CN112903424A - 一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,包括热传导多功能旁压器、一体化转换控制装置、压力系统以及控温系统;所述热传导多功能旁压器通过同轴导压管与一体化转换控制装置连接,压力系统和控温系统分别和一体化转换控制装置连接,本发明采用一体化转换控制装置,能够同时实现液体循环流动和压力控制,安装和测试操作更为简便,提高岩土体热力性能测试的效率。
Description
技术领域
本发明属于应用热方法测试技术领域,尤其涉及一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪。
背景技术
在传统的对指定深度处岩土体的热物性参数和岩土体的冻胀参数的测试过程中,所使用的测试仪通常都是将冷热源供水管路与压力管路分开,导致仪器在实际应用过程中不宜顺利放进测试钻孔内,管路不容易保护,并且传统的仪器冷热控制欲压力调节都是单独控制,安装操作均不方便
发明内容
为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种易于安装操作的一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的:
一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,包括热传导多功能旁压器、一体化转换控制装置、压力系统以及控温系统;所述热传导多功能旁压器通过同轴导压管与一体化转换控制装置连接,压力系统和控温系统分别和一体化转换控制装置连接。
进一步的,所述热传导多功能旁压器为圆柱体结构,由内向外依次设有中空腔、内侧不锈钢层、热探头回水管、外侧不锈钢层、热探头进水管以及弹性膜,在热探头回水管的外侧包裹有保温填充物。
进一步的,所述压力系统包括:高压气源和循环水泵;所述高压气源和循环水泵分别与一体化转换控制装置连接。
进一步的,所述控温系统包括:循环水箱、恒温水箱、温度传感器以及数据采集器;所述循环水箱设置于恒温水箱内部,所述温度传感器设置在热传导多功能旁压器的弹性膜外侧,温度传感器和数据采集器连接。
进一步的,所述一体化转换控制装置包括控制柜,在控制柜上设有压力表、目测管控制阀门以及连接接口,所述一体化转换控制装置通过连接接口分别和循环水泵、热传导多功能旁压器、循环水箱以及高压气源连接。
进一步的,所述控制阀门包括截止阀、排气阀、试验加压/注水加压阀、试验/调零阀、循环液体流出阀、循环液体流入阀以及调压阀;所述试验/调零阀在试验位置时用于注水和试验操作,在调零位置时用于调节目测管液位至零刻度;所述连接接口包括循环进接口、导压管接口、循环回接口、水箱加压接口以及气源接口;循环进接口与循环水泵连接,导压管接口通过轴导压管与热传导多功能旁压器连接,循环回接口与循环水箱连接,水箱加压接口连接循环水箱,源接口连接高压气源。
进一步的,所述保温填充物位于内侧不锈钢层与外侧不锈钢层之间所形成的密闭的保温腔内。
进一步的,在热传导多功能旁压器的两端还设有内压环和外压环,内压环紧贴外侧不锈钢层设置,弹性膜盖住内压环,外压环位于内压环的下方,压在弹性膜外侧,弹性膜的两端分别被压在各端的内压环和外压环之间,在内压环的上方设有压环螺母,在压环螺母的外侧设有端护套以将压环螺母、内压环、外压环以及弹性膜的两端套住,在端护套的上端设有压紧螺母,在压紧螺母上方设有管靴。
本发明有益效果如下:
1.兼具岩土体热物性参数原位测试功能和岩土体冻胀参数原位测试功能,
2.可快速准确测试指定深度岩土体的热物性参数,其精度高于室内热物性测试方法;
3.解决了热探针无法测试坚硬岩体的缺陷,以及弥补了传统热响应试验无法测试指定深度岩土体热物性参数的不足;
4.将热源管路与压力管路集成一体化,在实际测试过程中易于保护管路不被损坏;
5.一体化转换控制装置通过压力管路分别与压力系统和控温系统连接,能够同时实现液体循环流动和压力控制,并且安装和测试操作简便,提高岩土体热力性能原位测试的效率,
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明中热传导多功能旁压器的剖面图;
图3为本发明中的一体化转换控制装置示意图;
图中:循环水泵1、抽水管2、分流回水管3、循环进水管4、加压管5、循环回水管6、恒温水箱7、循环水箱8、热传导多功能旁压器9、热探头进水管10、热探头回水管11、温度传感器12、导线13、数据采集器14、同轴导压管15、一体化转换控制装置16、气源管17、高压气源18、管靴19、压紧螺母20、端护套21、螺母22、内压环23、外压环24、特制弹性膜25、外侧不锈钢层26、保温填充物27、内侧不锈钢层28、中空腔29、目测管30、精密压力表31、截止阀32、排气阀33、试验加压/注水加压阀34、试验/调零阀35、循环液体流出阀36、循环液体流入阀37、调压阀38、循环进接口39、导压管接口40、循环回接口41、水箱加压接口42、气源接口43、控制柜44。
具体实施方式
为了进一步描述本发明的技术特点和效果,以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1-3所示,本发明一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪包括:包括热传导多功能旁压器9、一体化转换控制装置16、循环水箱8、恒温水箱7、温度传感器12、数据采集器14、循环水泵1、高压气源18、导线13和压力管路。温度传感器12安装在弹性膜25外侧,通过导线13与数据采集器14连接,用于监测温度随时间变化的数据。循环水泵1提供测试所需的循环液体,通过压力管路分别与循环水箱8和一体化转换控制装置16连接;恒温水箱7加热(或制冷)液体,保证放置于其中的循环水箱8中的液体达到设定温度;一体化转换控制装置16控制有压循环液体和高压气体流入然后给热传导多功能旁压器9加压注水,通过阀门控制压力管路实现试验测试功能。
其中,热传导多功能旁压器9如图2所示,整体呈圆柱形状,由内向外依次为中空腔29、内侧不锈钢层28、热探头回水管11、外侧不锈钢层26、热探头进水管10以及弹性膜25,在热探头回水管11的外侧包裹有保温填充物27。在热传导多功能旁压器9的两端还设有内压环23和外压环24,内压环23紧贴外侧不锈钢层26设置,弹性膜25盖住内压环23,外压环24位于内压环的下方,压在弹性膜25外侧,弹性膜25的两端分别被压在各端的内压环23和外压环24之间,在内压环23的上方设有压环螺母22,在压环螺母22的外侧设有端护套21以将压环螺母22、内压环23、外压环24以及弹性膜25的两端套住,在端护套21的上端设有压紧螺母20,在压紧螺母20上方设有管靴19,通过内外压环24、螺母22、端护套21、压紧螺母20和管靴19等一系列组件将弹性膜25固定在外侧不锈钢层26上,热探头进水管10、热探头回水管11用于连接同轴导压管15,弹性膜25外侧用于安装温度传感器。
一体化转换控制装置16如图3所示,包括控制柜44,在控制柜44上设有压力表31、目测管30控制阀门以及连接接口,所述一体化转换控制装置16通过连接接口分别和循环水泵1、热传导多功能旁压器9、循环水箱8以及高压气源18连接。所述控制阀门包括截止阀32、排气阀33、试验加压/注水加压阀34、试验/调零阀35、循环液体流出阀36、循环液体流入阀37以及调压阀38;所述试验/调零阀在试验位置时用于注水和试验操作,在调零位置时用于调节目测管液位至零刻度;所述连接接口包括循环进接口39、导压管接口40、循环回接口41、水箱加压接口42以及气源接口43;循环进接口39与循环水泵1连接,从循环水泵抽出的水通过此接口进入一体化转换控制装置,导压管接口40通过轴导压管15与热传导多功能旁压器9连接,循环回接口41通过循环水管6与循环水箱8连接,从一体化转换控制装置流出的水通过此接口回流至循环水箱8,水箱加压接口42通过加压管5连接循环水箱8,两者协同实现加压注水。
本测试仪使用方法包括以下步骤:
步骤一、首先通过同轴导压管15将热传导多功能旁压器9与一体化转换控制装置16连接,将热传导多功能旁压器9放入预先施工好的测试钻孔内,给循环水箱8注满液体,
连接好各循环管路,检查好各测试仪表。
步骤二、将循环液体流入阀37和循环液体流出阀38接通,试验加压/注水加压阀34关闭,试验/调零阀35指向上方(即试验位置),排气阀33在关闭位置、截止阀32在连通位置。
步骤三、启动循环水泵1,给仪器注水。将循环水泵1上的分流阀在半开位置(可观察压力表31或循环水泵1的工作状态而随时微量调节),此时循环液体流入热传导多功能旁压器9中,特制橡皮膜(弹性膜25)开始充水膨胀,当液体从循环回水管6中满液(无气泡)流出时关停循环水泵1。
步骤四、关停循环水泵1后热传导多功能旁压器9的弹性膜25中的循环液体逐渐回流至循环水箱8,弹性膜25收缩,待弹性膜恢25复原状,后,将试验/调零阀35指向下(调零位置),目测管液位缓慢下降,待目测管液位到达“0”刻度后,关闭试验/调零阀35。
步骤五、给循环水箱8补满水。
步骤六、将排气阀33打开,将试验/调零阀指向上(试验位置),待目测管30液位(该液位体现热传导多功能旁压器9的弹性膜内25循环液体的压力)自行下降至稳定,记录下其位移值S0备用。
步骤七、将排气阀、截止阀、循环液体流入阀、循环液体流出阀置于关闭位置,将试验加压和注水加压阀指向上(试验加压位置)。用调压阀稍微加压,待目测管液位稳定(热传导多功能旁压器的特制弹性膜25完全贴紧孔壁,记下此时的压力值P1和位移值S1备用。
步骤八、关闭试验/调零阀,关闭试验加压/注水加压阀,松开调压阀,将截止阀、循环液体流入阀、循环液体流出阀置于接通位置。
步骤九、用贴在热传导多功能旁压器9弹性膜25外侧的温度传感器12测定岩土体的温度,开启循环水泵1,开启控温系统将恒温水箱7中液体加热至指定温度。
步骤十、记录加热过程中热传导多功能旁压器周围岩土体的温度随时间变化的数据,绘制温度Tb与时间对数ln(t)的曲线,将该曲线进行直线拟合得到斜率K,根据无限长线热源理论简化公式(其中ql为单位长度热流量,ql=7×106V(Tin-Tout),式中V为循环液体流量(m3/s),Tin和Tout分别为循环液体进、出口温度(℃))即可求出岩土体综合导热系数λs根据无限长线热源理论,利用获取的数据反演岩土体的综合导热系数。
步骤十一、关闭循环水泵1和控温系统(控温系统包括:循环水箱8、恒温水箱7、温度传感器12以及数据采集器14,重复步骤二~步骤八步骤一次,开始测试冻胀参数。
步骤十二、开启循环水泵1和控温系统将恒温水箱中液体制冷至-5℃。
步骤十三、在循环过程中,监测系统压力的变化,如发现压力增大,则可打开排气阀,将试验/调零阀指向上(试验位置),待压力降至于P1值时关闭试验/调零阀、排气阀,继续重复冷却循环。
步骤十四、到达设定温度时,关闭循环水泵1,关闭循环液体流入阀37、循环液体流出阀36,将试验/调零阀35指向上,排气阀33打开,待测管液位稳定后关闭排气阀33,记录下此液位值S2。
步骤十五、将试验加压/注水加压阀指向上(加压位置),用调压阀加压,使液位值下降到S1值时,记录下此时的压力值P2。
步骤十六、计算P2-P1即为此温度下的冻胀力,S2-S1即为冻胀变量(通过体积换算)。
上述实施例不以任何形式限定本发明,凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于,包括热传导多功能旁压器、一体化转换控制装置、压力系统以及控温系统;所述热传导多功能旁压器通过同轴导压管与一体化转换控制装置连接,压力系统和控温系统分别和一体化转换控制装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于:所述热传导多功能旁压器为圆柱体结构,由内向外依次设有中空腔、内侧不锈钢层、热探头回水管、外侧不锈钢层、热探头进水管以及弹性膜,在热探头回水管的外侧包裹有保温填充物。
3.根据权利要求2所述的一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于:所述压力系统包括:高压气源和循环水泵;所述高压气源和循环水泵分别与一体化转换控制装置连接。
4.根据权利要求3所述的一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于:所述控温系统包括:循环水箱、恒温水箱、温度传感器以及数据采集器;所述循环水箱设置于恒温水箱内部,所述温度传感器设置在热传导多功能旁压器的弹性膜外侧,温度传感器和数据采集器连接。
5.根据权利要求4所述的一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于:所述一体化转换控制装置包括控制柜,在控制柜上设有压力表、目测管控制阀门以及连接接口,所述一体化转换控制装置通过连接接口分别和循环水泵、热传导多功能旁压器、循环水箱以及高压气源连接。
6.根据权利要求5所述的一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于,所述控制阀门包括截止阀、排气阀、试验加压/注水加压阀、试验/调零阀、循环液体流出阀、循环液体流入阀以及调压阀;所述试验/调零阀在试验位置时用于注水和试验操作,在调零位置时用于调节目测管液位至零刻度;所述连接接口包括循环进接口、导压管接口、循环回接口、水箱加压接口以及气源接口;循环进接口与循环水泵连接,导压管接口通过轴导压管与热传导多功能旁压器连接,循环回接口与循环水箱连接,水箱加压接口连接循环水箱,源接口连接高压气源。
7.根据权利要求2所述的一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于:所述保温填充物位于内侧不锈钢层与外侧不锈钢层之间所形成的密闭的保温腔内。
8.根据权利要求2所述的一种一体化多功能岩土体热力性能原位测试仪,其特征在于:在热传导多功能旁压器的两端还设有内压环和外压环,内压环紧贴外侧不锈钢层设置,弹性膜盖住内压环,外压环位于内压环的下方,压在弹性膜外侧,弹性膜的两端分别被压在各端的内压环和外压环之间,在内压环的上方设有压环螺母,在压环螺母的外侧设有端护套以将压环螺母、内压环、外压环以及弹性膜的两端套住,在端护套的上端设有压紧螺母,在压紧螺母上方设有管靴。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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