CN112903748B - 一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置及方法，属于土壤热阻测量技术领域，一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，包括金属检测头、温度检测器和加热电源，本发明通过在金属检测头上均匀设置双囊补水器，土壤检测过程中，在对土壤进行加热的同时，热量同时也会将双囊补水器内的水分加热蒸发，蒸发的水分同样向远离热源的方向迁移，从而进入土壤中，对热源附近逐渐干燥的土壤进行水分补充，进而降低土壤含水率变化量，提高土壤热阻以及导热系数的检测准确率，并且，通过综合土壤水分补充与否的检测值，可以检测出水分迁移对土壤热阻的影响结果，同时，通过数据对比可以计算出更为准确的检测数据。
Description
技术领域
本发明涉及土壤热阻测量技术领域，更具体地说，涉及一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置及方法。
背景技术
热阻，是导热材料对热流传导的阻碍能力，导热系数反映的是物质在单位体积下的导热能力。实际上它反映了物质导热的固有能力。这种能力是由物质的原子或分子结构决定的。它是评价物质之间导热能力的参数。导热材料的热阻系数越大，则其对热传导的阻碍能力越强。
热阻baiθ＝L/(λS)——电线(2)式中：λ是导热系数，duzhiL是材料厚度或长度，S是传热面积。物体dao对热流传导的zhuan阻碍能力，与传导路径长度成正比，与通过的截面积成反比，与材料的导热系数成反比。土壤的热阻系数是土壤的基本参数之一，对于直埋电缆线路，其载流能力直接取决于这两个参数，同时对于电缆线路的散热环境改善，也需要精确的确定这两个参数。
目前测量土壤热阻系数的方法有三类：一、取样后，根据土壤成分构成，再通过手册来查取相关土壤的热阻系数，但由于土壤热阻系数不仅受土壤成分的影响，还有土壤含水率等因素的影响，即使成成分相同的土壤，含水率不同，热阻系数也相差很大；二、通过取样，将采集到的样品在试验室内部通过仪器进行测定，这种方法也存在有不能够完全体现出现场土壤原始条件的缺点，不能正确的反映出现场的土壤密实程度、含水率等；三、是现场测量土壤的热阻系数，这种方法能够保留真实的土壤状况，只有在现场进行实时测量，才能满足各种设计、施工以及管理过程对土壤温度、导热系数实时、准确测量的要求。在实际的电缆线路设计、施工与管理过程中，都需要准确的测定电缆线路周围环境土壤的热阻系数以及参数。
但在现场测量土壤热阻时，水汽的迁移现象及土壤热量逸散问题也会影响测量的准确率，由于对突然的加热过程，会导致水汽由热源向外迁移，从而引起加热源附近地方的土壤变干，土壤含水率变化，测量的结果为含水率降低后的土壤热阻，从而使得测量的热阻值与土壤实际的热阻值存在较大误差。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置及方法，它通过在金属检测头上均匀设置双囊补水器，土壤检测过程中，在对土壤进行加热的同时，热量同时也会将双囊补水器内的水分加热蒸发，蒸发的水分同样向远离热源的方向迁移，从而进入土壤中，对热源附近逐渐干燥的土壤进行水分补充，进而降低土壤含水率变化量，提高土壤热阻以及导热系数的检测准确率，并且，通过综合土壤水分补充与否的检测值，可以检测出水分迁移对土壤热阻的影响结果，同时，通过数据对比可以计算出更为准确的检测数据。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，包括金属检测头、温度检测器和加热电源，所述金属检测头的内部填充有绝缘导热填料，所述绝缘导热填料的内部设有加热丝和多个电线，所述加热丝的上端电性连接有导线，所述导线上端依次贯穿绝缘导热填料和金属检测头并与加热电源电性连接，所述电线的上端依次贯穿绝缘导热填料和金属检测头并与温度检测器电性连接，所述金属检测头外端开设有多个均匀分布的主通孔，所述主通孔的内部设有热电偶测温探头，多个所述电线的下端分别延伸至多个主通孔的内部并与其内部的热电偶测温探头电性连接，所述金属检测头的外端还开设有多个均匀分布的副通孔，所述主通孔和副通孔均位于绝缘导热填料的外侧，所述副通孔的内部设有双囊补水器，本发明通过在金属检测头上均匀设置双囊补水器，土壤检测过程中，在对土壤进行加热的同时，热量同时也会将双囊补水器内的水分加热蒸发，蒸发的水分同样向远离热源的方向迁移，从而进入土壤中，对热源附近逐渐干燥的土壤进行水分补充，进而降低土壤含水率变化量，提高土壤热阻以及导热系数的检测准确率，并且，通过综合土壤水分补充与否的检测值，可以检测出水分迁移对土壤热阻的影响结果，同时，通过数据对比可以计算出更为准确的检测数据。
进一步的，所述金属检测头的内部固定连接有水箱，所述水箱位于绝缘导热填料的上侧，所述双囊补水器靠近绝缘导热填料的一端固定连接有输水管，所述输水管远离双囊补水器的一端依次贯穿绝缘导热填料和金属检测头并与水箱固定连接，水箱内的纯水可以通过输水管通入双囊补水器中，实现同时向多个双囊补水器内填充纯水。
进一步的，所述双囊补水器包括单开口壳，所述单开口壳的外端与副通孔的内部固定连接，所述单开口壳远离绝缘导热填料的一端固定连接有弧形微孔滤网，所述弧形微孔滤网的外端固定连接有吸水棉，单开口壳内部的纯水可以通过弧形微孔滤网被吸水棉吸收储存，进而从吸水棉上蒸发进入土壤中。
进一步的，所述输水管的一端贯穿单开口壳并与单开口壳的内侧相通，所述输水管的另一端与水箱的内部相通。
进一步的，所述单开口壳的内侧设有内气囊，所述单开口壳靠近绝缘导热填料的一侧设有外气囊，所述内气囊和外气囊之间固定连接有连通软管，所述内气囊和外气囊均与连通软管相通。
进一步的，所述外气囊的弹性系数大于内气囊的弹性系数，气体可以在内气囊、外气囊和连通软管中相互流动，在向双囊补水器中通入纯水时，随着水的逐渐增大，其对内气囊的压力也逐渐增大，使得内气囊中过多的气体通过连通软管进入外气囊中，外气囊的膨胀程度大于内气囊的膨胀程度；当单开口壳内的水分随着受热蒸发逐渐减少时，纯水对内气囊的压力也相应减小，因外气囊的弹性系数大于内气囊的弹性系数，外气囊内的气体又自动通过连通软管进入内气囊中，外气囊体积减小，内气囊体积膨胀，增大了对纯水的挤压力，使单开口壳内的纯水可以不断受压流出，被吸水棉吸收、蒸发，从而可以实现持续对受热的土壤进行水分补充。
进一步的，所述输水管采用导热材质制成，一方面水箱内的纯水可以通过输水管进入单开口壳中，起到水分传输的作用，另一方面，加热丝通电对绝缘导热填料进行加热后，绝缘导热填料的热量可以快速通过输水管传递至输水管内和单开口壳内的水分中，使单开口壳内部水温升高，进而提高水分蒸发速率，对土壤进行及时有效的补充。
进一步的，所述水箱的上端固定连接有与水箱内部相通的进水管，所述进水管的上端贯穿金属检测头并延伸至金属检测头的外侧，通过进水管向水箱中通入纯水。
一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量方法，包括以下步骤：
S1、通过进水管向水箱中通入足量的纯水，水分通过输水管分别进入各个双囊补水器中；
S2、现场测量时，将金属检测头竖直埋设在待测地点，先启动温度检测器，读取热电偶测温探头的初始检测温度，然后启动加热电源对土壤进行加热，每1-2分钟读取一次温度，直至温度达到平衡；
S3、对测量数据进行分析计算，得出土壤的热阻系数和导热系数。
进一步的，所述步骤S1和步骤S2之间还包括预热操作，所述预热操作具体步骤如下：启动加热电源，使双囊补水器内的纯水预热至一定温度，通过预热操作，可以减小双囊补水器内纯水从升温到开始蒸发这一准备时间，使其蒸发时间可以与土壤水分迁移时间保持同步，提高对土壤进行水分补充的及时性和准确性。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案通过在金属检测头上均匀设置双囊补水器，土壤检测过程中，在对土壤进行加热的同时，热量同时也会将双囊补水器内的水分加热蒸发，蒸发的水分同样向远离热源的方向迁移，从而进入土壤中，对热源附近逐渐干燥的土壤进行水分补充，进而降低土壤含水率变化量，提高土壤热阻以及导热系数的检测准确率，并且，通过综合土壤水分补充与否的检测值，可以检测出水分迁移对土壤热阻的影响结果，同时，通过数据对比可以计算出更为准确的检测数据。
(2)金属检测头的内部固定连接有水箱，水箱位于绝缘导热填料的上侧，双囊补水器靠近绝缘导热填料的一端固定连接有输水管，输水管远离双囊补水器的一端依次贯穿绝缘导热填料和金属检测头并与水箱固定连接，水箱内的纯水可以通过输水管通入双囊补水器中，实现同时向多个双囊补水器内填充纯水。
(3)双囊补水器包括单开口壳，单开口壳的外端与副通孔的内部固定连接，单开口壳远离绝缘导热填料的一端固定连接有弧形微孔滤网，弧形微孔滤网的外端固定连接有吸水棉，单开口壳内部的纯水可以通过弧形微孔滤网被吸水棉吸收储存，进而从吸水棉上蒸发进入土壤中。
(4)输水管的一端贯穿单开口壳并与单开口壳的内侧相通，输水管的另一端与水箱的内部相通。
(5)单开口壳的内侧设有内气囊，单开口壳靠近绝缘导热填料的一侧设有外气囊，内气囊和外气囊之间固定连接有连通软管，内气囊和外气囊均与连通软管相通，外气囊的弹性系数大于内气囊的弹性系数，气体可以在内气囊、外气囊和连通软管中相互流动，在向双囊补水器中通入纯水时，随着水的逐渐增大，其对内气囊的压力也逐渐增大，使得内气囊中过多的气体通过连通软管进入外气囊中，外气囊的膨胀程度大于内气囊的膨胀程度；当单开口壳内的水分随着受热蒸发逐渐减少时，纯水对内气囊的压力也相应减小，因外气囊的弹性系数大于内气囊的弹性系数，外气囊内的气体又自动通过连通软管进入内气囊中，外气囊体积减小，内气囊体积膨胀，增大了对纯水的挤压力，使单开口壳内的纯水可以不断受压流出，被吸水棉吸收、蒸发，从而可以实现持续对受热的土壤进行水分补充。
(6)输水管采用导热材质制成，一方面水箱内的纯水可以通过输水管进入单开口壳中，起到水分传输的作用，另一方面，加热丝通电对绝缘导热填料进行加热后，绝缘导热填料的热量可以快速通过输水管传递至输水管内和单开口壳内的水分中，使单开口壳内部水温升高，进而提高水分蒸发速率，对土壤进行及时有效的补充。
(7)水箱的上端固定连接有与水箱内部相通的进水管，进水管的上端贯穿金属检测头并延伸至金属检测头的外侧，通过进水管向水箱中通入纯水。
附图说明
图1为本发明的正面结构示意图；
图2为图1中A处的结构示意图；
图3为本发明的双囊补水器受热前的正面结构示意图；
图4为本发明的双囊补水器受热后的正面结构示意图；
图5为本发明的输水管的局部正面结构示意图。
图中标号说明：
1金属检测头、101主通孔、102副通孔、2电线、3温度检测器、4加热丝、5加热电源、6进水管、7水箱、8输水管、9双囊补水器、91单开口壳、92内气囊、93外气囊、94连通软管、95弧形微孔滤网、96吸水棉、10热电偶测温探头、11绝缘导热填料。
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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
请参阅图1，一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，包括金属检测头1、温度检测器3和加热电源5，金属检测头1的内部填充有绝缘导热填料11，绝缘导热填料11的内部设有加热丝4和多个电线2，加热丝4的上端电性连接有导线，导线上端依次贯穿绝缘导热填料11和金属检测头1并与加热电源5电性连接，电线2的上端依次贯穿绝缘导热填料11和金属检测头1并与温度检测器3电性连接，金属检测头1外端开设有多个均匀分布的主通孔101，主通孔101的内部设有热电偶测温探头10，多个电线2的下端分别延伸至多个主通孔101的内部并与其内部的热电偶测温探头10电性连接，金属检测头1的外端还开设有多个均匀分布的副通孔102，主通孔101和副通孔102均位于绝缘导热填料11的外侧，副通孔102的内部设有双囊补水器9。
请参阅图1，金属检测头1的内部固定连接有水箱7，水箱7位于绝缘导热填料11的上侧，双囊补水器9靠近绝缘导热填料11的一端固定连接有输水管8，输水管8远离双囊补水器9的一端依次贯穿绝缘导热填料11和金属检测头1并与水箱7固定连接，水箱7内的纯水可以通过输水管8通入双囊补水器9中，实现同时向多个双囊补水器9内填充纯水，水箱7的上端固定连接有与水箱7内部相通的进水管6，进水管6的上端贯穿金属检测头1并延伸至金属检测头1的外侧，通过进水管6向水箱7中通入纯水。
请参阅图2，双囊补水器9包括单开口壳91，单开口壳91的外端与副通孔102的内部固定连接，单开口壳91远离绝缘导热填料11的一端固定连接有弧形微孔滤网95，弧形微孔滤网95的外端固定连接有吸水棉96，单开口壳91内部的纯水可以通过弧形微孔滤网95被吸水棉96吸收储存，进而从吸水棉96上蒸发进入土壤中，输水管8的一端贯穿单开口壳91并与单开口壳91的内侧相通，输水管8的另一端与水箱7的内部相通，输水管8采用导热材质制成，一方面水箱7内的纯水可以通过输水管8进入单开口壳91中，起到水分传输的作用，另一方面，加热丝4通电对绝缘导热填料11进行加热后，绝缘导热填料11的热量可以快速通过输水管8传递至输水管8内和单开口壳91内的水分中，使单开口壳91内部水温升高，进而提高水分蒸发速率，对土壤进行及时有效的补充。
单开口壳91的内侧设有内气囊92，单开口壳91靠近绝缘导热填料11的一侧设有外气囊93，内气囊92和外气囊93之间固定连接有连通软管94，内气囊92和外气囊93均与连通软管94相通，外气囊93的弹性系数大于内气囊92的弹性系数，气体可以在内气囊92、外气囊93和连通软管94中相互流动，在向双囊补水器9中通入纯水时，随着水的逐渐增大，其对内气囊92的压力也逐渐增大，使得内气囊92中过多的气体通过连通软管94进入外气囊93中，外气囊93的膨胀程度大于内气囊92的膨胀程度；当单开口壳91内的水分随着受热蒸发逐渐减少时，纯水对内气囊92的压力也相应减小，因外气囊93的弹性系数大于内气囊92的弹性系数，外气囊93内的气体又自动通过连通软管94进入内气囊92中，外气囊93体积减小，内气囊92体积膨胀，增大了对纯水的挤压力，使单开口壳91内的纯水可以不断受压流出，被吸水棉96吸收、蒸发，从而可以实现持续对受热的土壤进行水分补充。
一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量方法，包括以下步骤：
S1、通过进水管6向水箱7中通入足量的纯水，水分通过输水管8分别进入各个双囊补水器9中；
S2、现场测量时，将金属检测头1竖直埋设在待测地点，先启动温度检测器3，读取热电偶测温探头10的初始检测温度，然后启动加热电源5对土壤进行加热，每1-2分钟读取一次温度，直至温度达到平衡；
S3、对测量数据进行分析计算，得出土壤的热阻系数和导热系数。
步骤S1和步骤S2之间还包括预热操作，预热操作具体步骤如下：启动加热电源5，使双囊补水器9内的纯水预热至一定温度，通过预热操作，可以减小双囊补水器9内纯水从升温到开始蒸发这一准备时间，使其蒸发时间可以与土壤水分迁移时间保持同步，提高对土壤进行水分补充的及时性和准确性。
为了检测的准确性，还可以进行无水分补充的参照检测实验，具体如下：另取一个金属检测头1，直接进行上述步骤S2和S3，计算出在不对土壤进行水分补充情况下土壤的热阻和导热系数，将无水分补充的参照检测实验结果和有水分补充的实际检测结果进行综合分析，得出水分迁移对土壤热阻的影响结果，从而计算出更为准确的检测结果。
本发明通过在金属检测头1上均匀设置双囊补水器9，土壤检测过程中，在对土壤进行加热的同时，热量同时也会将双囊补水器9内的水分加热蒸发，蒸发的水分同样向远离热源的方向迁移，从而进入土壤中，对热源附近逐渐干燥的土壤进行水分补充，进而降低土壤含水率变化量，提高土壤热阻以及导热系数的检测准确率，并且，通过综合土壤水分补充与否的检测值，可以检测出水分迁移对土壤热阻的影响结果，同时，通过数据对比可以计算出更为准确的检测数据。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；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；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，包括金属检测头（1）、温度检测器（3）和加热电源（5），其特征在于：所述金属检测头（1）的内部填充有绝缘导热填料（11），所述绝缘导热填料（11）的内部设有加热丝（4）和多个电线（2），所述加热丝（4）的上端电性连接有导线，所述导线上端依次贯穿绝缘导热填料（11）和金属检测头（1）并与加热电源（5）电性连接，所述电线（2）的上端依次贯穿绝缘导热填料（11）和金属检测头（1）并与温度检测器（3）电性连接，所述金属检测头（1）外端开设有多个均匀分布的主通孔（101），所述主通孔（101）的内部设有热电偶测温探头（10），多个所述电线（2）的下端分别延伸至多个主通孔（101）的内部并与其内部的热电偶测温探头（10）电性连接，所述金属检测头（1）的外端还开设有多个均匀分布的副通孔（102），所述主通孔（101）和副通孔（102）均位于绝缘导热填料（11）的外侧，所述副通孔（102）的内部设有双囊补水器（9）；
所述金属检测头（1）的内部固定连接有水箱（7），所述水箱（7）位于绝缘导热填料（11）的上侧，所述双囊补水器（9）靠近绝缘导热填料（11）的一端固定连接有输水管（8），所述输水管（8）远离双囊补水器（9）的一端依次贯穿绝缘导热填料（11）和金属检测头（1）并与水箱（7）固定连接；
所述双囊补水器（9）包括单开口壳（91），所述单开口壳（91）的外端与副通孔（102）的内部固定连接，所述单开口壳（91）远离绝缘导热填料（11）的一端固定连接有弧形微孔滤网（95），所述弧形微孔滤网（95）的外端固定连接有吸水棉（96）。
2.根据权利要求1所述的一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，其特征在于：所述输水管（8）的一端贯穿单开口壳（91）并与单开口壳（91）的内侧相通，所述输水管（8）的另一端与水箱（7）的内部相通。
3.根据权利要求1所述的一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，其特征在于：所述单开口壳（91）的内侧设有内气囊（92），所述单开口壳（91）靠近绝缘导热填料（11）的一侧设有外气囊（93），所述内气囊（92）和外气囊（93）之间固定连接有连通软管（94），所述内气囊（92）和外气囊（93）均与连通软管（94）相通。
4.根据权利要求3所述的一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，其特征在于：所述外气囊（93）的弹性系数大于内气囊（92）的弹性系数。
5.根据权利要求1所述的一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，其特征在于：所述输水管（8）采用导热材质制成。
6.根据权利要求2所述的一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置，其特征在于：所述水箱（7）的上端固定连接有与水箱（7）内部相通的进水管（6），所述进水管（6）的上端贯穿金属检测头（1）并延伸至金属检测头（1）的外侧。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、通过进水管（6）向水箱（7）中通入足量的纯水，水分通过输水管（8）分别进入各个双囊补水器（9）中；
S2、现场测量时，将金属检测头（1）竖直埋设在待测地点，先启动温度检测器（3），读取热电偶测温探头（10）的初始检测温度，然后启动加热电源（5）对土壤进行加热，每1-2分钟读取一次温度，直至温度达到平衡；
S3、对测量数据进行分析计算，得出土壤的热阻系数和导热系数。
8.根据权利要求7所述的一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S1和步骤S2之间还包括预热操作，所述预热操作具体步骤如下：启动加热电源（5），使双囊补水器（9）内的纯水预热至一定温度。
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