CN111855735A

CN111855735A - 一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置

Info

Publication number: CN111855735A
Application number: CN202010781189.8A
Authority: CN
Inventors: 周凤玺; 赵文沧
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2040-08-06
Also published as: CN111855735B

Abstract

本发明公开了一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，包括温箱、试管、滴液管、雷达测距仪、L形固定架、控制系统和显示屏，温箱为内置有乙醇溶液的中空密封箱，试管的底部插入乙醇溶液中，试管的顶部穿出温箱，试管的顶端设置有橡皮塞，试管内由下至上依次设置有盐溶液和防冻油，滴液管的侧壁上设置有刻度，滴液管的底端穿过橡皮塞，滴液管的顶端、底端均敞口，当盐溶液发生盐胀或冻胀时防冻油的顶端的液面能够将滴液管的底端浸没；雷达测距仪和显示屏均固设在L形固定架上且分别与控制系统信号连接，雷达测距仪位于滴液管的正上方。本发明的盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置提高了盐溶液盐胀及冻胀测量的效率和精确度。

Description

一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置

技术领域

本发明涉及盐溶液测量技术领域，特别是涉及一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置。

背景技术

为探讨硫酸钠盐渍土产生盐胀与冻胀的机理，有必要研究硫酸钠盐溶液在温度变化时的盐胀和冻胀的特征及规律，目前多采用目测的方式测量滴液管中防冻油的体积变化。由于人工目测过程中存在人为操作误差等较多不确定因素，致使测量结果效率低、精度低，难以满足测试需求。同时在测量过程中，结晶盐大量生成或分解，产生大量沿试管长度方向的抗剪力，由于试管加盖橡皮塞后其内部为密封环境，易引起试管内部压力升高或降低，而压力对盐胀、冻胀的影响很大，目前在人工测量过程中往往忽略了试管内部压力变化对盐胀、冻胀产生的不良影响，造成盐溶液盐胀、冻胀测量结果不稳定，差异性较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高盐溶液盐胀及冻胀测量的效率和精确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，包括温箱、试管、滴液管、雷达测距仪、L形固定架、控制系统和显示屏，所述温箱为内置有乙醇溶液的中空密封箱，所述试管的底部插入所述乙醇溶液中，所述试管的顶部穿出所述温箱，所述试管的顶端设置有橡皮塞，所述试管内由下至上依次设置有盐溶液和防冻油，所述滴液管的侧壁上设置有刻度，所述滴液管的底端穿过所述橡皮塞，所述滴液管的顶端、底端均敞口，当所述盐溶液发生盐胀或冻胀时所述防冻油的顶端的液面能够将所述滴液管的底端浸没；所述雷达测距仪和所述显示屏均固设在所述L形固定架上且分别与所述控制系统信号连接，所述雷达测距仪位于所述滴液管的正上方。

优选的，还包括稳压单元，所述防冻油与所述橡皮塞之间的空腔为恒压腔，所述稳压单元包括第一稳压管和第二稳压管，所述第一稳压管和所述第二稳压管均一端穿过所述橡皮塞伸入所述恒压腔内，所述第一稳压管另一端连接有增压泵，所述第二稳压管另一端连接有减压泵，所述增压泵与所述第一稳压管的连接处设置有第一电磁阀，所述减压泵与所述第二稳压管的连接处设置有第二电磁阀，所述增压泵、所述减压泵、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀分别与所述控制系统电连接。

优选的，所述试管中还设置有分别与所述控制系统电连接的温度传感器和压力传感器，所述温度传感器的底端穿过所述防冻油伸入所述盐溶液中，所述压力传感器的底端位于所述恒压腔内。

优选的，所述控制系统包括处理单元、控制单元、储存单元、无线传输单元，所述温箱、所述第一电磁阀、所述第二电磁阀和所述处理单元分别与所述控制单元电连接，所述雷达测距仪通过第一采集单元与所述处理单元电连接，所述温度传感器通过第二采集单元与所述处理单元电连接，所述压力传感器通过第三采集单元与所述处理单元电连接，所述储存单元与所述处理单元电连接，所述处理单元通过所述无线传输单元与所述显示屏和/或外部设备信号连接。

优选的，所述试管通过密封圈所述温箱密封连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置提高了盐溶液盐胀及冻胀测量的效率和精确度。本发明盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置通过雷达测距仪对试管中盐溶液发生盐胀及冻胀时防冻油的高度进行精准测量，由处理单元计算出盐溶液的盐胀率、冻胀率，并通过无线传输单元将盐溶液实时的盐胀率、冻胀率信息传输至显示屏，实现了盐溶液盐胀率、冻胀率的高效、可视化测量，温度传感器实时监测试管中盐溶液的温度，确保盐溶液温度满足实验要求，压力传感器实时监测恒压腔的压力，确保整个测量过程更加精确、稳定。本发明实现了对盐溶液盐胀率、冻胀率的高效、精确、可视化测量，大幅提高盐溶液测量的工作效率及质量，具有良好的经济效益及使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置的结构示意图；

图2为本发明盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置中控制系统的结构示意图；

其中：1、防冻油；2、盐溶液；3、结晶盐；4、乙醇溶液；10、温箱；11、密封圈；20、试管；30、橡皮塞；31、第一稳压管；32、第一电磁阀；33、增压泵；34、第二稳压管；35、第二电磁阀；36、减压泵；40、滴液管；50、雷达测距仪；51、L形固定架；60、温度传感器；70、压力传感器；80、控制系统；81、第一采集单元；82、第二采集单元；83、第三采集单元；84、处理单元；85、无线传输单元；86、储存单元；87、控制单元；88、警示单元；90、显示屏；100、外部设备。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图2所示：本实施例提供了一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，包括温箱10、试管20、橡皮塞30、滴液管40、雷达测距仪50、温度传感器60、压力传感器70、控制系统80、显示屏90，温箱10为内部中空的密封箱体，且在密封箱体上表面开设有圆形通孔，温箱10内部盛有乙醇溶液4，试管20底端设置于温箱10上表面的圆形通孔并延伸至温箱10内部的乙醇溶液4中，以使试管20底端置于恒温或温度呈梯度变化的乙醇溶液4中，试管20顶端设置于温箱10外部，橡皮塞30设置于试管20顶端，以使试管20内部密封，滴液管40底端穿过橡皮塞30并延伸至试管20内部的防冻油1中，滴液管40底端敞口，以与试管20内部联通，以便于目测滴液管40中防冻油1高度变化，滴液管40顶端设置于试管20外部，雷达测距仪50工作端设置于滴液管40正上方，雷达测距仪50工作端始终与滴液管40中心位置保持正对，以测量雷达测距仪50工作端距离防冻油1液面的高度H1，并向第一采集单元81传输高度距离信号，温度传感器60底端穿过橡皮塞30并延伸至试管20内部的盐溶液2中，温度传感器60顶端设置于试管20内部，以监测盐溶液2的实时温度，并向第二采集单元82传输温度信号，压力传感器70底端穿过橡皮塞30并延伸至试管20内部的恒压腔中，压力传感器70顶端设置于恒压腔内，以监测恒压腔中的实时压力，并向第三采集单元83传输压力信号，控制系统80设置于温箱10一侧，显示屏90设置于试管20顶端一侧，以显示盐溶液2的盐胀率或冻胀率、温度、压力等信息。

控制系统80包括第一采集单元81、第二采集单元82、第三采集单元83、处理单元84、无线传输单元85、储存单元86、控制单元87，第一采集单元81接收雷达测距仪50传输的高度距离信号，并将高度距离信号传输至处理单元84，第二采集单元82接收温度传感器60传输的温度信号，并将温度信号传输至处理单元84，第三采集单元83接收压力传感器70传输的压力信号，并将压力信号传输至处理单元84，处理单元84将接收到的高度距离信号与预设距离值比对，并将比对结果按预设的公式计算出盐溶液2的盐胀率、冻胀率，处理单元84还将接收的温度信号、压力信号与预设值比对，处理单元84将盐胀率、冻胀率信息及比对结果传输至无线传输单元85，并根据比对结果向控制单元87发送控制信号，无线传输单元85将盐胀率、冻胀率信息及比对结果传输至显示屏90，储存单元86储存盐胀率、冻胀率、高度距离信号、温度信号、压力信号等信息，控制单元87根据控制信号向温箱10、第一电磁阀32、第二电磁阀35传输控制指令。

控制系统80还设置有与处理单元84电连接的警示单元88，警示单元88为警示灯或警示音箱。无线传输单元85为蓝牙通信或光子通信或量子通信，以实现处理单元84与显示屏90或外部设备100之间的快速通信。具体的，外部设备100为电脑、手机、显示仪、穿戴设备等。

本方案同时在试管20上设置有雷达测距仪50、温度传感器60、压力传感器70，雷达测距仪50对试管20中盐溶液2发生盐胀及冻胀时防冻油1的高度进行精准测量，由处理单元84计算出盐溶液2的盐胀率、冻胀率，并通过无线传输单元85将盐溶液2实时的盐胀率、冻胀率信息传输至显示屏90，实现了盐溶液2盐胀率、冻胀率的可视化、高效测量，温度传感器60实时监测试管20中盐溶液2的温度，由处理单元84根据盐溶液2温度与预设温度值比对结果向控制单元87传输控制信号，确保盐溶液2温度满足实验要求，确保温箱10均匀降温或升温或恒温，压力传感器70实时监测恒压腔的压力，由处理单元84根据恒压腔压力与预设压力值比对结果向控制单元87发生控制信号，由第一电磁阀32或第二电磁阀35执行控制单元87发送的控制指令，确保恒压腔压力恒定，排除了盐溶液2盐胀率、冻胀率在测量过程中压力产生的不良影响，从而确保整个测量过程更加精确、稳定。本方案实现了对盐溶液2盐胀率、冻胀率的高效、精确、可视化测量，大幅提高盐溶液2的测量工作效率及质量，具有良好的经济效益及使用价值。

在本实施例中，温箱10上表面圆形通孔处还设置有密封圈11，密封圈11为橡胶密封圈，以确保试管20与温箱10在圆形通孔处密封，防止温箱10中的乙醇溶液4向外界挥发，避免出现安全隐患。第一采集单元81、第二采集单元82、第三采集单元83为A/D模块，以实现数据的采集传输，处理单元为比较器或比较电路，控制单元为ARM9微控制器。雷达测距仪50一侧还设置有L形固定架51，L形固定架51一侧与雷达测距仪50固定端连接，L形固定架51靠近雷达测距仪50的一侧还与显示屏90连接，L形固定架51为刚性架体，以便于稳定固定雷达测距仪50及显示屏90。

恒压腔中压力的变化对盐胀、冻胀的影响很大，如不排除，将造成盐溶液2盐胀、冻胀测量结果不稳定、不精确，故本实施例盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置中还设置有稳压单元。稳压单元包括第一稳压管31、第一电磁阀32、增压泵33、第二稳压管34、第二电磁阀35和减压泵36，第一稳压管31一端穿过橡皮塞30并延伸至试管20内部的恒压腔中，另一端设置于试管20外部，第一电磁阀32设置于第一稳压管31另一端，增压泵33与第一电磁阀32连接；第二稳压管34一端穿过橡皮塞30并延伸至试管20内部的恒压腔中，另一端设置于试管20外部，第二电磁阀35设置于设置于第二稳压管34另一端，减压泵36与第二电磁阀35连接。通过控制第一电磁阀32、增压泵33、第二电磁阀35及减压泵36的启闭，可实现对试管20内部恒压腔中压力的有效调节，确保试管20中可以进行不同压力条件下的盐溶液2盐胀及冻胀实验及其盐胀率、冻胀率的测量。

本实施例盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置的工作过程如下：

将硫酸钠盐溶液2和防冻油1盛于试管20中，硫酸钠盐溶液2浓度大于15％，并预留有足够的恒压腔，以满足盐溶液2盐胀及冻胀实验要求，温箱10温度为-20～40℃，试管20盐溶液2温度为-18℃～35℃，压力以当地大气压P0为准。通过控制单元87控制温箱的温度逐渐降低，使得硫酸钠盐溶液2发生盐胀及冻胀现象，在试管20底部生成大量Na₂SO₄·10H₂0结晶盐3，该结晶盐3体积变化巨大，推动盐溶液2向试管20顶端移动，进而使防冻油1高度上升至滴液管40最底端，该处位置防冻油1液面高度为H0，随着结晶盐3体积的持续增大，防冻油1高度逐渐高于滴液管40最底端，促使滴液管40中液位不断上升，同时防冻油1与橡皮塞30之间的恒压腔空间不断受到结晶盐3体积变大所引起的挤压，致使恒压腔中压力升高，压力传感器70监测到恒压腔中压力增大，处理单元84向控制单元87发送控制信号，控制单元87向第一电磁阀32、增压泵33发送关闭指令，向第二电磁阀35、减压泵36发生开启指令，以对恒压腔减压，确保恒压腔中压力恒定；当压力传感器70监测到恒压腔中的压力减小时，处理单元84向控制单元87发送控制信号，控制单元87向第一电磁阀32、增压泵33发送开启指令，向第二电磁阀35、减压泵36发送关闭指令，以对恒压腔增压，确保恒压腔中压力恒定；

而同时雷达测距仪50工作端的天线会射出电磁波，这些电磁波经滴液管40中防冻油1液面反射后，再被雷达测距仪50天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到防冻油1液面的距离成正比，可测量出雷达测距仪50工作端距离防冻油1液面的高度，即H1＝CT/2(C：光速；T：电磁波运行时间)，雷达测距仪50记录每次电磁波发射-接收时间，电磁波的传输速度为常数，即可测量雷达测距仪50与防冻油1液面的距离H1，不需传输媒介，不受大气、蒸汽影响，测量结果更加精确、稳定。雷达测距仪50将H1的高度距离信号传输至第一采集单元81，第一采集单元81再将H1的高度距离信号传输至处理单元84，处理单元84中预设有滴液管40长度预设距离值H，还预设有雷达测距仪50工作端与滴液管40顶端之间的预设距离值H’，由处理单元84将H1与H、H’比对，计算出ΔH＝H+H’-H1，该ΔH即为防冻油1液面的高度，并计算出防冻油1液面的体积变化量ΔV＝πR2·ΔH(其中R为滴液管40的半径)，处理单元84还预设有试管20中盐溶液2的体积预设值V，并按照公式η＝ΔV/V·100％计算出盐胀率或冻胀率，处理单元84通过无线传输单元85将盐溶液2的盐胀率或冻胀率信息及ΔH信息传输至显示屏90，由显示屏90实时显示盐溶液2的盐胀率或冻胀率及防冻油1液面实时高度；温度传感器60将试管20中盐溶液2实时温度T1信号传输至第二采集单元82，再由第二采集单元82将T1的温度信号传输至处理单元84，由处理单元84将T1与预设温度值T0比对，计算出ΔT＝T1-T0，处理单元84根据ΔT比对结果向控制单元87发送控制信号，以对温箱10进行降温或升温，还通过无线处理单元84将盐溶液2的ΔT信息传输至显示屏90，由显示屏90显示盐溶液2的实时温度。压力传感器70将试管20中恒压腔实时压力P1信号传输至第三采集单元83，再由第三采集单元83将P1的温度信号传输至处理单元84，由处理单元84将P1与预设温度值P0比对，计算出ΔP＝P1-P0，处理单元84根据ΔP比对结果向控制单元87发送控制信号，以对恒压腔进行增压或减压，还通过无线处理单元84将盐溶液2的ΔP信息传输至显示屏90，由显示屏90显示恒压腔的实时压力。

同时，处理单元84中除预设最小的高度距离预设值H0、温度预设值T0、压力预设值P0外，还预设有最高的高度距离预设值H0’、温度预设值T0’、压力预设值P0’，当ΔH、ΔT、ΔP分别大于H0’、T0’、P0’时，由处理单元84向警示单元88发送报警信号，从而使警示单元88的警示灯或警示音箱工作，提醒现场人员及时排除安全隐患。

需要注意的是实施例盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置除能够实现对硫酸钠盐溶液2的盐胀率、冻胀率的高效、精准、可视化测量外，还可以实现对含HCO₃ ^-、Cl^-、SO₄ ^2-、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺等离子盐溶液的盐胀率、冻胀率的高效、精准、可视化测量。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，其特征在于：包括温箱、试管、滴液管、雷达测距仪、L形固定架、控制系统和显示屏，所述温箱为内置有乙醇溶液的中空密封箱，所述试管的底部插入所述乙醇溶液中，所述试管的顶部穿出所述温箱，所述试管的顶端设置有橡皮塞，所述试管内由下至上依次设置有盐溶液和防冻油，所述滴液管的侧壁上设置有刻度，所述滴液管的底端穿过所述橡皮塞，所述滴液管的顶端、底端均敞口，当所述盐溶液发生盐胀或冻胀时所述防冻油的顶端的液面能够将所述滴液管的底端浸没；所述雷达测距仪和所述显示屏均固设在所述L形固定架上且分别与所述控制系统信号连接，所述雷达测距仪位于所述滴液管的正上方。

2.根据权利要求1所述的盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，其特征在于：还包括稳压单元，所述防冻油与所述橡皮塞之间的空腔为恒压腔，所述稳压单元包括第一稳压管和第二稳压管，所述第一稳压管和所述第二稳压管均一端穿过所述橡皮塞伸入所述恒压腔内，所述第一稳压管另一端连接有增压泵，所述第二稳压管另一端连接有减压泵，所述增压泵与所述第一稳压管的连接处设置有第一电磁阀，所述减压泵与所述第二稳压管的连接处设置有第二电磁阀，所述增压泵、所述减压泵、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀分别与所述控制系统电连接。

3.根据权利要求2所述的盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，其特征在于：所述试管中还设置有分别与所述控制系统电连接的温度传感器和压力传感器，所述温度传感器的底端穿过所述防冻油伸入所述盐溶液中，所述压力传感器的底端位于所述恒压腔内。

4.根据权利要求3所述的盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，其特征在于：所述控制系统包括处理单元、控制单元、储存单元、无线传输单元，所述温箱、所述第一电磁阀、所述第二电磁阀和所述处理单元分别与所述控制单元电连接，所述雷达测距仪通过第一采集单元与所述处理单元电连接，所述温度传感器通过第二采集单元与所述处理单元电连接，所述压力传感器通过第三采集单元与所述处理单元电连接，所述储存单元与所述处理单元电连接，所述处理单元通过所述无线传输单元与所述显示屏和/或外部设备信号连接。

5.根据权利要求1所述的盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，其特征在于：所述控制系统还包括与所述处理单元电连接的警示单元，所述警示单元为警示灯或警示音箱。

6.根据权利要求1所述的盐溶液盐胀及冻胀高效、精准测量装置，其特征在于：所述试管通过密封圈所述温箱密封连接。