CN109406580B - 实验槽及含水岩石直流视极化率测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实验槽及含水岩石直流视极化率测定装置及方法，属于教具领域。该实验槽包括实验槽本体和与其配合的压平板，实验槽本体内设置有四根中空的绝缘渗液柱。含水岩石直流视极化率测定装置包括用于检测电压的检测设备、冲洗设备和实验槽。采用该测定装置的测定方法包括配置实验岩样并填装压平，然后分别通过可调直流电压源改变供电电压，通过绝缘渗漏柱改变所有电极的埋入深度，通过进液口、出液口配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的泥质含量和溶液的矿化度，通过敲击实验槽本体的侧壁改变实验岩样的孔隙度；利用检测设备检测位于第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的曲线，进而计算视极化率。
Description
技术领域
本发明涉及教学用具技术领域，具体涉及一种实验槽及含水岩石直流视极化率测定装置及方法。
背景技术
直流激发极化法是通过向地层施加直流电压并持续一段时间后停止供电，在整个过程中，记录两个测量电极之间的电压变化，进而获取地层视极化率的一种方法。它可以广泛的用来解决金属矿产、水文地质和工程地质勘查的问题。
视极化率本身是受多种因素共同影响的，例如岩石的孔隙度、地层水的矿化度、地层水的泥质含量等。在理论上，真极化率不应受到电极系埋入的深度和供电电压的影响，但在实际勘探过程中，上述两项因素也会对视极化率有影响。
在教学过程中，上述这些因素对视极化率产生的影响，对学生而言只是结论性的、抽象的，不便于学生的认知和理解。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供能够便捷测定岩石的孔隙度、地层水的矿化度、地层水的泥质含量、电极系埋入的深度和供电电压对视极化率的影响的实验槽及含水岩石直流视极化率测定装置及方法。
为了达到上述发明的目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种实验槽，其包括实验槽本体和与实验槽本体配合的压平板，实验槽本体的材质为透明绝缘材料，实验槽本体内设置有四根中空的绝缘渗液柱，实验槽本体上设置有进液口和出液口，压平板上设置有供所有中空的绝缘渗液柱穿过的让位孔。
进一步地，实验槽本体的截面呈方形，四根绝缘渗液柱均垂直于实验槽本体的底面，四根中空的绝缘渗液柱位于同一竖直平面，该竖直平面位于实验槽本体的中轴线上。
进一步地，实验槽本体的三个角上均设置有一带刻度的中空的绝缘显示液柱。
进一步地，压平板上表面设置有把手。
本方案还提供一种含水岩石直流视极化率测定装置，其包括检测设备、冲洗设备和上述任一实验槽；检测设备包括电压测量装置和可调直流电压源；电压测量装置一端连接第二电极，另一端连接第三电极；可调电压源一端连接第一电极，另一端连接第四电极；冲洗设备包括与进液口连接的进液管，进液管与水泵连接，出液口上设置有出液阀。
进一步地，进液口的数量为三个，三个绝缘显示液柱的顶端分别作为一个进液口；出液口的数量为一个，其位于实验槽本体的另一个角。
进一步地，电压测量装置为信号采集卡。
进一步地，实验槽本体设置在用于调整其水平度的水平台上。
进一步地，水平台包括平台板，平台板下方设置有三个调节支撑腿，每个调节支撑腿包括与平台板连接的上支撑腿，上支撑腿的底端通过螺母与下支撑腿连接，相邻上支撑腿之间均设置有支撑架。
另外，本方案还提供一种采用上述实验装置实验装置检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
配置实验岩样，并将其填装入实验槽本体后，利用压平板压平；
将第一电极、第二电极、第三电极和第四电极分别放入一个绝缘渗液柱中，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第一曲线；
通过可调直流电压源改变供电电压；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第二曲线；
通过绝缘渗漏柱同时改变所有电极的埋入深度；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第一曲线；
通过进液口、出液口配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的泥质含量；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第三曲线；
通过敲击实验槽本体的侧壁改变实验岩样的孔隙度；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第四曲线；
通过进液口、出液口配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的矿化度；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第五曲线；
根据第一至第五曲线，计算实验岩样的视极化率。
本发明的有益效果为：
应用时，利用实验岩样模拟岩石在地层的状态，将实验岩样填装入实验槽本体内，利用压平板调整实验岩样的形状。并将第一电极、第二电极、第三电极和第四电极分别放入一个绝缘渗液柱中，利用检测设备检测位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的曲线，进而计算该实验岩样的视极化率。
分别单独通过可调直流电压源改变供电电压，通过绝缘渗漏柱改变电极系的埋入深度，通过进液口、出液口配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的泥质含量，通过敲击实验槽本体的侧壁改变实验岩样的孔隙度，通过进液口、出液口配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的矿化度。并结合控制单一变量的方法，便捷实现了岩石的孔隙度、地层水的矿化度、地层水的泥质含量、电极系埋入的深度和供电电压对视极化率的影响的测定，大大加深了学生对视极化率影响因素的认知和理解。并且该装置结构简单，操作方便，可由学生进行应用操作，进一步加强了学生对视极化率影响因素的认知和理解。
附图说明
图1为具体实施例中实验槽的俯视示意图；
图2为图1的正视示意图；
图3为具体实施例中压平板的结构示意图；
图4为具体实施例中水平台的正视示意图；
图5为图4的俯视示意图。
其中，1、实验槽本体；2、绝缘渗液柱；3、绝缘显示液柱；4、出液口；5、压平板；6、让位孔；7、平台板；8、支撑架；9、上支撑腿10、螺母；11、下支撑腿。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，该实验槽包括实验槽本体1和与实验槽本体1配合的压平板5，实验槽本体1的材质为透明绝缘材料，实验槽本体1内设置有四根中空的绝缘渗液柱2，实验槽本体1上设置有进液口和出液口4，压平板5上设置有供所有中空的绝缘渗液柱2穿过的让位孔6。
在实施时，本方案优选：实验槽本体1的截面呈方形，其四周设置有刻度，以更加方便孔隙度、矿化度的定量计算。四根绝缘渗液柱2均垂直于实验槽本体1的底面，四根中空的绝缘渗液柱2位于同一竖直平面，该竖直平面位于实验槽本体1的中轴线上。
实验槽本体1的长为40cm，宽为40cm，高为20cm，壁厚为0.5cm；每个绝缘渗液柱2的内径均为0.5cm，外径均为1.5cm，高度均为20cm，相邻绝缘渗液柱2之间的距离为10cm，实验槽本体1的侧壁与所有绝缘渗液柱2之间距离的最小值为5cm。
另外，实验槽本体1的三个角上均设置有一带刻度的中空的绝缘显示液柱3，在应用时需要在每个绝缘显示液柱3内加上滤网，以确保实验岩样中的溶液和泥质可以进入，而砂子不能进入，以方便读取绝缘显示液柱3内液体的高度而判断实验槽本体1是否水平。并在绝缘渗液柱2加上滤网，以确保实验岩样中的溶液和泥质可以进入，而砂子不能进入，方便实验过程中调整所有电极的埋入深度。另外，压平板5上表面设置有把手，更加方便取出压平板5。
本方案还提供一种含水岩石直流视极化率测定装置，其包括检测设备、冲洗设备和上述任一实验槽；检测设备包括电压测量装置和可调直流电压源；电压测量装置一端连接第二电极，另一端连接第三电极；可调电压源一端连接第一电极，另一端连接第四电极；冲洗设备包括与进液口连接的进液管，进液管与水泵连接，出液口4上设置有出液阀。应用本装置时，需要在出液口4设置滤网以便实验岩样中的溶液和泥质可以通过，而砂子无法通过。
在实施时，本方案优选进液口的数量为三个，三个绝缘显示液柱3的顶端分别作为一个进液口；出液口4的数量为一个，其位于实验槽本体1的另一个角，以便于快速冲洗实验岩样内的泥质，而快速改变实验岩样的泥质含量。
同时，电压测量装置为信号采集卡，可选用NI/MCC USB201型号的信号采集卡。应用时将信号采集卡连接至电脑，电脑上便会显示采集到的电压随时间变化的曲线。可调直流电源的型号可选用HY3005MT。
并且，实验槽本体1设置在用于调整其水平度的水平台上，以便调整实验槽本体1的水平度，从而扩大了本装置的适用环境。
如图4和图5所示，水平台可以包括平台板7，平台板7下方设置有三个调节支撑腿，每个调节支撑腿包括与平台板7连接的上支撑腿9，上支撑腿9的底端通过螺母10与下支撑腿11连接，相邻上支撑腿9之间均设置有支撑架8。通过旋转螺母10增长或缩短下支撑腿11距离上支撑腿9顶部的距离，从而调节水平台的水平度，进而调节水平台上实验槽本体1的水平度。
另外，本方案还提供一种采用上述测定装置测定的方法，其特征在于，包括如下步骤：
配置实验岩样，并将其填装入实验槽本体1后，利用压平板5压平；
将第一电极、第二电极、第三电极和第四电极分别放入一个绝缘渗液柱3中，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第一曲线；
通过可调直流电压源改变供电电压；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第二曲线；
通过绝缘渗漏柱3同时改变所有电极的埋入深度；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第一曲线；
通过进液口、出液口4配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的泥质含量；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第三曲线；
通过敲击实验槽本体1的侧壁改变实验岩样的孔隙度；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第四曲线；
通过进液口、出液口4配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的矿化度；单次改变后，采用检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第五曲线；
根据第一至第五曲线，计算实验岩样的视极化率。
以一堆砂子模拟岩石，蒙脱石粉末模拟泥质，食盐溶液模拟地层水为例，其测定步骤如下：
(1)配置实验岩样并填装压平。
将0.5g/L的食盐溶液4L倒入实验槽本体1中，然后将平均粒径2mm的砂子22L(注意：在实验前将砂子进行清洗，以保证其纯净)与蒙脱石粉末(泥质的一种)100g充分混合后倒入实验槽本体1中，使用压平板5将实验槽本体1内的固液混合物压平。然后调节水平台上的螺母10，使三个绝缘显示液柱3内的液面高度一致，以确保实验槽本体1水平。通过漏液阀放出部分食盐溶液，使得安装槽本体内的固体与液体的高度一致。
(2)改变施加在第一电极和第四电极之间的电压，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的曲线。
将第一电极和第四电极分别放入位于两边的两根绝缘渗液柱底部，将第二电极和第三电极分别放入位于中间的两根绝缘渗液柱底部，并将数据采集卡与电脑连接，得到第一曲线。
调节可调直流电压源施加在第一电极和第四电极之间的电压，具体施加电压值为1V、2V、4V、8V和16V，单次改变后，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第二曲线。
(3)改变电极的埋入深度，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的曲线。
将所有电极同时提高3cm，并用在实验槽本体1顶部边缘处用竹夹将所有电极固定。维持施加在第一电极和第四电极之间的电压为定值16V，测量第二电极与第三电极之间的电压。重复上述步骤四次，单次改变后，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第二曲线。
(4)改变蒙脱石粉末也即泥质的含量，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的曲线。
保持所有电极的位置和施加电压值不变。利用水泵向实验槽本体1内泵入1L提前制备好的浓度为0.5g/L的食盐溶液，注入实验溶液的同时，也开启漏液阀，使得最终实验槽本体1内的液面高度保持不变也即孔隙度基本保持不变，但实验岩样中蒙脱石粉末的含量逐步降低。重复上述步骤五次，单次改变后，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第三曲线。
(5)改变实验岩样的孔隙度，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的曲线。
保持所有电极的位置和施加电压值不变。用橡皮榔头，适度敲击实验槽本体1的侧壁，使砂子在实验槽本体1中的相对位置下沉，食盐溶液的液面逐渐高于砂子。然后取出压平板(5)，加入一些砂子使得砂子的高度维持在填装时的高度，并通过漏液阀放出与加入的砂子的体积相等量的溶液，使得实验槽本体1内液面的高度与砂子的高度一致。重复上述步骤3次，单次改变后，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第四曲线。
(6)改变食盐溶液的矿化度，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的曲线。
保持所有电极的位置和施加电压值不变。在步骤(5)中最后一次计算得出的孔隙度的基础上，通过漏液阀放出a L浓度较低的食盐溶液后，利用泵将向实验槽本体1内泵入aL更高浓度的食盐溶液的方式改变安装槽本体内的食盐溶液的浓度，维持改变前后安装槽本体内实验岩样的孔隙度不变。第一次使食盐溶液的浓度由0.5g/L改变为1g/L。重复上述步骤3次，使得食盐溶液的浓度由1g/L变为2g/L、2g/L变为4g/L，4g/L变为8g/L。单次改变后，采集第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第四曲线。
(7)根据上述所有曲线分别计算对应的视极化率，进而得出孔隙度、地层水的矿化度、电极系埋入的深度和供电电压对视极化率的定量影响，地层水的泥质含量对视极化率的定性影响。
注意，上述步骤中砂子的种类和体积、泥质的种类和质量、食盐溶液的浓度和体积、施加的电压值、所有电极所处位置、单次实验的次数以及步骤(2)-(7)的顺序均不受限制，并且可以采用其他具有阴阳离子的溶液模拟地层水。另外，在进行孔隙度、地层水的矿化度、电极系埋入的深度和供电电压对视极化率的影响中时，也可以只做定性分析而不做定量分析。
Claims (9)
1.含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，包括检测设备、冲洗设备和实验槽；所述实验槽包括实验槽本体（1）和与所述实验槽本体（1）配合的压平板（5），所述实验槽本体（1）的材质为透明绝缘材料，所述实验槽本体（1）内设置有四根中空的绝缘渗液柱（3），所述实验槽本体（1）上设置有进液口和出液口（4），所述压平板（5）上设置有供所有所述中空的绝缘渗液柱（3）穿过的让位孔（6）；
所述检测设备包括电压测量装置和可调直流电压源；所述电压测量装置一端连接第二电极，另一端连接第三电极；所述可调直流电压源一端连接第一电极，另一端连接第四电极；所述冲洗设备包括与所述进液口连接的进液管，所述进液管与水泵连接，所述出液口（4）上设置有出液阀。
2.根据权利要求1所述的含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，所述实验槽本体（1）的截面呈方形，四根所述绝缘渗液柱（3）均垂直于所述实验槽本体（1）的底面，四根所述中空的绝缘渗液柱（3）位于同一竖直平面，所述竖直平面位于所述实验槽本体（1）的中轴线上。
3.根据权利要求1所述的含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，所述实验槽本体（1）的三个角上均设置有一带刻度的中空的绝缘显示液柱。
4.根据权利要求1所述的含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，所述压平板（5）上表面设置有把手。
5.根据权利要求3所述的含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，所述进液口的数量为三个，三个所述绝缘显示液柱的顶端分别作为一个所述进液口；所述出液口（4）的数量为一个，其位于所述实验槽本体（1）的另一个角。
6.根据权利要求1所述的含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，所述电压测量装置为信号采集卡。
7.根据权利要求1所述的含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，所述实验槽本体（1）设置在用于调整其水平度的水平台上。
8.根据权利要求7所述的含水岩石直流视极化率测定装置，其特征在于，所述水平台包括平台板（7），所述平台板（7）下方设置有三个调节支撑腿，每个调节支撑腿包括与所述平台板（7）连接的上支撑腿（9），所述上支撑腿（9）的底端通过螺母（10）与下支撑腿（11）连接，相邻上支撑腿（9）之间均设置有支撑架（8）。
9.采用权利要求1所述的测定装置测定的方法，其特征在于，包括如下步骤：
配置实验岩样，并将其填装入所述实验槽本体（1）后，利用所述压平板（5）压平；
将所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极分别放入一个所述绝缘渗液柱（3）中，采用所述检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第一曲线；
通过可调直流电压源改变供电电压；单次改变后，采用所述检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第二曲线；
通过绝缘渗液柱（3）同时改变所有电极的埋入深度；单次改变后，采用所述检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第一曲线；
通过进液口、出液口（4）配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的泥质含量；单次改变后，采用所述检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第三曲线；
通过敲击所述实验槽本体（1）的侧壁改变实验岩样的孔隙度；单次改变后，采用所述检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第四曲线；
通过进液口、出液口（4）配合冲洗设备和漏液阀改变实验岩样内溶液的矿化度；单次改变后，采用所述检测设备采集位于实验岩样内的第二电极与第三电极之间的电压随时间变化的第五曲线；
根据所述第一至第五曲线，计算所述实验岩样的视极化率。
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