CN210269549U - 建筑材料稳态透水系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种建筑材料稳态透水系数测定仪，包括供排水系统、恒压水箱、测量系统和控制系统，测量系统包括溢流测量模块，控制系统可根据溢流测量模块采集的溢流水量数据调节供水管的水量，水头控制精确，水量电能消耗低，测试周期长，结果准确性高，适用于各类建筑材料透水系数（含非稳态）的测试。

Description

建筑材料稳态透水系数测定仪

技术领域

本实用新型属于一种透水系数测定仪，尤其是一种可在稳定的渗透状态下进行自动测定的建筑材料稳态透水系数测定仪。

背景技术

透水材料在建设“海绵城市”、改善水环境、减少“热岛效应”等方面具有重要的作用，透水系数是评价建筑材料透水性能的一个关键指标。对于如何准确便捷地测定透水系数，目前已取得一些研究成果，有的已纳入相关标准规范，如《透水水泥混凝土路面技术规程》CJJ/T135-2009、《透水路面砖和透水路面板》GB/T 25993-2010、《透水砖》JC/T945-2005等，但相关的测试仪器及测试方法均存在一定的不足。

在透水量测量方面，现有的技术主要采用测量某一短时间段（如5min）集水箱中水的重量或体积的方式，因受集水箱容积的限制，测试时间短，结果误差大。

在水头控制方面，现有的技术主要采用手工调节供水管上阀门的方式控制恒压水箱的进水量，恒压水箱的液面高度难以恒定，且液面受进水水流的扰动存在波动，影响作用在试件迎水面上的压力。受市政供水管网条件的限制，在不同时段供水管道上的压力有较大差异。在水压较低的时段，易造成供水量少于透水量，使液面高度低于预设要求。当测试时间较长时，还需要有人员在岗值守，以便及时调节阀门，控制液面的高度。也有一些技术是在恒压水箱处设置液面监测装置，以便及时对进水量进行调整。由于在正常测试期间，恒压水箱的液面是通过溢流装置来控制实现基本稳定，即其上限高度是固定的。只有当进水量少于透水量引发液面下降时，才会通过液面监测装置触发增加进水量的动作。而且由于触发动作存有一定的滞后性，在实际应用时必然需要将溢流装置的高度设在高于理论水头高度之上的位置，其测试结果的准确性自然也难以保证。

在水量消耗方面，现有的技术采用手工方式调节供水管上阀门，为维持一定的溢流水量（保证水头高度），需要将阀门开得较大，尤其在测试时间较长时，因供水管道上的压力波动较大。难以及时通过阀门精细控制供水管的流量，造成较大的水量和电力消耗。

在结果准确性方面，现有的技术直接以短周期（如5min）所测透水量按达西定律进行结果计算。对于混凝土（包括水泥混凝土和沥青混凝土）、砂浆、砖等透水建筑材料来说，其内部为非匀质的多孔结构。除孔隙结构和含水率外，其透水性能还受气泡（包括水中气泡和试件自身气泡）、悬浮杂质（包括水中杂质和试件自身杂质）、水头高度、加压时间以及温度等因素的影响，因此使用达西定律的前提条件是试件已达到稳定的渗透状态。现有的技术仅仅以人工观察恒压水箱的液面是否稳定来作为判断试件达到稳定渗透状态的依据，不但观察精度低，而且未考虑不同时间段的透水量、测试条件（水压、温度等）的变化情况，其直接套用达西定律所得结果的准确性难以保证。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种建筑材料稳态透水系数测定仪，克服现有技术的不足，水头控制精确，水量电能消耗低，测试周期长，结果准确性高。

本实用新型的建筑材料稳态透水系数测定仪包括供排水系统、恒压水箱、测量系统和控制系统。测量系统包括溢流测量模块，控制系统可根据溢流测量模块采集的溢流水量数据调节供水水量。通过这种控制方式，可保证溢流管中的水量始终处于预设范围内，从而使恒压水箱的液面高度达到恒定状态。而这也是判断试件是否达到稳定渗透状态的基础。

优选的，溢流测量模块采用数字流量计、数字液位计或数字压力传感器。数字流量计可选用涡轮流量计、涡街流量计或超声波流量计等，可测量瞬时流速、瞬时流量、累积流量等信息；数字液位计可选用电容式、浮子式、电磁波、超声波等类型；数字压力传感器可选用电阻式、光电式、磁变式、霍耳式、谐振式等类型。数字流量计、数字液位计或数字压力传感器等测量元件，技术成熟、种类丰富、精度可靠、价格低廉，宜作为溢流测量模块所采用。

优选的，供水管上设有电动调节阀，控制系统可通过电动调节阀调节供水管的水量。供水管的水量如果较小，则恒压水箱中的水头高度低于预设要求；水量如果较大，则相应溢流水量也较大，增加水量和电力消耗，甚至导致溢流不畅使恒压水箱中的水头高度高出预设要求。采用电动调节阀，控制系统可根据测试的实时情况及时调节供水管的水量。

优选的，供排水系统还包括储水箱和水泵。对于需要较长时才能达到稳定渗透状态的试件，通过设置储水箱和水泵，可使溢流水得以循环使用，同时也可减少对测试场所建筑上、下水等条件的要求。

优选的，控制系统可通过水泵调节供水管的水量。采用可调流量水泵（变频电机水泵或变速齿轮水泵等），控制系统可根据测试的实时情况及时调节供水管的水量，从而在节省水量和电力消耗的基础上，保证恒压水箱中的水头恒定。

优选的，恒压水箱内部设有溢流板，溢流板将恒压水箱分隔为静压腔和溢流腔，静压腔设有进水口，溢流腔设有溢流口。恒压水箱中液面的波动情况受溢流口径大小的影响，与溢流管或溢流槽相比，采用溢流板方式可最大限度扩大溢流口径，减少液面的波动，保证水压的平稳。

优选的，恒压水箱中的溢流板的高度可以调节。溢流板的高度决定了测试试件时的水头高度。采用可调节高度的溢流板，可满足不同水头高度的测试条件要求，增大测试仪的使用范围。

优选的，在试件的迎水面设有压力传感器，压力传感器可测量试件迎水面的压力。单纯依靠溢流板来控制水头高度的方法，不能有效监控水位的波动情况（特别是测试周期较长的情况下）。压力传感器可实时监控试件上部的真实压力，有效识别在整个测试周期内压力的波动情况。通过压力传感器采集的水压或温度数据，控制系统可判断是否达到稳定渗透状态并计算试件的透水系数。

优选的，测量系统包括透水测量装置，透水测量装置可测量透过试件的水量。对透水量的测量是透水系数测试仪的核心功能，对水量的测量方法也多种多样。既可以采用传统的量杯测量体积或台秤称重等人工测量方法，也可以采用流量计、传感器等自动测量方法。

优选的，透水测量装置包括数字流量计、数字液位计或数字压力传感器。数字流量计、数字液位计或数字压力传感器等测量元件，技术成熟、种类丰富、精度可靠、价格低廉，宜为透水测量装置所采用，以实现测试工作的自动化。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪在透水量测量、水头控制、水量消耗、结果准确性等方面均有明显的改善和提高。而且配合数字化测量元件及控制系统，可实现测试工作的信息化和自动化。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的恒压水箱透视图；

图2是本实用新型的恒压水箱侧视图；

图3是本实用新型的恒压水箱溢流板高度调节示意图；

图4是本实用新型的第一种实施方式整体示意图；

图5是本实用新型的第一种实施方式恒压水箱内部示意图；

图6是本实用新型的第二种实施方式整体示意图；

图7是本实用新型的第二种实施方式恒压水箱内部示意图；

图8是本实用新型的第三种实施方式整体示意图；

图9是本实用新型的第三种实施方式恒压水箱和试件密封连接示意图。

其中：1、主机，2、电动调节阀，3、密封套，4、试件，5、恒压水箱，6、溢流板，7、溢流腔，8、溢流口，9、静压腔，10、进水口，11、框体，12、储水箱，13、进水管，14、溢流管，15、集水箱，16、透水管，17、数字流量计，18、数字液位计，19、数字压力传感器，20、阀门，21、透水箱。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来对本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪做进一步的详细描述，以求更为清楚地理解本实用新型的结构组成、装配方法和使用方式，但不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪的恒压水箱如图1至图3所示。恒压水箱5的外形根据测试用试件的形状可为方筒或圆筒状，其内部被L形的溢流板6分割为溢流腔7和静压腔9，溢流腔7和静压腔9在溢流板6的上部相连通。在溢流腔7的外壁开有溢流口8，在静压腔9的外壁开有进水口10。为避免进水水流对静压腔9上部液面的扰动（影响作用在试件表面的水压力），进水口10设在静压腔9高度的中部。为满足不同水头高度的测试条件要求，溢流竖板可以采用多块组合拼接的方式调整高度。每块溢流竖板的顶面设有凸起，底面设有凹槽，与恒压水箱5的内壁之间可采用弹性密封垫片或滑槽等方式密封。通过凸凹拼接的方式，可将多个溢流竖板组合成不同的高度。

本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪的第一种实施方式如图4和图5所示。试件4为立方体，恒压水箱5为方筒状，其下部用于封装试件4，上部用于水位调压。恒压水箱5通过其外壁上的安装板固定在框体11上，其正下方向是集水箱15。集水箱15的上部开口尺寸大于恒压水箱5的截面尺寸，其底部为斜面并与透水管16相连。透过试件4的水经集水箱15、透水管16排至设有变频电机水泵的储水箱12。透水管16的水平管路低段区上设有数字流量计17，数字流量计17可测量并采集透水管16的水量数据并传输至主机1。主机1中设有PLC编程控制模块和数据储存处理模块，可对传输来的各类数据进行处理，在显示屏上输出相关信息并控制水泵运行。恒压水箱5和储水箱12之间分别连接有进水管13和溢流管14，溢流管14上设有江苏红旗HQBS-DY10C型电容式数字流量计，管径10mm，精确度0.2%，适用介质温度-20-70℃，带温度和压力补偿，自备锂电池，4-20mA电流输出，带RS-232、RS-485通信接口及无线传输功能，可测量并采集溢流水量的数据。

用弹性材质的密封套3密封试件4的侧面，之后装入恒压水箱5的下部，并在试件4的上表面（迎水面）放置数字压力传感器19。压力传感器19采用MS5534C型压力传感器，功耗低，分辨率达0.01kPa，而且内置温度测量和零点去皮功能，采用小型SMD陶瓷结构，防腐蚀封胶保护，安装便捷。调节恒压水箱5中溢流板6的高度，使其满足预设要求。开启主机1，设置相关测试参数。启动水泵，储水箱12中的水经进水管13进入调压水箱5，其中一部分经溢流管14回流至储水箱12。另一部分透过试件4后，经集水箱15、透水管16排至储水箱12。透水管16和溢流管14上的数字流量计分别测量并采集相应管路中的水量数据，恒压水箱5中的数字压力传感器19测量并采集试件4上表面的压力数据和水温数据，上述数据实时传输至主机1。主机1根据溢流管14的水量数据调节水泵的输出水量，以溢流管14中始终有少量水流为准，此时调压水箱5中的水位处于预设高度，并保持稳定状态。当溢流管14的水量超出预设上限时，表明进水管13的水量较大，因此应予以下调，否则将有较多的进水被无谓消耗，甚至使水头高度超过预设要求；当溢流管14的水量低于预设下限时，表明进水管13的水量较小，因此应予以上调，否则恒压水箱5的水头高度将低于预设要求。

在测试期间，当试件4上表面水压力、水温、测试周期、透水量等测试数据（如瞬时值、平均值、累积值等）及其变化量（如极值、标准差）和变化方向等均满足预设条件时，可判断试件4已达到稳定渗透状态，记录此状态下的测试结果。关闭水泵，水在自重作用下全部排至储水箱12，至此完成1个试件稳态透水系数的测试工作。

当对测试用的水质有较高要求时（如含气量、杂质、可溶物含量、pH值等），为避免流经试件4的水污染储水箱12，可在透水管16或储水箱12中增设净化装置，或者直接将透水管16接至建筑下水排出。

本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪的第二种实施方式如图6和图7所示。试件4为圆柱体，恒压水箱5为圆筒状。溢流腔7中设有数字液位计18。数字液位计18采用江苏红旗HQ-UDZ-01S-11Q型智能电接点液位计，可设置11个控制液位，使用温度10-50℃，4-20mA电流输出，带RS-485通信接口。溢流口8的孔径小于进水口10的孔径，可使溢流腔7中保持一定的水位高度，也便于数字液位计18测量溢流腔7中的水位。

集水箱15底部的透水管16在水平段分为粗细2路，每路均设有阀门和数字流量计。细管路的管径6mm，采用江苏红旗HQLDE-6S-M1X型电磁流量计，精度0.2%，使用温度0-80℃，4-20mA电流输出，带RS-232、RS-485、Mobdus和Hart通信接口；粗管路的管径25mm，其数字流量计17的型号为HQLDE-25S-M1X型。为准确测量透水管路中的水量，需要透水管中的水量稳定且无气泡和压力波动干扰。当试件4的透水能力大时，透水量较大，如使用较小的透水管径，则易在集水箱15处淤积，影响流量测量结果的准确；当试件4的透水能力小时，透水量较小，如使用较大的透水管径，则易在水平管段处形成局部夹附空气甚至断流，从而也影响流量测量结果的准确。因此，设置粗细2个管径，根据试件4的透水能力选择适宜的透水管路，可保证测量结果的准确，而且也增大了测试仪的适用范围。

将试件4密封并装入恒压水箱5下部。由于试件4的预估透水能力较小，打开阀门20使用较细的透水管路。开启主机1，设置相关测试参数，启动水泵进行透水测试。溢流腔7中的数字液位计18和透水管16上的数字流量计分别测量并采集相应管路中的水量数据并传输至主机1。主机1根据溢流腔7中数字液位计18的水量数据调节水泵的输出水量，以溢流腔7中的液面处于预设范围为准，此时调压水箱5中的水位处于预设高度，并保持稳定状态。

在测试期间，当测试周期、透水量等测试数据（如瞬时值、平均值、累积值等）及其变化量（如极值、标准差）和变化方向等均满足预设条件时，可判断试件4已达到稳定渗透状态，记录此状态下的测试结果。

本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪的第三种实施方式如图8和图9所示。试件4为圆柱体，恒压水箱5为方筒状。恒压水箱5的溢流腔7底部设有压力传感器19。进水管13直接与建筑上水相连，其上设有电动调节阀2；溢流管14直接与建筑下水相连。

透过试件4的水经集水箱15、透水管16排至设于框体11底部的透水箱21。透水箱21经阀门20与建筑下水相连。透水箱21的上部（集水箱15的底面）设有数字液位计18。数字液位计18采用江苏红旗HQ2000n型超声波液位计，分辨力1mm，使用温度-20-55℃，带编程输出功能，可测量并采集透水箱21中的水位数据并传输至主机1，主机1根据透水箱21的液位高度和其固有的截面积即可计算出透水量。

用内衬密封套3的刚性外套密封试件4的侧面，通过异形法兰（方圆对接）与恒压水箱5连接，刚性外套的底部设有托杆，用以支撑上部的水和试件4的重量。开启主机1，设置相关测试参数。启动电动调节阀2，对试件4进行透水测试。透水箱21上部的数字液位计18和溢流腔7底部的数字压力传感器19分别测量并采集相应管路中的水量数据，并传输至主机1。主机1根据溢流腔7底部的数字压力传感器19的水量数据调节电动调节阀2的水量，以溢流腔7中的液面高度处于预设范围为准，此时调压水箱5中的水位处于预设高度，并保持稳定状态。当数字压力传感器19所采集的压力值超出预设上限时时，表明溢流腔7中的水位过高，进水管13的水量偏大，因此应予以下调，否则将有较多的进水被无谓消耗，甚至使水头高度超过预设要求；当数字压力传感器19所采集的压力值低于预设下限时时，表明溢流腔7中的水位过低，进水管13的水量偏小，因此应予以上调，否则恒压水箱5的水头高度将低于预设要求。

在测试期间，当测试周期、透水量等测试数据（如瞬时值、平均值、累积值等）及其变化量（如极值、标准差）和变化方向等均满足预设条件时，可判断试件4已达到稳定渗透状态，记录此状态下的测试结果。关闭电动调节阀2，水在自重作用下全部排至透水箱21，至此完成1个试件稳态透水系数的测试工作。打开阀门20，将透水箱21中的水排至建筑下水，清空透水箱21，以便进行下1个试件的测试。

本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪的主机1中设有数据储存处理模块，在计算试件的透水系数时，以达西定律（式1）为理论基础。式中，k为透水系数，Q为时间t内的透水量，L为试件的厚度，A为试件的截面积，H为水头压力，t为测试时间。

（式1）。

达西定律的适用条件包括：匀质材料、一维流动、稳定水头、稳定流量、稳定温度，即达西定律能在稳定状态下（以下简称稳态）评价透水材料的透水系数。因此，如何判定测试条件达到稳态是透水系数结果准确的关键。从（式1）可知，在试件的厚度和截面积一定的前提下，透水系数测试结果的精确性主要取决于水头高度、测试时间和透水量。

现有的技术主要是测量某个固定时间段内的总透水量，或者取某几个特定时间间隔的透水量的平均值，对是否达到稳态不做判断。尤其在测试时间较短、液面波动较大、水头高度较小时，透水系数的计算结果误差较大。本实用新型可实时采集流量、压力或温度数据，并按预设的条件对是否达到稳态进行判断。判断稳态需要考虑的因素包括：各相关数据（透水量、压力、温度）的瞬时值、平均值、累积值及其波动情况等。当满足预设的稳态条件时，计算并储存测试结果，结束测试；否则继续测试，直至达到稳态。

对于在非标准温度下进行的测试，由于受水的动力粘滞系数的影响，需要根据实际温度对透水系数的计算结果进行修正。数字流量计以及MS5534C压力传感器等可内置温度测量补偿功能，在测试期间也可将水的温度同步输出至数据处理系统，从而方便实现对透水系数计算结果的修正，进一步提高了测试结果的准确性。

显而易见，本实用新型建筑材料稳态透水系数测定仪既可用于稳态透水系数的测试，也可用于非稳态的测试。其测试时间、水头高度、取值要求、判定条件等均可根据需要灵活调整设置，从而使其适用于各类建筑材料透水系数的测试。

除了上述实施例和使用方式说明外，本实用新型的建筑材料稳态透水系数测定仪还存在其他类似的结构形式、装配方法和使用方式，同样可以完成本实用新型的目的。只要对于本领域技术人员来说是显而易见的变换和替代，均应落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种建筑材料稳态透水系数测定仪，包括供排水系统、恒压水箱、测量系统和控制系统，所述供排水系统包括供水管、溢流管和透水管，所述供水管的水，一部分进入所述溢流管，另一部分透过试件进入所述透水管，其特征在于：所述测量系统包括溢流测量模块，所述控制系统可根据所述溢流测量模块采集的溢流水量数据调节所述供水管的水量。

2.按权利要求1所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述溢流测量模块采用数字流量计、数字液位计或数字压力传感器。

3.按权利要求1所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述供水管上设有电动调节阀，所述控制系统可通过所述电动调节阀调节所述供水管的水量。

4.按权利要求1所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述供排水系统还包括储水箱和水泵。

5.按权利要求4所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述控制系统可通过所述水泵调节所述供水管的水量。

6.按权利要求1所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述恒压水箱内部设有溢流板，所述溢流板将所述恒压水箱分隔为静压腔和溢流腔，所述静压腔设有进水口，所述溢流腔设有溢流口。

7.按权利要求6所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述溢流板的高度可以调节。

8.按权利要求1所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：在所述试件的迎水面设有压力传感器，所述压力传感器可测量所述试件迎水面的压力。

9.按权利要求1所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述测量系统包括透水测量装置，所述透水测量装置可测量透过所述试件的水量。

10.按权利要求9所述的建筑材料稳态透水系数测定仪，其特征在于：所述透水测量装置包括数字流量计、数字液位计或数字压力传感器。

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