CN111610216B - 冻融环境水分迁移测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冻融环境水分迁移测试技术领域，具体涉及一种冻融环境水分迁移测试设备，包括：测试腔体，其内设置有样品腔室、直接设置在样品腔室外侧壁的电感组件以及设置在样品腔室两端的控温组件；其中，控温组件用于对样品腔室内的样品进行双端控制；共振单元，设置在测试腔体外侧；其中，共振单元与电感组件连接。本发明通过在样品腔室外侧壁直接设置电感组件，可以保证能够直接测得样品的核磁共振信号，从而提升测试准确度；通过将共振单元设置在测试腔体外侧，可以避免共振单元的温度变化对核磁共振信号的影响，从而使得测试结果更加准确；通过在样品腔室两端设置控温组件，可以较为真实的模拟出测试所需的冻融环境，从而提高测试的准确度。

Description

冻融环境水分迁移测试设备

技术领域

本发明涉及冻融环境水分迁移测试技术领域，具体涉及一种冻融环境水分迁移测试设备。

背景技术

在寒区(中国西部的大部分地区)进行基础设施建设时，各种土体(例如岩土体)冻融损伤会引发一系列的工程地质问题。在下文的描述中，以岩土体为例，那么在实验室环境下对岩土体的冻融环境进行模拟，并对岩土体在该冻融环境下水分变化进行表征将具有非常重要的理论和工程意义。

由于岩土体的表层和内层温度不同，因此并不是简单的对岩土体进行升温降温操作，就能模拟出低温环境，而通常是需要对岩土体进行双端控温，并辅以真实环境的变温趋势，才能更好的进行模拟测试。

核磁共振是一种非常适合水分特性表征的测试技术。核磁共振技术以氢元素原子核的测试对象，来测量氢原子核在磁场中磁化矢量的强度及其变化。岩土体中的水份的氢原子核在磁场中宏观磁化强度与水的含量成正比，水分所处的物理化学环境也会对水中氢元素的核磁共振驰豫时间造成影响，同时，利用外加磁场梯度，核磁共振成像技术也可以对岩土体中的水分进行定位。因此，核磁共振技术特别适用于冻融环境下岩土体内部水分变化的分析研究工作。

发明人在对当前已经存在使用核磁共振技术对岩土体进行冻融水分变化测试的设备的研究过程中发现，由于核磁共振测试的结果直接受到温度的影响，样品温度的变化和电感线圈元器件温度的变化都会直接影响核磁共振信号。现有技术中用于冻融水分变化测试的设备一般在用于核磁共振测试的电感线圈以及共振单元与样品之间设置一层保温层，使得电感线圈与样品隔离，以减小电感线圈温度变化对核磁共振信号的影响。然而，由于电感线圈与样品隔离，会导致电感线圈无法直接测试样品的核磁共振信号，从而导致冻融环境下水分变化的测试结果不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种冻融环境水分迁移测试设备，以解决测试准确率低的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种冻融环境水分迁移测试设备，包括：

测试腔体，其内设置有样品腔室、直接设置在所述样品腔室外侧壁的电感组件以及设置在所述样品腔体两端的控温组件；其中，所述控温组件用于对所述样品腔室内的样品进行双端控制；

共振单元，设置在所述测试腔体外侧；其中，所述共振单元与所述电感组件连接。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，通过将电感组件直接设置在样品腔室的外侧壁，可以避免由于电感组件与样品隔离，无法直接测得样品的核磁共振信号，从而导致的测试不准确问题；通过将共振单元设置在测试腔体外侧，可以避免共振单元温度变化对核磁共振信号的影响，从而使得测试更加准确；通过在样品腔室两端设置控温组件，可以较为真实的模拟出测试所需的冻融环境，从而提高测试的准确度。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述设备还包括：

第一保温层，包覆设置在所述电感组件的外侧壁；

第二保温层，包覆设置在所述第一保温层的外侧壁，且所述第二保温层完全包覆所述第一保温层对应于所述样品腔室的部分。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，通过所述第一保温层与第二保温层，可以保证在测试时，样品温度的传导方向严格按照所述第一保温层与所述第二保温层的摆放位置所进行。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述电感组件包括：

电感线圈骨架，直接贴合设置在所述样品腔室的外侧壁；其中，所述电感线圈骨架的两端分别伸出所述样品腔室的两端；

电感线圈，绕设在所述电感线圈骨架上，所述共振单元与所述电感线圈连接。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，电感线圈骨架为电感线圈提供了绕线支撑，且所述电感线圈骨架直接贴合样品腔室的外侧壁，可以直接测得样品的核磁共振信号，从而保证了测试更加准确。

结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述电感线圈骨架为无机非金属骨架。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，通过将电感线圈骨架设置为无机非金属骨架，可以减小在测试时由于温度对其弹性形变的影响导致所述电感线圈骨架发生弹性形变，进而影响电感线圈的分布，从而导致样品的核磁共振信号不准确的问题。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，所述控温组件包括：

第一控温层，分别填充在所述样品腔室的两端，所述第一控温层的端面分别与所述电感线圈骨架的端面平齐；

第二控温层，设置在所述电感线圈骨架的两端，且包覆所述第一控温层；其中，所述第二控温层与所述第二保温层连接。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，在测试时，所述第一控温层设置在样品腔室的两端，分别与电感线圈骨架的端面平齐；所述第二控温层设置在所述电感线圈骨架的两端，且包覆所述第一控温层，可以将温度通过所述第一控温层传递给样品；且所述第二控温层与所述第二保温层连接，可以在所述第二保温层上形成温度梯度场，该温度梯度场可将室温环境与样品环境进一步隔离，同时由于所述第二保温层与所述第二控温层连接，从而使得所述第二保温层的温度分布接近于样品的温度分布，从而使得样品的环境更加接近于真实环境，进而保证了测试的准确性。

结合第一方面第一实施方式或第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述第二保温层为导热陶瓷层。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，在测试时，选择导热陶瓷层为所述第二保温层，不仅起到对样品腔室进行保温的作用，还保证了电感线圈附件没有磁敏材料的干扰，进而提升测试的准确度。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述第一控温层为无机非金属材料层，所述第二控温层为预设导热率的金属层。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，在测试时，由于所述第一控温层直接与所述样品腔室接触，选择无机非金属材料层作为所述第一控温层可以有效避免磁敏材料对电感线圈的影响；选择预设导电率的金属层作为所述第二控温层可以有效将温度传导给所述第一控温层。

结合第一方面或第一方面第四实施方式，在第一方面第七实施方式中，所述设备还包括：

第三保温层，包覆设置在所述第二控温层以及所述第二保温层的外侧壁。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，通过所述第三保温层对整个测试腔体进行保温，进一步保证了测试的准确度。

结合第一方面或第一方面第一实施方式或第一方面第二实施方式或第一方面第三实施方式或第一方面第四实施方式或第一方面第五实施方式或第一方面第六实施方式或第一方面第七实施方式，在第一方面第八实施方式中，所述设备还包括：

测温组件，包括多个测温单元，所述测温单元分布在电感组件的表面。

结合第一方面第八实施方式，在第一方面第九实施方式中，所述测温单元为红外测温单元，且所述红外测温单元在所述电感组件的表面均匀分布。

本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备，通过所述测温组件可以实时将样品的温度进行采集；将所述测温单元设置在电感组件表面且均匀分布可以保证样品温度采集的准确性，而且为了提高温度采集的灵敏度且防止对核磁共振测试产生干扰，选择红外测温单元作为所述测温单元。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备的完整结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备的温度梯度测试结果曲线图；

图4是根据本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试结果曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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，本领域技术人员在没有作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。

发明人在对当前已经存在使用核磁共振技术对岩土体进行冻融水分变化测试的设备的研究过程中发现，由于核磁共振测试的结果直接受到温度的影响，样品温度的变化和电感线圈元器件温度的变化都会直接影响核磁共振信号。现有技术中用于冻融水分变化测试的设备一般在用于核磁共振测试的电感线圈以及共振单元与样品之间设置一层保温层，使得电感线圈与样品隔离，以减小电感线圈温度变化对核磁共振信号的影响。然而，由于电感线圈与样品隔离，会导致电感线圈无法直接测试样品的核磁共振信号，从而导致冻融环境下水分变化的测试结果不准确。

为解决上述技术问题，在本发明实施例中提供了一种冻融环境水分迁移测试设备，如图1所示，所述设备包括测试腔体1和共振单元14：所述测试腔体1内设置有样品腔室11、直接设置在所述样品腔室11外侧壁的电感组件12以及设置在所述样品腔室两端的控温组件13，所述共振单元14设置在所述测试腔体1的外侧，且与所述电感组件12连接。其中，所述控温组件13用于对所述样品腔室内的样品进行双端控制。

通过将电感组件12直接设置在样品腔室11的外侧壁，可以避免由于电感组件12与样品隔离，无法直接测得样品的核磁共振信号，从而导致的测试不准确问题；通过将共振单元14设置在测试腔体1外侧，可以避免共振单元14温度变化对核磁共振信号的影响，从而使得测试更加准确；通过在样品腔室11两端设置控温组件13，可以真实的模拟出测试所需的冻融环境，进一步提高测试的准确度。

可选地，如图2所示，所述设备还包括第一保温层15、第二保温层16，其中，所述第一保温层15包覆设置在所述电感组件12的外侧壁；所述第二保温层16包覆设置在所述第一保温层15的外侧壁，且所述第二保温16层完全包覆所述第一保温层15对应于所述样品腔室11的部分。

通过所述第一保温层15与第二保温层16，可以保证在测试时，样品温度的传导方向严格按照所述第一保温层15与所述第二保温层16的摆放位置所进行。

可选地，如图2所示，所述电感组件12包括电感线圈骨架121、电感线圈122，其中，所述电感线圈骨架121直接贴合设置在所述样品腔室11的外侧壁，两端分别伸出所述样品腔室11的

两端；所述电感线圈122绕设在所述电感线圈骨架121上，所述共振单元14与所述电感线圈122连接。

电感线圈骨架121为电感线圈122提供了绕线支撑，且所述电感线圈骨架121直接贴合样品腔室的外侧壁，可以直接测得样品的核磁共振信号，从而保证了测试更加准确。

可选地，所述电感线圈骨架121为无机非金属骨架。

通过将电感线圈骨架121设置为无机非金属骨架，可以减小在测试时，由于温度对其弹性形变的影响导致所述电感线圈骨架121发生弹性形变，进而影响电感线圈122的分布，从而导致样品的核磁共振信号不准确的问题。

可选地，如图2所示，所述控温组件13包括第一控温层131、第二控温层132，其中，所述第一控温层131分别填充在所述样品腔室11的两端，所述第一控温层131的端面分别与所述电感线圈骨架121的端面平齐；所述第二控温层132设置在所述电感线圈骨架121的两端，且包覆所述第一控温层131，所述第二控温层132与所述第二保温层16连接。

在测试时，所述第一控温层131设置在样品腔室11的两端，分别与电感线圈骨架121的端面平齐；所述第二控温层132设置在所述电感线圈骨架121的两端，且包覆所述第一控温层131，可以将温度通过所述第一控温层131传递给样品；且所述第二控温层132与所述第二保温层16连接，可以在所述第二保温层16上形成温度梯度场，该温度梯度场可将室温环境与样品环境进一步隔离，同时由于所述第二保温层16与所述第二控温层132连接，从而使得所述第二保温层16的温度分布接近于样品的温度分布，从而使得样品的环境更加接近于真实环境，进而保证了测试的准确性。

可选地，所述第二保温层16为导热陶瓷层。

在测试时，选择导热陶瓷层为所述第二保温层16，不仅起到对样品腔室11进行保温的作用，还保证了电感线圈122附件没有磁敏材料的干扰，进而提升测试的准确度。

可选地，所述第一控温层131为无机非金属材料层，所述第二控温层132为预设导热率的金属层。

在测试时，由于所述第一控温层131直接与所述样品腔室11接触，选择无机非金属材料层作为所述第一控温层131可以有效避免磁敏材料对电感线圈122的影响；选择预设导电率的金属层作为所述第二控温层132可以有效将温度传导给所述第一控温层131。可选地，所述预设导热率可根据实际需求进行选择，为了保证良好的温度传导效果，一般选择高导热率的金属。

可选地，如图2所示，所述设备还包括第三保温层17，包覆设置在所述第二控温层132以及所述第二保温层16的外侧壁。

通过所述第三保温17层对整个测试腔体1进行保温，进一步保证了测试的准确度。需要说明的是，为起到对整个测试腔体1的保温作用，所述第三保温层17可以是一层也可以是多层，在此不做限定。

可选地，如图2所示，所述设备还包括测温组件18，具有多个测温单元，其中，所述测温单元分布在电感组件12的表面。

可选地，所述测温单元为红外测温单元，且所述红外测温单元在所述电感组件12的表面均匀分布。

可选地，还可以选择光纤温度传感器或其他非接触式测温仪器作为所述测温单元；通过所述测温组件可以实时将样品的温度进行采集；将所述测温单元设置在电感组件表面且均匀分布可以保证样品温度采集的准确性，而且为了提高温度采集的灵敏度且防止对核磁共振测试产生干扰，选择红外测温单元作为所述测温单元。

具体地，为满足所述控温组件13的控温性能测试与水分迁移测试的需求，提供一计算机以及温度控制系统，其中，所述温度控制系统包括两个低温流体槽、数据采集模块、四个温度传感器。其中，所述两个低温流体槽分别通过循环软管与所述控温组件13连接，以提供测试所需的温度，所述两个低温立体槽分别设有第一温度传感器与第二温度传感器；所述样品腔室11的两端分别设有第三温度传感器和第四温度传感器，以测试所述控温组件13在所述样品腔室11内形成的高温端温度和低温端温度；所述设备的外侧还设有第五温度传感器以测试环境温度；所述测温组件18的4个测温单元均匀分布在所述电感组件12的表面，以测量所述样品腔室11内部4个测温点的温度；所述四个温度传感器以及所述4个测温单元的输出端分别与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块、所述四个温度传感器以及所述4个测温单元均与所述计算机连接。

测试开始时，启动所述冻融环境水分迁移测试设备、计算机以及所述温度控制系统，在所述计算机上设置预设温度值，所述温度控制系统根据所述预设温度值控制所述低温流体槽的温度，并将所述低温流体槽的低温流体通过循环软管导入所述第二控温层132，以控制所述样品腔室11内的温度，所述第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器以及所述4个测温单元将所述样品腔室11内的温度实时发送给数据采集模块，数据采集模块将所述样品腔室11内的温度实时发送给计算机，并生成如图3所示的时间－温度曲线图，图3中测温点1－测温点4对应为图2所示的从左至右四个测温单元。通过图3可以看出本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试设备可以较为真实的模拟出与真实冻融环境相似的温度梯度，为后续的水分迁移测试提供了基础。

进一步地，本发明实施例还提供了一种利用本发明的设备测试岩土体水分迁移的方法，包括：

(1)对所述岩土体样品进行饱和水处理。

具体地，选用以一长度100mm、直径50mm的砂岩样品，将所述样品置于蒸馏水中，液面盖过所述样品；将浸泡的样品放入真空饱和容器中，开始抽气，保持样品环境的真空压力为100Kpa，时间持续6h以上；真空抽气结束后，将所述样品在常压下静置6h以上。

(2)拆开所述设备一端的第二控温层132，将所述饱和水处理后的样品放置于样品腔室11中后，将所述第二控温层132安装好。

(3)启动所述设备、计算机以及温度控制系统，在所述计算机上设置测试温度值，所述温度控制系统根据所述测试温度值控制低温流体槽的温度，并将所述低温流体槽的低温流体通过循环软管导入所述第二控温层132，第二控温层132通过第一控温层131将温度传导给样品，以控制样品的温度；所述温度组件18中的4个测温单元将所述样品的温度实时发送给数据采集模块，数据采集模块将所述样品的温度实时发送给计算机，以对所述样品的温度进行监测。

(4)当计算机监测到所述样品的温度达到所述测试温度值时，对所述样品进行核磁共振测试，并记录核磁共振信号，以生成位置－核磁共振信号曲线图。

具体地，如图4所示为本发明实施例提供的冻融环境水分迁移测试结果图，如图4所示为在三组不同温度梯度下，样品不同分层的核磁共振信号曲线图，所述核磁共振信号越大则含水率越高，由此可以间接反应所述样品在冻融环境下的水分迁移测。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种冻融环境水分迁移测试设备，其特征在于，包括：

测试腔体，其内设置有样品腔室、直接设置在所述样品腔室外侧的电感组件以及设置在所述样品腔室两端的控温组件；其中，所述控温组件用于对所述样品腔室内的样品进行双端控制；

共振单元，设置在所述测试腔体外侧；其中，所述共振单元与所述电感组件连接；

所述设备还包括：

第一保温层，包覆设置在所述电感组件的外侧壁；

第二保温层，包覆设置在所述第一保温层的外侧壁，且所述第二保温层完全包覆所述第一保温层对应于所述样品腔室的部分。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电感组件包括：

电感线圈骨架，直接贴合设置在所述样品腔室的外侧；其中，所述电感线圈骨架的两端分别伸出所述样品腔室的两端；

电感线圈，绕设在所述电感线圈骨架上，所述共振单元与所述电感线圈连接。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述电感线圈骨架为无机非金属骨架。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控温组件包括：

第一控温层，分别填充在所述样品腔室的两端，所述第一控温层的端面分别与所述电感线圈骨架的端面平齐；

第二控温层，设置在所述电感线圈骨架的两端，且包覆所述第一控温层；其中，所述第二控温层与所述第二保温层连接。

5.根据权利要求1或4所述的设备，其特征在于，所述第二保温层为导热陶瓷层。

6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第一控温层为无机非金属材料层，所述第二控温层为预设导热率的金属层。

7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

第三保温层，包覆设置在所述第二控温层以及所述第二保温层的外侧壁。

8.根据权利要求1－4、6－7中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

测温组件，包括多个测温单元，所述测温单元分布在电感组件的表面。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述测温单元为红外测温单元，且所述红外测温单元在所述电感组件的表面均匀分布。