机(10)。

2.根据权利要求1所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，其特征在于：所述试模(1)材质为ABS塑料，且试模底部、上部以及两壁边均铺设泡沫板(5)隔热保温。

3.根据权利要求1所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，其特征在于：所述两块铝板(2)为5052铝板，两块铝板布置于样本(12)两端，铝板(2)与样本(12)采用面接触。

4.根据权利要求1所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，其特征在于：所述温度传感器(3)共计三只，分别布置在铝板(2)接触两端、以及样本(12)另一端。

5.根据权利要求1所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，其特征在于：所述加热棒(4)插入样本(12)外、盛装在试模(1)的沙(11)中，且与铝板(2)保持5cm的距离。

6.根据权利要求1所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，其特征在于：所述温度传感器(3)为DS18B20温度传感器。

7.根据权利要求1所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的装置，其特征在于：所述温度采集模块(9)为DAM DS1808温度采集模块。

8.一种可同时测量土体导热系数及电阻率的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将待测土体样本填筑于试模(1)中的两块铝板(2)之间，并将沙(11)填筑于铝板(2)外侧的试模(1)中，将三个温度传感器按传热路径，分别布置在铝板(2)接触两端的土体样本及沙中、以及土体样本的另一端，并将加热棒(4)插入非样本模具的沙(11)中，且与铝板2保持一定的距离；

步骤二：打开稳压直流电源(8)，打开客户端计算机(10)中的温度、电阻采集程序，设置串口号、加热棒加热温度、采集时间间隔，并自动记录保存所采集的温度、电阻数据；

步骤三：加热棒(4)开始加热，待所测数据稳定，根据傅里叶热平衡方程可由所采集的温度数据计算出土体的导热系数。

9.根据权利要求8所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的方法，其特征在于：

步骤二中利用电阻率法，根据公式：

<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>U</mi> <mi>S</mi> </mrow> <mrow> <mi>I</mi> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

可得出样本土体电阻率，式中ρ为电阻率，U为内侧两电极间的电位差；I为电路中的电流强度；S为铝板面积；L为两块铝板之间的距离。

10.根据权利要求8所述一种可同时测量土体导热系数及电阻率的方法，其特征在于：

步骤三中利用热平衡方程，由于实验过程中热量是平衡的，即：

Q_铝＝Q_土体 (2)

热量从铝板(2)传递到土体另一端，铝板(2)的热传导系数可查材料导热系数表得知，并且铝板(2)两侧稳定温差可由温度传感器测得，求出通过土体的单位面积上的热流量，通过温度传感器测得土体两侧的温度梯度，便可求出土体的热传导系数：

式中：Q_铝、Q_土体为穿过铝板和土体的热量，λ_铝为铝板的导热系数，△T_铝为铝板两侧温度差，L_铝为铝板厚度，λ_土体为土体的导热系数，△T_土体为土体两侧的温度差，L_土体为土体试样的长度。