CN110057402A - 一种监测固体体积随环境温度变化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种监测固体体积随环境温度变化的装置及方法，装置包括用于加热水的容器，所述容器底部与监测管底部通过连接管连通，监测管上设有刻度，容器内设有用于承载待监测固体的托盘，容器顶部设有封盖，封盖上穿设有温度计；另外本发明还提供与装置相应的方法；本发明可监测固体在任意时刻的体积及此刻的环境温度，以得到待监测固体体积对环境温度及时间变化的响应规律，和环境温度稳定后待监测固体体积随时间的变化规律。

Description

一种监测固体体积随环境温度变化的装置及方法

技术领域

本发明涉及固体体积测量技术领域，具体地指一种监测固体体积随环境温度变化的装置及方法。

背景技术

当物体所处环境温度发生改变时，会导致物体体积发生变化。针对岩土工程领域，当固体所在环境温度变化后，固体一般会产生热胀冷缩现象，宏观上表现为体积的增减。体积的变化是一个连续的过程，其过程可分为以下两个阶段：其一、环境温度变化过程中固体体积的改变；其二、当环境温度稳定后，随时间推移，固体体积可能会继续变化直至达到稳定状态，即相比环境温度的改变，固体体积的变化可能存在一个滞后阶段。

目前，室内模拟试验中研究固体在不同环境温度下体积变化规律的方法是将其放入恒温箱，设定温度，间隔一定时间，取出固体，将固体放入量筒内测量体积，之后将固体放回恒温箱，改变恒温箱温度，间隔一定时间，重复测量。此方法存在以下弊端：其一，仅适用于测量固体某些时刻的瞬时体积，难以刻画固体体积随时间变化的时程曲线；其二，常用量筒最大直径为67mm，受限于量筒直径，测量范围小，且随着量筒直径的增大，精度会逐渐降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种监测固体体积随环境温度变化的装置及方法，可监测固体在任意时刻的体积及此刻的环境温度，以得到待监测固体体积对环境温度及时间变化的响应规律，和环境温度稳定后待监测固体体积随时间的变化规律。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种监测固体体积随环境温度变化的装置，包括用于加热水的容器，所述容器底部与监测管底部通过连接管连通，监测管上设有刻度，容器内设有用于承载待监测固体的托盘，容器顶部设有封盖，封盖上穿设有温度计。

优选地，所述容器为圆柱体槽体结构，其底部固定于底板上，其顶部与圆形结构的封盖配合，所述监测管为毛细管结构。

优选地，所述容器内设有加热器和温度传感器，所述加热器和温度传感器均与温度控制器电性连接。

优选地，所述托盘上开设有小孔，托盘侧部与挂接杆底部连接，挂接杆顶部与卡槽配合，卡槽固定于套筒表面，套筒套装于支撑杆上。

优选地，所述套筒表面还开设有用于安装顶紧螺栓的螺孔。

优选地，所述容器的数量为多个，每个容器侧部均固定设有挂接板，挂接板与安装槽配合，安装槽套装固定于支撑杆底部。

另外本发明还提供利用上述装置来监测固体体积随环境温度变化的方法，它包括以下步骤：

步骤1)：根据待监测固体数量将容器的挂接板插入到支撑杆底部的安装槽内，然后将托盘的挂接杆插入到套筒表面的卡槽内；

步骤2)：向内径为D的容器内注入液体，将待监测固体用薄膜封装后，再抽取薄膜与待监测固体缝隙间的空气，使得薄膜紧贴待监测固体表面，然后将其放入到托盘上；

步骤3)：调节套筒表面的顶紧螺栓，使托盘下降至待监测固体完全浸没于液体中，盖上封盖，插入温度计，使温度计底部伸入到液体内；

步骤4)：开启加热器，通过温度控制器设定初始温度c₁，当温度计读数达到初始温度c₁后，开始测量，记录监测管内液面高度为H₀；通过温度控制器调高温度为c₂，每间隔t_n，记录温度计读数c_n及监测管内液面高度为H_n；当温度计读数达到c₂后，每间隔t_m，记录监测管内液面高度为H_m。

优选地，它还包括以下步骤：

步骤5)：根据所得数据D、c₁、H₀、t_n、c_n、H_n、c₂，作出待监测固体体积与温度的关系曲线、待监测固体体积变化速率与时间关系曲线，分析环境温度从c₁改变至c₂过程中，待监测固体体积对环境温度及时间变化的响应规律。

更为优选地，它还包括以下步骤：

步骤6)：根据所得数据D、c₂、t_m、H_m，作出待监测固体体积与时间的关系曲线，分析环境温度稳定后，待监测固体体积随时间的变化规律。

本发明的有益效果：

(1)本发明能监测温度变化过程中及温度稳定后固体体积的变化情况，综合考虑了环境温度改变对固体体积影响的全过程，通过所得数据，得出固体体积随温度的变化曲线及体积变化速率与时间的关系曲线；还能得到环境温度稳定后，固体体积随时间的变化曲线。

(2)本发明利用监测管的毛细管结构增大了测量精度，根据连通器的原理，通过监测管可以准确监测固体体积的变化情况。

(3)本发明设有托盘及其附属机构，当待测固体测量完成后，通过调整顶紧螺栓升起托盘，更换待测固体，简化了操作步骤。

(4)本发明可以同时测量多个试样，且容器可快速拆装，可自由选择试验数量，提高了测量效率。

附图说明

图1为一种监测固体体积随环境温度变化的装置的结构示意图；

图2为图1中底板与容器连接的俯视结构示意图；

图3为底板、安装槽及支撑杆之间的连接结构示意图；

图4为图1中托盘的结构示意图；

图5为封盖的结构示意图；

图6为套筒、卡槽及顶紧螺栓之间的连接结构示意图；

图7为实施例1中待监测固体体积与温度的关系曲线图；

图8为实施例1中待监测固体体积变化速率与时间关系曲线图；

图9为实施例1中环境温度稳定后待监测固体体积与时间关系曲线图；

图10为实施例2中待监测固体体积与温度的关系曲线图；

图11为实施例2中待监测固体体积变化速率与时间关系曲线图；

图12为实施例2中环境温度稳定后待监测固体体积与时间关系曲线图；

图中，容器1、监测管2、托盘3、封盖4、温度计5、底板6、温度控制器7、小孔8、挂接杆9、卡槽10、套筒11、支撑杆12、顶紧螺栓13、挂接板14、安装槽15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至12所示，一种监测固体体积随环境温度变化的装置，包括用于加热水的容器1，所述容器1底部与监测管2底部通过连接管连通，监测管2上设有刻度，容器1内设有用于承载待监测固体的托盘3，容器1顶部设有封盖4，封盖4上穿设有温度计5。

优选地，所述容器1为圆柱体槽体结构，其底部固定于底板6上，其顶部与圆形结构的封盖4配合，所述监测管2为毛细管结构。在本实施例中，容器1与监测管2可以组成连通器的结构，这样容器1与监测管2的液位在同一水平面，监测管2可以实时显示出容器1内的液位，另外由于监测管2为毛细管结构，所以在实际测量过程中，监测管2内液体体积的变化可以忽略不计，这样通过监测管2内液体体积的变化，可以准确反映出容器1内的液位变化，这就可以监测出固体体积的变化情况。

优选地，所述容器1内设有加热器和温度传感器，所述加热器和温度传感器均与温度控制器7电性连接。通过加热器可以持续对容器1内的液体进行加热升温操作，而温度传感器可以随时感应液体的温度，并将温度数据传输给温度控制器7，温度控制7根据设定值可以控制加热器的启停，以控制容器1内的液体温度始终在设定值附近。温度控制器7可以选用美国OMEGA-CNi32系列型号。

优选地，所述托盘3上开设有小孔8，托盘3侧部与挂接杆9底部连接，挂接杆9顶部与卡槽10配合，卡槽10固定于套筒11表面，套筒11套装于支撑杆12上。小孔8可以便于液体流通，能够包裹待监测固体，通过挂接杆9和卡槽的配合可以方便托盘3的拆装。

优选地，所述套筒11表面还开设有用于安装顶紧螺栓13的螺孔。通过调整顶紧螺栓13，可以调整套筒11在支撑杆12上的高度，进而改变托盘3在容器1内的深度。

优选地，所述容器1的数量为多个，每个容器1侧部均固定设有挂接板14，挂接板14与安装槽15配合，安装槽15套装固定于支撑杆12底部。通过挂接板14和安装槽15的配合可以方便容器1的拆装，可以根据实际情况安装多个容器1。

另外本发明还提供利用上述装置来监测固体体积随环境温度变化的方法，它包括以下步骤：

步骤1)：根据待监测固体数量将容器1的挂接板14插入到支撑杆12底部的安装槽15内，然后将托盘3的挂接杆9插入到套筒11表面的卡槽10内；

步骤2)：向内径为D的容器1内注入液体，将待监测固体用薄膜封装后，再抽取薄膜与待监测固体缝隙间的空气，使得薄膜紧贴待监测固体表面，然后将其放入到托盘3上；在本实施例中，液体采用具备高耐热性和低膨胀率特性的高温导热油，这样可以避免液体的膨胀对监测结果产生影响；另外本实施例中选用的薄膜可以选用超模橡皮薄膜，通过抽真空使得薄膜紧贴待监测固体表面，这主要是防止液体浸入监测固体内部而影响其膨胀体积值；

步骤3)：调节套筒11表面的顶紧螺栓13，使托盘3下降至待监测固体完全浸没于液体中，盖上封盖4，插入温度计5，使温度计5底部伸入到液体内；另外封盖4底部还设有密封圈，侧部开设有与挂接杆9杆身形状匹配的缺口，这样可以保证盖上封盖4以后的密封性。

步骤4)：开启加热器，通过温度控制器7设定初始温度c₁，当温度计5读数达到初始温度c₁后，开始测量，记录监测管2内液面高度为H₀；通过温度控制器7调高温度为c₂，每间隔t_n，记录温度计5读数c_n及监测管2内液面高度为H_n；当温度计5读数达到c₂后，每间隔t_m，记录监测管2内液面高度为H_m。

优选地，它还包括以下步骤：

步骤5)：根据所得数据D、c₁、H₀、t_n、c_n、H_n、c₂，作出待监测固体体积与温度的关系曲线、待监测固体体积变化速率与时间关系曲线，分析环境温度从c₁改变至c₂过程中，待监测固体体积对环境温度及时间变化的响应规律。

更为优选地，它还包括以下步骤：

步骤6)：根据所得数据D、c₂、t_m、H_m，作出待监测固体体积与时间的关系曲线，分析环境温度稳定后，待监测固体体积随时间的变化规律。

下面以两个实施例来进一步描述试验过程以及试验结果。

实施例1：

步骤1)：根据待监测固体数量将容器1的挂接板14插入到支撑杆12底部的安装槽15内，然后将托盘3的挂接杆9插入到套筒11表面的卡槽10内；

步骤2)：向内径D为120mm的容器1内注入液体，将待监测固体用薄膜封装后，再抽取薄膜与待监测固体缝隙间的空气，使得薄膜紧贴待监测固体表面，然后将其放入到托盘3上；

步骤3)：调节套筒11表面的顶紧螺栓13，使托盘3下降至待监测固体完全浸没于液体中，盖上封盖4，插入温度计5，使温度计5底部伸入到液体内；其中托盘3直径为100mm；

步骤4)：开启加热器，通过温度控制器7设定初始温度c₁，当温度计5读数达到初始温度c₁后，开始测量，记录监测管2内液面高度为H₀；通过温度控制器7调高温度为c₂，每间隔t_n，记录温度计5读数c_n及监测管2内液面高度为H_n；当温度计5读数达到c₂后，每间隔t_m，记录监测管2内液面高度为H_m；其中初始温度c₁为25℃，c₂为45℃，t_n为2分钟，t_m为2分钟；

步骤5)：根据所得数据D、c₁、H₀、t_n、c_n、H_n、c₂，结合EXCEL作出环境温度从25℃变化至45℃过程中，待监测固体体积与温度的关系曲线、待监测固体体积变化速率与时间关系曲线，分析环境温度从25℃变化至45℃过程中，待监测固体体积对环境温度及时间变化的响应规律。

步骤6)：根据所得数据D、c₂、t_m、H_m，结合EXCEL作出环境温度改变至45℃后，待监测固体体积与时间的关系曲线，分析环境温度稳定后，待监测固体体积随时间的变化规律。

实施例2：

步骤1)：根据待监测固体数量将容器1的挂接板14插入到支撑杆12底部的安装槽15内，然后将托盘3的挂接杆9插入到套筒11表面的卡槽10内；

步骤2)：向内径D为150mm的容器1内注入液体，将待监测固体用薄膜封装后，再抽取薄膜与待监测固体缝隙间的空气，使得薄膜紧贴待监测固体表面，然后将其放入到托盘3上；

步骤3)：调节套筒11表面的顶紧螺栓13，使托盘3下降至待监测固体完全浸没于液体中，盖上封盖4，插入温度计5，使温度计5底部伸入到液体内；其中托盘3直径为130mm；

步骤4)：开启加热器，通过温度控制器7设定初始温度c₁，当温度计5读数达到初始温度c₁后，开始测量，记录监测管2内液面高度为H₀；通过温度控制器7调高温度为c₂，每间隔t_n，记录温度计5读数c_n及监测管2内液面高度为H_n；当温度计5读数达到c₂后，每间隔t_m，记录监测管2内液面高度为H_m；其中初始温度c₁为30℃，c₂为60℃，t_n为3分钟，t_m为3分钟；

步骤5)：根据所得数据D、c₁、H₀、t_n、c_n、H_n、c₂，结合EXCEL作出环境温度从25℃变化至45℃过程中，待监测固体体积与温度的关系曲线、待监测固体体积变化速率与时间关系曲线，分析环境温度从30℃变化至60℃过程中，待监测固体体积对环境温度及时间变化的响应规律。

步骤6)：根据所得数据D、c₂、t_m、H_m，结合EXCEL作出环境温度改变至60℃后，待监测固体体积与时间的关系曲线，分析环境温度稳定后，待监测固体体积随时间的变化规律。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种监测固体体积随环境温度变化的装置，包括用于加热水的容器(1)，其特征在于：所述容器(1)底部与监测管(2)底部通过连接管连通，监测管(2)上设有刻度，容器(1)内设有用于承载待监测固体的托盘(3)，容器(1)顶部设有封盖(4)，封盖(4)上穿设有温度计(5)。

2.根据权利要求1所述的一种监测固体体积随环境温度变化的装置，其特征在于：所述容器(1)为圆柱体槽体结构，其底部固定于底板(6)上，其顶部与圆形结构的封盖(4)配合，所述监测管(2)为毛细管结构。

3.根据权利要求1所述的一种监测固体体积随环境温度变化的装置，其特征在于：所述容器(1)内设有加热器和温度传感器，所述加热器和温度传感器均与温度控制器(7)电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种监测固体体积随环境温度变化的装置，其特征在于：所述托盘(3)上开设有小孔(8)，托盘(3)侧部与挂接杆(9)底部连接，挂接杆(9)顶部与卡槽(10)配合，卡槽(10)固定于套筒(11)表面，套筒(11)套装于支撑杆(12)上。

5.根据权利要求4所述的一种监测固体体积随环境温度变化的装置，其特征在于：所述套筒(11)表面还开设有用于安装顶紧螺栓(13)的螺孔。

6.根据权利要求4所述的一种监测固体体积随环境温度变化的装置，其特征在于：所述容器(1)的数量为多个，每个容器(1)侧部均固定设有挂接板(14)，挂接板(14)与安装槽(15)配合，安装槽(15)套装固定于支撑杆(12)底部。

7.一种利用权利要求1至6任一项所述装置来监测固体体积随环境温度变化的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1)：根据待监测固体数量将容器(1)的挂接板(14)插入到支撑杆(12)底部的安装槽(15)内，然后将托盘(3)的挂接杆(9)插入到套筒(11)表面的卡槽(10)内；

步骤2)：向内径为D的容器(1)内注入液体，将待监测固体用薄膜封装后，再抽取薄膜与待监测固体缝隙间的空气，使得薄膜紧贴待监测固体表面，然后将其放入到托盘(3)上；

步骤3)：调节套筒(11)表面的顶紧螺栓(13)，使托盘(3)下降至待监测固体完全浸没于液体中，盖上封盖(4)，插入温度计(5)，使温度计(5)底部伸入到液体内；

步骤4)：开启加热器，通过温度控制器(7)设定初始温度c₁，当温度计(5)读数达到初始温度c₁后，开始测量，记录监测管(2)内液面高度为H₀；通过温度控制器(7)调高温度为c₂，每间隔t_n，记录温度计(5)读数c_n及监测管(2)内液面高度为H_n；当温度计(5)读数达到c₂后，每间隔t_m，记录监测管(2)内液面高度为H_m。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：它还包括以下步骤：

步骤5)：根据所得数据D、c₁、H₀、t_n、c_n、H_n、c₂，作出待监测固体体积与温度的关系曲线、待监测固体体积变化速率与时间关系曲线，分析环境温度从c₁改变至c₂过程中，待监测固体体积对环境温度及时间变化的响应规律。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：它还包括以下步骤：

步骤6)：根据所得数据D、c₂、t_m、H_m，作出待监测固体体积与时间的关系曲线，分析环境温度稳定后，待监测固体体积随时间的变化规律。