CN110595850A - 测量松散介质热传导系数的制样装置、试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度对包气带土壤水分分析技术领域，特别涉及一种测量松散介质热传导系数的制样装置、试验系统及方法，该装置包含：两个绝热板；设于两个绝热板之间的隔热材料层；用于填装待测松散介质的介质填装槽，该介质填装槽贯穿绝缘板中部和设于绝缘板之间的隔热材料层；介质填装槽的两侧分别通过封装板与绝缘板密封固定。本发明结构简单，设计新颖、合理，能够反复测量使用，操作方便、快捷，实现不同含水率条件下松散介质的热传导系数测量，为水热运移模型的应用提供基础参数，能够很好地拟合待测松散介质热传导系数‑含水率关系曲线，经过试验数据表明该模型有较高的拟合精度，满足干旱半干旱地区的使用要求，具有较强的实用性和应用前景。

Description

测量松散介质热传导系数的制样装置、试验系统及方法

技术领域

本发明涉及温度对包气带土壤水分分析技术领域，特别涉及一种测量松散介质热传导系数的制样装置、试验系统及方法。

背景技术

温度对包气带水分的影响一直受到国内外学者的关注。通过对不同温度梯度条件的蒸发进行试验研究，结果表明：忽略温度梯度对蒸发的影响时，会导致大约10％的误差。在干旱半干旱地区，包气带含水率相对较低，其水分运移除受重力和毛细力作用外，更主要的是受温度场作用。在干旱半干旱地区，包气带垂向温度梯度对其中水分运动的影响不可忽略。温度梯度能引起包气带水分运动，其含水率的分布情况及水分运动与热流的变化、温度的分布密切相关，既相互联系又相互制约。欲定量研究温度变化引起的包气带水分运移，需要建立水热耦合模型，而模型中热参数的确定成为模型求解的关键和难点。现有热参数的测量存在以下问题：(1)现在市场上测定热传导系数的仪器主要是测定固体物质，如混凝土、泡沫板等，缺少专门测定松散介质热传导系数的设备和装置；(2)通过观测剖面温度、采用数值反演的方法确定热传导系数，由于数值反演存在一定误差，缺少实测参数的对比；(3)在孔隙介质中热传导系数随水分的变化而变化，如何准确表征其与含水率之间的关系，尤其适用于干旱半干旱地区，还没有成熟的方法。

发明内容

为此，本发明提供一种测量松散介质热传导系数的制样装置、试验系统及方法，实现获取不同含水率条件下热传导系数的变化规律，并根据数据变化规律构建适用于干旱半干旱地区热传导系数与含水率之间的关系模型，避免数值反演中的误差，具有较强的应用前景。

按照本发明所提供的设计方案，一种测量松散介质热传导系数的制样装置，包含：

两个绝热板；设于两个绝热板之间的隔热材料层；用于填装待测松散介质的介质填装槽，该介质填装槽贯穿绝缘板中部和设于绝缘板之间的隔热材料层；介质填装槽的两侧分别通过封装板与绝缘板密封固定。

上述的，隔热材料层和绝缘板之间的连接通过环氧树脂胶粘接固定。

上述的，介质填装槽的一侧封装板通过环氧树脂胶与绝缘板粘接固定；另一侧封装板通过透明胶带与对应绝缘板固定。

上述的，所述封装板采用紫铜板。

上述的，所述隔热材料层采用隔热泡沫。

更进一步地，本发明还提供一种测量松散介质热传导系数的试验系统，包含：

上述的制样装置，该制样装置用于配置不同含水率试验介质；测试装置，用于测定制样装置中不同含水率条件下松散介质的热传导系数；标定装置，用于依据测试装置中测定数据对松散介质的含水率进行标定；制样装置、标定装置分别与测试装置相信号连接。

上述的系统中，测试装置包含：主机，热流计；用于夹持固定制样装置的板件，每个板件上均设置有与热流计连接的热流传感器；用于采集板件表面温度的温度传感器；及用于对板件进行温度控制的循环加热冷却机构；温度传感器和循环加热冷却机构均与主机相连接，热流计与主机连接并控制主机采集热流传感器数据。

上述的系统中，板件包含热板和冷板；所述循环加热冷却机构包含控制冷板散热的水循环系统和控制热板温度的加热丝。

上述的系统中，标定装置包含用于对待测松散介质进行烘烤的烘箱和用于待测松散介质试验过程中进行称重的称重仪器。

更进一步地，本发明还提供一种测量松散介质热传导系数的试验方法，基于上述的试验装置实现，该实现过程包含如下内容：

针对待测松散介质，通过标定装置获取其干容重；

依据干容重获取制样装置中介质填装槽的填沙量并对制样装置进行封装密封；将装有待测样品的制样装置通过测量装置的板件进行夹持固定；主机通过热流计、温度传感器及循环加热冷却机构获取制样装置中待测样品含水率为零时的热传导系数测定数据；

通过标定装置获取不同含水率的待测样品，依次完成相应含水率条件下待测松散介质热传导系数测定；

构建热传导率随含水率变化的数据模型，通过该数据模型对待测样品的热传导系数和含水率进行分析，获取两者关系的拟合曲线。

本发明的有益效果：

本发明通过制样装置、测量装置及标定装置，实现不同含水率条件下松散介质的热传导系数测量，为水热运移模型的应用提供基础参数，其中，制样装置结构简单，设计新颖、合理，能够反复测量使用；在试验测定不同含水率条件下松散介质的热传导系数的基础上构建适用于干旱半干旱地区热传导系数与含水率之间的关系模型，能够很好地拟合待测松散介质热传导系数-含水率关系曲线，经过试验数据表明该模型有较高的拟合精度，满足干旱半干旱地区的使用要求，具有较强的实用性和应用前景。

附图说明：

图1为实施例中制样装置示意图；

图2为实施例图1中I-I剖视图；

图3为实施例中铜板示意图；

图4为实施例中测量装置示意图；

图5为实施例中风积沙热传导系数随含水率变化示意；

图6为实施例中风积沙热传导系数实测数据与模型计算对比示意；

图7为实施例中热传导系数模型参数敏感度分析示意之一；

图8为实施例中热传导系数模型参数敏感度分析示意之二；

图9为实施例中热传导系数模型在渭河砂样中的应用示意。

具体实施方式：

图中标号，标号01表示绝缘板，标号02表示介质填装槽，标号03表示铜板，标号04表示隔热材料层，标号1表示主机，标号2表示热板，标号3表示冷板，标号4表示装有待测样品的制样装置，标号5表示锁紧装置，标号6表示冷水泵，标号7表示冷水箱，标号8表示冷凝管，标号9表示压缩机，标号10表示散热风扇，标号11表示冷水箱控制器，标号12表示继电器，标号13表示加热丝继电器，标号14表示加热丝，标号15、16表示热流传感器，标号17、18表示温度传感器。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

针对现有缺少专门测定松散介质热传导系数设备等的情形，本发明实施例中，参见图1所示，提供一种测量松散介质热传导系数的制样装置，包含：两个绝热板；设于两个绝热板之间的隔热材料层；用于填装待测松散介质的介质填装槽，该介质填装槽贯穿绝缘板中部和设于绝缘板之间的隔热材料层；介质填装槽的两侧分别通过封装板与绝缘板密封固定。结构简单，设计科学、合理，将待测松散介质样品放至介质填装槽内，并通过两侧封板进行密封，使用方便，可在试验过程中反复使用。

进一步地，本发明实施例中，隔热材料层和绝缘板之间的连接通过环氧树脂胶粘接固定，防水、耐油，耐强酸强碱，密封性好。

进一步地，本发明实施例中，介质填装槽的一侧封装板通过环氧树脂胶与绝缘板粘接固定；另一侧封装板通过透明胶带与对应绝缘板固定。

进一步地，本发明实施例中，封装板采用紫铜板，成本低，热态下塑性良好，可切削性好，易纤焊和焊接，耐蚀。

进一步地，本发明实施例中，隔热材料层采用隔热泡沫，防渗透性能好，便于制作加工。

为了测定松散介质的热传导系数，通过本发明实施例中的制样装置，实现不同含水率的热传导系数测定；绝缘板厚度、长度，隔热泡沫厚度和长度，及紫铜板厚度和长度均可根据实际使用情况进行尺寸选择。利用环氧树脂胶将绝缘板和隔热泡沫粘接为一体，利用线切割工具，将在粘接好的两者中部位置开一个圆，并利用铣床，以圆为中心在两侧绝缘板上开一个有深度的圆形槽，作为介质填装槽，具体可参见图1和2所示，在其中一侧利用环氧树脂将加工好的紫铜板粘接好；将配置过的松散介质按一定容量填装至圆形槽内，将另一块紫铜板利用透明胶带固定到对应绝缘板上。取一定量的松散介质，用于准确测定配置的介质含水率，反复测量即可实现不同含水率条件下松散介质的热传导系数。

更进一步地，本发明实施例还提供一种测量松散介质热传导系数的试验系统，包含：

上述实施例中的制样装置，该制样装置用于配置不同含水率试验介质；测试装置，用于测定制样装置中不同含水率条件下松散介质的热传导系数；标定装置，用于依据测试装置中测定数据对松散介质的含水率进行标定；制样装置、标定装置分别与测试装置相信号连接。

上述的系统中，测试装置包含：主机，热流计；用于夹持固定制样装置的板件，每个板件上均设置有与热流计连接的热流传感器；用于采集板件表面温度的温度传感器；及用于对板件进行温度控制的循环加热冷却机构；温度传感器和循环加热冷却机构均与主机相连接，热流计与主机连接并控制主机采集热流传感器数据。

通过标定装置对配置的含水率进行标定，获取试验条件下介质的含水率；通过配置不同含水率的试验介质，实现测定对应含水率条件下松散介质的热传导系数，为水热运移模型的应用提供基础参数，避免现有通过数据反演获取热传导系数存在的误差等情形，具有较强实用性。

进一步地，本发明实施例中，参见图4所示，板件包含热板和冷板；所述循环加热冷却机构包含控制冷板散热的水循环系统和控制热板温度的加热丝。水循环系统可包含冷水箱、冷水泵、冷凝管、压缩机、散热风扇和冷水箱控制器等，便于对冷板温度进行循环控制。

进一步地，本发明实施例中，标定装置包含用于对待测松散介质进行烘烤的烘箱和用于待测松散介质试验过程中进行称重的称重仪器。通过烘箱和称重仪器，便于对试验中不同含水率条件下待测松散介质含水率进行标定，通过将足量试验介质置于烘箱内连续烘烤至重量不变，来获取用于试验的其干容重。

将填装好的制样装置，放在热流计的锁紧装置中并锁紧。打开电源，通过控制采集主机设定热板和冷板的温度；通过控制采集主机采集冷板表面温度传感器温度，控制继电器，启动冷水箱控制器，对冷水箱中的冷凝管、压缩机和散热风扇进行控制，实现循环水的制冷，通过冷水泵进行冷水循环，从而实现对冷板温度的控制；通过，接通加热丝，通过主机采集热板表面温度传感器的温度数据，控制加热丝继电器，实现对热板的温度控制；当热流计的冷板和热板的温度稳定后，主机采集热流传感器数据，从而来获取制样装置中用于计算热传导系数的数据。

更进一步地，本发明实施例中还提供一种测量松散介质热传导系数的试验方法，基于上述的试验装置实现，该实现过程包含如下内容：

针对待测松散介质，通过标定装置获取其干容重；

依据干容重获取制样装置中介质填装槽的填沙量并对制样装置进行封装密封；将装有待测样品的制样装置通过测量装置的板件进行夹持固定；主机通过热流计、温度传感器及循环加热冷却机构获取制样装置中待测样品含水率为零时的热传导系数测定数据；

通过标定装置获取不同含水率的待测样品，依次完成相应含水率条件下待测松散介质热传导系数测定；

构建热传导率随含水率变化的数据模型，通过该数据模型对待测样品的热传导系数和含水率进行分析，获取两者关系的拟合曲线。

为验证本发明实施例中技术方案的有效性，下面结合具体试验数据做进一步解释说明：

制样装置中，首先，加工厚度为0.5cm、边长为30cm的绝热板，数量2块；加工边长为30cm、厚度为4cm的隔热泡沫，数量1块；加工厚度1mm、直径22cm的紫铜板，数量2块。其次，利用环氧树脂胶将绝缘板、隔热泡沫粘接为一体，利用线切割工具，在粘接好的制样装置的中心位置，开一个直径20cm的圆；利用铣床，以圆为中心在两侧绝缘板上开一个深1.5mm的圆形槽，作为介质填装槽；在其中一侧利用环氧树脂胶将加工好的紫铜板粘接好。最后，将配置好的松散介质按一定容重填装在制样装置的空槽中，将另一块紫铜板用透明胶带固定到制样装置上，同时取一定量的松散介质，准确测定配置的介质含水率。反复测量即可实现不同含水率条件下松散介质的热传导系数。

将足量试验介质置于烘箱内连续烘烤至重量不变，计算其干容重；根据介质的干容重计算出制样装置空槽中应装入的沙量，称量好后装入槽中，用胶带将铜板盖密封。将制好的样品放入热流计中冷热板之间，夹紧。启动电源及各控制开关，待液晶屏中表示热传导系数值稳定(至少持续20分钟，数值变化范围在0.0005之内)，可认为含水率为零时的热传导系数测定试验结束；根据制样装置介质填装槽的体积，计算出在0.5％体积含水率条件下，槽中沙样所需水量。用天平称得相应水量加入沙中，快速搅拌均匀后，将样品密封，放入热流计中，重新进行试验；依次计算出含水率为1％、2％、3％、5％、…、25％时的沙样所需水量，重复上述重新试验的步骤，完成不同含水率条件下试验介质热传导系数的试验。以风积沙为例，将不同含水率条件下测定的热传导系数列入表1：

表1风积沙的热传导系数测试数据

从附图5可以看出，当含水率为零或接近饱和含水率时，介质的热传导率均接近常数。据此，类似定义残余含水率、饱和含水率来定义热传导率的两个极限值：即残余热传导率K_Tr(对应含水率接近于零)、饱和热传导率K_Ts(对应含水率为饱和含水率)。结合Campbell提出的计算土壤热传导率的经验模型，并对其加以改进，得到本发明实施例中的数据模型，可以表示为：

式中：K_Ts为饱和热传导率(W/(m·k)，对应饱和含水率)；K_Tr为残余热传导率(W/(m·k)，对应含水率为零)；α、β为与介质特性有关的参数，无量纲。

数据模型对于砂性介质有很好的拟合效果，能够较为准确地刻画热传导率随含水率变化的特征，并且首次给其中的参数赋予了物理含义。运用非线性最小二乘法对试验数据进行公式拟合，相关系数为0.995，拟合值与实测值如附图6所示。

最终拟合结果，模型中各参数分别为：

K_Tr＝0.1300W/(m·k)，K_Ts＝0.6366W/(m·k)，α＝0.4820，β＝0.3836。

则有：

敏感度分析(灵敏度分析)的目的是为了对已经识别过的模型的不确定性进行量化。具体计算时，对某一特定参数的敏感度可以采用下列近似公式加以计算：

式中：β_i,k为模型变量H对第k个参数在第ι个测点上的敏感度；α_k为某实例的参数值；Δα_k为参数的细小变化；H(α_k)和H(α_k+Δα_k)分别为该实例中由该参数所计算的模型变量值和参数值有细小变化时所得的模型变量值。

公式(1)中有4个参数，其中K_Tr、K_Ts有实际的物理意义，可以通过试验手段对其进行测定。α、β是与介质特性有关的参数，需要通过含水率-热传导系数的关系曲线确定。因此，本试验中仅针对参数α、β进行敏感度分析。

依据附图7和8所示，应用Matlab软件编写程序，对α、β进行敏感度分析：图7中，参数α在含水率为3％时，敏感度最大达到0.05；图8中，参数β在含水率为5％时，敏感度最大达到0.117；参数α的敏感度在含水率10％以后接近于零，而参数α的敏感度在含水率20％以后才接近于零。由上可知，参数β比参数α对含水率的变化更为敏感。

对渭河下游的细沙用同样方法测定热传导系数，得到不同含水率条件下该介质的热传导系数值。利用公式(1)对其进行拟合，得到拟合参数见表2。

表2渭河沙样参数拟合结果

根据公式(4)得到计算值，计算值与实测值的误差分析见附图9和表3。

表3误差分析表

由附图9和表3可以看出，本发明实施例中数据模型能够很好地拟合渭河细沙的热传导系数-含水率关系曲线，其相关系数为0.995，均方根仅为0.0048，说明该模型具有较高的拟合精度，满足使用要求。

综上所述，通过观察实验数据及实验结果，可以确定本发明中所使用的方案不仅能够测定干旱半干旱地区不同含水率条件下热传导系数与含水率变化规律，而且能够有效避免测量试验过程中的数据误差，所以本发明所使用的技术方案是有效的，具有精度高、操作方便、实用性强等优点。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测量松散介质热传导系数的制样装置，其特征在于，包含：

两个绝热板；

设于两个绝热板之间的隔热材料层；

用于填装待测松散介质的介质填装槽，该介质填装槽贯穿绝缘板中部和设于绝缘板之间的隔热材料层；介质填装槽的两侧分别通过封装板与绝缘板密封固定。

2.根据权利要求1所述的测量松散介质热传导系数的制样装置，其特征在于，隔热材料层和绝缘板之间的连接通过环氧树脂胶粘接固定。

3.根据权利要求1或2所述的测量松散介质热传导系数的制样装置，其特征在于，介质填装槽的一侧封装板通过环氧树脂胶与绝缘板粘接固定；另一侧封装板通过透明胶带与对应绝缘板固定。

4.根据权利要求1或2所述的测量松散介质热传导系数的制样装置，其特征在于，所述封装板采用紫铜板。

5.根据权利要求1或2所述的测量松散介质热传导系数的制样装置，其特征在于，所述隔热材料层采用隔热泡沫。

6.一种测量松散介质热传导系数的试验系统，其特征在于，包含：

权利要求1～5任一项所述的制样装置，该制样装置用于配置不同含水率试验介质；

测试装置，用于测定制样装置中不同含水率条件下松散介质的热传导系数；

标定装置，用于依据测试装置中测定数据对松散介质的含水率进行标定；

制样装置、标定装置分别与测试装置相信号连接。

7.根据权利要求6所述的测量松散介质热传导系数的试验系统，其特征在于，测试装置包含：

主机，热流计；

用于夹持固定制样装置的板件，每个板件上均设置有与热流计连接的热流传感器；

用于采集板件表面温度的温度传感器；

及用于对板件进行温度控制的循环加热冷却机构；

温度传感器和循环加热冷却机构均与主机相连接，热流计与主机连接并控制主机采集热流传感器数据。

8.根据权利要求7所述的测量松散介质热传导系数的试验装置，其特征在于，所述板件包含热板和冷板；所述循环加热冷却机构包含控制冷板散热的水循环系统和控制热板温度的加热丝。

9.根据权利要求6所述的测量松散介质热传导系数的试验装置，其特征在于，标定装置包含用于对待测松散介质进行烘烤的烘箱和用于待测松散介质试验过程中进行称重的称重仪器。

10.一种测量松散介质热传导系数的试验方法，其特征在于，基于权利要求6～9任一项所述的试验装置实现，该实现过程包含如下内容：

针对待测松散介质，通过标定装置获取其干容重；

依据干容重获取制样装置中介质填装槽的填沙量并对制样装置进行封装密封；将装有待测样品的制样装置通过测量装置的板件进行夹持固定；主机通过热流计、温度传感器及循环加热冷却机构获取制样装置中待测样品含水率为零时的热传导系数测定数据；

通过标定装置获取不同含水率的待测样品，依次完成相应含水率条件下待测松散介质热传导系数测定；

构建热传导率随含水率变化的数据模型，通过该数据模型对待测样品的热传导系数和含水率进行分析，获取两者关系的拟合曲线。