CN205229081U - 冻土骨架比热测试装置 - Google Patents

Abstract

冻土骨架比热测试装置，属于土体性质测试领域，为解决现有冻土骨架比热测试采用量热仪很难达到完全绝热效果，进而导致测试结果不准确的问题。本实用新型循环冷浴槽置于恒温箱内腔底部，保温桶置于循环冷浴槽正上方，加热器和循环冷浴盘管置于恒温箱内壁上，循环冷浴盘管入水口和出水口接入循环冷浴槽，试样盒置于保温桶内部底端，保温桶顶盖上开有三个通孔，贝克曼温度计、搅拌器和第一热敏电阻温度计分别通过通孔插入保温桶内，电动机安装在保温桶外壁上驱动搅拌器，第二热敏电阻温度计置于恒温箱内腔内，温度控制电路根据第一热敏电阻温度计和第二热敏电阻温度计的温度信号控制加热器和循环冷浴槽工作。本实用新型用于冻土骨架比热的测试。

Description

冻土骨架比热测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种冻土骨架比热测试装置，属于土体性质测试领域。

背景技术

目前，国内外针对冻土骨架比热开展的测试试验，采用的是量热仪。量热仪的试验原理是，把具有稳定负温的冻土试样放入正温量热水中，经过一定时间的热交换，试样温度与量热水温度达到平衡。根据能量守恒定律，即试样所吸收的热量等于量热水和量热装置各部分放出的热量。量热法对仪器精密程度和试验操作技术都有复杂而且严格的要求，要尽量避免除量热水、量热装置和冻土试样热交换外的其他热交换。这要求量热仪在工作时间内具有可靠的绝热性能，导致量热仪制作、加工复杂，相关的保温、密封操作繁琐。即便如此，量热仪想达到完全绝热几乎是不可能的，骨架比热的测试精度往往会受到量热仪绝热性能的影响。同时，目前应用量热仪测试冻土骨架比热过程中，以冻结土样的恒温箱内室空气温度代表冻土初始温度。恒温箱内室空气与冻土试样之间的热交换未达到平衡时，用箱内空气温度代表冻土试样初始温度并不准确。上述问题直接影响量热仪法测试冻土骨架比热的准确性。

发明内容

本实用新型目的是为了解决现有冻土骨架比热测试采用的量热仪很难达到完全绝热的效果，进而导致冻土骨架比热的测试结果不准确的问题，提供了一种冻土骨架比热测试装置。

本实用新型所述冻土骨架比热测试装置，它包括恒温箱、加热器、贝克曼温度计、电动机、第一热敏电阻温度计、第二热敏电阻温度计、保温桶、搅拌器、试样盒、循环冷浴槽、循环冷浴盘管和温度控制电路。

循环冷浴槽置于恒温箱的内腔底部，保温桶置于恒温箱的内部，且位于循环冷浴槽的正上方，保温桶内注有量热水，加热器置于恒温箱的内壁上，循环冷浴盘管置于恒温箱的内壁上，循环冷浴盘管的入水口和出水口均接入循环冷浴槽，试样盒置于保温桶内部的底端，且没入量热水中，保温桶的顶盖上开有三个通孔，贝克曼温度计、搅拌器和第一热敏电阻温度计分别通过通孔插入保温桶内部的量热水中，电动机安装在保温桶的外壁上，用于驱动搅拌器，第二热敏电阻温度计置于恒温箱的内腔内，第一热敏电阻温度计和第二热敏电阻温度计的温度信号输出端分别连接至温度控制电路的两个温度信号输入端，温度控制电路的两个温度控制信号输出端分别连接至加热器和循环冷浴槽，温度控制电路根据第一热敏电阻温度计和第二热敏电阻温度计的两个温度信号控制加热器和循环冷浴槽工作，以使恒温箱内的温度与量热水的温度保持恒定相等。

它还包括第一风扇和第二风扇，第一风扇安装在加热器和恒温箱的内壁之间，第一风扇的出风口朝向加热器，第二风扇安装在循环冷浴盘管和恒温箱的内壁之间，第二风扇的出风口朝向循环冷浴盘管。

本实用新型的优点：本实用新型提出的冻土骨架比热测试装置在保温桶内放置热敏电阻温度计，热敏电阻温度计的信号输出端连接到温度控制电路，通过温度控制电路控制加热器和循环冷浴工作，使恒温箱环境温度与量热水温度保持一致，从而杜绝保温桶内部与外部环境的热交换。其中，加热器通过电阻丝产生热量，循环冷浴通过压缩机制冷。本实用新型能够在保证装置易于加工的同时，杜绝保温桶内部与外部环境的热交换，使试验数据更准确。

附图说明

图1是本实用新型所述冻土骨架比热测试装置的结构示意图；

图2是本实用新型所述加热器、循环冷浴盘管、第一风扇和第二风扇的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述冻土骨架比热测试装置，它包括恒温箱1、加热器2、贝克曼温度计3、电动机4、第一热敏电阻温度计5-1、第二热敏电阻温度计5-2、保温桶6、搅拌器7、试样盒8、循环冷浴槽9、循环冷浴盘管9-1和温度控制电路10。

循环冷浴槽9置于恒温箱1的内腔底部，保温桶6置于恒温箱1的内部，且位于循环冷浴槽9的正上方，保温桶6内注有量热水，加热器2置于恒温箱1的内壁上，循环冷浴盘管9-1置于恒温箱1的内壁上，循环冷浴盘管9-1的入水口和出水口均接入循环冷浴槽9，试样盒8置于保温桶6内部的底端，且没入量热水中，保温桶6的顶盖上开有三个通孔，贝克曼温度计3、搅拌器7和第一热敏电阻温度计5-1分别通过通孔插入保温桶6内部的量热水中，电动机4安装在保温桶6的外壁上，用于驱动搅拌器7，第二热敏电阻温度计5-2置于恒温箱1的内腔内，第一热敏电阻温度计5-1和第二热敏电阻温度计5-2的温度信号输出端分别连接至温度控制电路10的两个温度信号输入端，温度控制电路10的两个温度控制信号输出端分别连接至加热器2和循环冷浴槽9，温度控制电路10根据第一热敏电阻温度计5-1和第二热敏电阻温度计5-2的两个温度信号控制加热器2和循环冷浴槽9工作，以使恒温箱1内的温度与量热水的温度保持恒定相等。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括第一风扇11-1和第二风扇11-2，第一风扇11-1安装在加热器2和恒温箱1的内壁之间，第一风扇11-1的出风口朝向加热器2，第二风扇11-2安装在循环冷浴盘管9-1和恒温箱1的内壁之间，第二风扇11-2的出风口朝向循环冷浴盘管9-1。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述试样盒8采用黄铜镀镍试样杯。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，恒温箱1的外壁上开有观测视窗，用于观测贝克曼温度计3、第一热敏电阻温度计5-1和第二热敏电阻温度计5-2的示数。

本实用新型中，采用冻土骨架比热测试装置获取冻土骨架比热的具体过程为：

将烘干后的土料装入两个完全相同的黄铜镀镍试样杯中，确保每个试样杯中土料质量和填土密度完全相同，在其中一个试样杯顶盖钻孔，插入热敏电阻温度计；

将未钻孔的试样杯在天平上称重，获得杯和干土的重量，在杯盖周围涂上硝基漆密封晾干，涂两遍硝基漆密封层更适宜，然后第二次称重，获得杯和干土的重量；

将两个试样杯放入冰箱中，使试样快速充分冻结，并采集热敏电阻温度计的数据，直至温度传感器显示的数值稳定，记录冻土试样初始温度t_s，K；

将保温桶6在天平上称重，然后在保温桶6内注入量热水，保证水面没过保温桶6底部的试样盒8，第二次称重，获得保温桶和水的重量，在保温桶6顶盖上钻孔，插入贝克曼温度计3、搅拌器7、第一热敏电阻温度计5-1和第二热敏电阻温度计5-2，并用发泡胶将孔密封，开启恒温箱1和搅拌器7；

将未钻孔的试样杯放入保温桶6中，监测水温变化，当水温稳定时，记录量热水平衡温度t_n，K；

根据下式计算冻土骨架比热： $C_d=\frac{(C_{cw}{W}_{cw}+K)|t_0^{\′}-t_n^{\′}|-(0.09W_c+0.5W_p)|t_n^{\′}-t_s|}{W_s|t_n^{\′}-t_s|};$

其中：C_d表示土骨架比热，kJ/kg·K；C_c表示黄铜镀镍试样杯比热，0.378kJ/kg·K；

C_p表示硝基漆比热，2.1kJ/kg·K；W_s，W_c，W_p分别表示土颗粒、试样杯、硝基漆的重量，g；C_cw表示量热水的比热，kJ/kg·K；W_cw表示量热水重，g；K表示量热仪仪器常数，kJ/K；t'_n表示经修正后的量热水平衡温度，℃；t_s表示冻土试样的初始温度，K；t'₀表示冻土试样的初始温度，K。

对于冻土骨架比热测试装置来说，其热容量就是量热系统升高1℃所需要的热量，单位kJ/K。当保温桶中水量、贝克曼温度计、温度传感器与搅拌器的浸没的深度以及环境温度等实验条件确定时，热容量一般为常数，即量热仪常数。当所使用的是已知热容量的物质进行仪器标定校正，量热仪常数K为：

其中：Q_m表示标准物质的热容，kJ/kg；Q_m表示标准物质质量，g；t₀表示量热水起始温度，K；t_n表示量热水平衡温度，K，C表示冷却校正值，K，由于测试装置为绝热式，不需冷却校正。

Claims (4)

1.冻土骨架比热测试装置，其特征在于，它包括恒温箱(1)、加热器(2)、贝克曼温度计(3)、电动机(4)、第一热敏电阻温度计(5-1)、第二热敏电阻温度计(5-2)、保温桶(6)、搅拌器(7)、试样盒(8)、循环冷浴槽(9)、循环冷浴盘管(9-1)和温度控制电路(10)，

循环冷浴槽(9)置于恒温箱(1)的内腔底部，保温桶(6)置于恒温箱(1)的内部，且位于循环冷浴槽(9)的正上方，保温桶(6)内注有量热水，加热器(2)置于恒温箱(1)的内壁上，循环冷浴盘管(9-1)置于恒温箱(1)的内壁上，循环冷浴盘管(9-1)的入水口和出水口均接入循环冷浴槽(9)，试样盒(8)置于保温桶(6)内部的底端，且没入量热水中，保温桶(6)的顶盖上开有三个通孔，贝克曼温度计(3)、搅拌器(7)和第一热敏电阻温度计(5-1)分别通过通孔插入保温桶(6)内部的量热水中，电动机(4)安装在保温桶(6)的外壁上，用于驱动搅拌器(7)，第二热敏电阻温度计(5-2)置于恒温箱(1)的内腔内，第一热敏电阻温度计(5-1)和第二热敏电阻温度计(5-2)的温度信号输出端分别连接至温度控制电路(10)的两个温度信号输入端，温度控制电路(10)的两个温度控制信号输出端分别连接至加热器(2)和循环冷浴槽(9)，温度控制电路(10)根据第一热敏电阻温度计(5-1)和第二热敏电阻温度计(5-2)的两个温度信号控制加热器(2)和循环冷浴槽(9)工作，以使恒温箱(1)内的温度与量热水的温度保持恒定相等。

2.根据权利要求1所述的冻土骨架比热测试装置，其特征在于，它还包括第一风扇(11-1)和第二风扇(11-2)，第一风扇(11-1)安装在加热器(2)和恒温箱(1)的内壁之间，第一风扇(11-1)的出风口朝向加热器(2)，第二风扇(11-2)安装在循环冷浴盘管(9-1)和恒温箱(1)的内壁之间，第二风扇(11-2)的出风口朝向循环冷浴盘管(9-1)。

3.根据权利要求1所述的冻土骨架比热测试装置，其特征在于，所述试样盒(8)采用黄铜镀镍试样杯。

4.根据权利要求1所述的冻土骨架比热测试装置，其特征在于，恒温箱(1)的外壁上开有观测视窗，用于观测贝克曼温度计(3)、第一热敏电阻温度计(5-1)和第二热敏电阻温度计(5-2)的示数。