CZ306358B6 - Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu - Google Patents

Abstract

Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, které je přizpůsobeno k měření časové závislosti změny impedance pórovitého materiálu (například půdy) při jeho sycení vodou a které je charakterizováno tím, že se skládá z alespoň jednoho páru elektrod (3), které jsou umístěny na povrch nebo těsně pod povrch (16) vzorku (1) alespoň jednoho vystrojení (7) měřeného vzorku, odebraného v odběrném válečku (2) a vloženého do komor (4 a 5) pro nastavení potenciálu vlhkosti .FI..sub.1.n. a .FI..sub.2.n., přičemž je zařízení doplněno elektrickými vodiči (8), propojujícími elektrody (3) se vstupy multiplexoru (9) a jeho prostřednictvím se vstupy měřicího můstku (11), kdy periodickou změnu adresy kanálu (10) multiplexoru (9) generuje generátor (14) cyklické adresy řízený časovým generátorem (15) a datalogger (13) monitoruje impedanci právě připojeného páru elektrod i-tého vystrojení (7) měřeného vzorku.

Description

Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu

Oblast techniky

Vynález se týká laboratorního zařízení, sloužícího k měření časové závislosti změny impedance pórovitého materiálu (například půdy) při jeho sycení vodou a z takto pořízených dat k následnému odvození charakteristik nenasycené hydraulické vodivosti.

Dosavadní stav techniky

Nenasycená hydraulická vodivost je vlastnost nenasyceného prostředí vést vodu, charakterizovaná součinitelem v Darcy-Buckinghamově rovnici. Je závislá na vlastnostech prostředí a jeho aktuální vlhkosti (Θ), resp. na vlhkostním potenciálu (Φ). Nejčastěji se nenasycená hydraulická vodivost (Kumsat ) uplatňuje ve vodohospodářské praxi při popisu vlastností půdního prostředí půdy. Křivka vyjadřující hydraulickou vodivost půdy v závislosti na její vlhkosti Κ(θ) je vedle retenční křivky 0(h) důležitou charakteristikou, využívanou mimo jiné při numerickém modelování proudění vody a transportu chemických látek v proměnlivě nasyceném pórovitém prostředí.

Jelikož je měření křivek nenasycené hydraulické vodivosti časově náročné a obtížné, využívá se velmi často metoda numerického odvození z retenční čáry na základě teorie kapilárních modelů (van Genuchten, 1980). V terénu se nenasycená hydraulická vodivost měří podtlakovým diskovým infiltrometrem a rozvíjejí se metody odporového měření (geoelektrické metody). Pracovní postupy jsou časově i organizačně náročné a poskytují výsledek pro jedno měřené místo. Dosavadní metody se nedají uplatnit na odebraných neporušených vzorcích pórovitého materiálu, a tudíž se nedají využívat v laboratoři, která obecně poskytuje standardní podmínky měření, zvyšuje efektivitu prací i nezávislost na povětrnostních podmínkách vyšetřovaného místa. Laboratorní metody (Klute, Dirksen, 1986), založené na dosažení podmínek ustáleného nenasyceného proudění nebo založené na aplikaci výpamých metod (ISO 11275: 2004), vyžadují speciální aparaturu, náročnou přípravu vzorku a delší trvání zkoušky v řádu dní až týdnů.

Seznam použité literatury van Genuchten, Μ. T. (1980): A closed-form solution for predicting the conductivity of unsaturated soils, Soil Sci. Soc. Am. J., 44, 892-898.

Klute, A., and C. Dirksen (1986): Hydraulic conductivity and diffusivity: Laboratory methods, in Methods of Soil Analysis, part I, edited by A. Klute, pp. 687-734, Am. Soc. of Agron., Madison, Wis.

ISO 11275: 2004 Soil quality - Determination of unsaturated hydraulic conductivity and waterretention characteristic; Wind’s evaporation method.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se skládá z alespoň jednoho páru elektrod, které jsou umístěny na povrch nebo těsně pod povrch vystrojení alespoň jednoho měřeného vzorku, odebraného v odběrném válečku a vloženého do komor pro nastavení potenciálu vlhkosti Φ! a Φ₂. Zařízení podle vynálezu je doplněno elektrickými vodiči, propojujícími elektrody se vstupy multiplexoru a jeho prostřednictvím se vstupy měřicího můstku, kdy periodickou změnu adresy kanálu multiplexoru generuje generátor cyklické adresy

- 1 CZ 306358 B6 a datalogger monitoruje impedanci právě připojeného páru elektrod i-tého vystrojení měřeného vzorku.

Zařízení podle vynálezu je charakterizováno tím, že je přizpůsobeno k měření časové závislosti změny impedance vzorku pórovitého materiálu při jeho sycení vodou.

Zařízení podle vynálezu je dále charakterizováno tím, že se skládá z tolika párů elektrod, kolik je vystrojení měřených vzorků (obecně uváděno pořadím i).

Zařízení podle vynálezu umožňuje provádět laboratorní měření současně na několika vzorcích a ve srovnání s obdobnými aparaturami je konstrukčně i uživatelsky nenáročné a zkouška je ukončena během několika hodin podle druhu půdy. Toto zařízení zvyšuje efektivitu práce a umožňuje kontrolovat veškeré podmínky provádění zkoušky za situací, které odpovídají požadavkům zadavatele a které přitom není možné dosáhnout standardně v terénu (např. zohlednění vlivu teploty, výchozí vlhkosti, resp. gradientu vlhkosti atd.).

Zařízení podle vynálezu umožňuje měřit nenasycenou hydraulickou vodivost, což je vlastnost nenasyceného prostředí vést vodu, charakterizovaná součinitelem v Darcy-Buckinghamově rovnici. Je závislá na vlastnostech prostředí ajeho aktuální vlhkosti (Θ), resp. na vlhkostním potenciálu (Φ). K jejímu stanovení zařízením podle vynálezu dochází za podmínek nestacionárního proudění.

Na rozdíl od odporových metod pro přímé stanovení vlhkosti pórovitého materiálu, je vynález založen na principu stanovení časů, které charakterizují změny měřené impedance elektrod při vyvolání nenasyceného proudění vody ve vzorku. První čas charakterizuje počáteční zaznamenanou odchylku impedance elektrod, druhý čas charakterizuje ustávání změny impedance elektrod na konci zkoušky.

Zařízení podle vynálezu umožňuje současné měření několika obdobně vystrojených vzorků, například půdy, kdy je každý vzorek v odběrném válečku opatřen párem elektrod a vložen do komor pro nastavení zvoleného potenciálu vlhkosti. Podstata zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že páry elektrod jsou cyklicky přepínány párovým multiplexorem k měřicímu můstku, který měří impedanci mezi elektrodami a měřená data ukládá v dataloggeru, časově svázaná s momentálně nastavenou adresou zapnutého kanálu párového multiplexoru. V zařízení podle vynálezu jsou jednotlivé vzorky pórovitého materiálu zatíženy hydraulicky různými zápornými potenciály vlhkosti Φ na jedné a na druhé straně odběrného válečku Φ, a Φ₂, což vyvolá nenasycené proudění vody ve vzorku pórovitého materiálu směrem od vyššího potenciálu k nižšímu, přitom je průběžně prováděno měření impedance mezi páry elektrod, umístěnými na straně vzorku s nižším potenciálem vlhkosti Φ₂, přičemž saturace měřené hodnoty impedance indikuje dosažení stavu rovnováhy, odpovídajícímu nastavenému potenciálu vlhkosti na jedné i druhé straně vzorku pórovitého materiálu Φ] a Φ₂. Z délky sloupce pórovitého materiálu L a z nastavené diference hladin AH_(tj. diference potenciálů vlhkosti u záporných tlaků) a z měřeného času dosažení rovnovážného stavu t₂, kdy již nedochází ke změně hodnot měřené impedance, je výpočtem stanovena nenasycená hydraulická vodivost, odpovídající ustálené vlhkosti Θ.

V případě měření několika vzorků najednou je v zařízení podle vynálezu každý pár elektrod připevněn k povrchu vzorku nebo bezprostředně pod tento povrch a pomocí elektrických vodičů se připojuje přes multiplexor na měřicí můstek nastavený pro měření impedance, přičemž se měří změna impedance v čase trvání zkoušky. Párový multiplexor cyklicky přepíná páry elektrických vodičů A, B vedoucích od elektrod vzorku na vstup měřicího můstku a cyklickou změnu adresy kanálu (určující číslo i-tého měřeného vystrojeného vzorku) zajišťuje generátor cyklické adresy, přitom data o čase nastavení adresy kanálu, generovaná časovým generátorem, jsou společně s daty, pořízenými měřicím můstkem, archivována v paměti dataloggeru.

-2CZ 306358 B6

Pracovní postup je přizpůsobován účelu měření a zvolenému konstrukčnímu řešení komor pro nastavení potenciálu vlhkosti Φ] a Φ₂, což souvisí s orientací vzorku pórovitého materiálu (vodorovná nebo svislá orientace podélné středové osy) a požadovaným nastavením hodnot potenciálu (od sacích tlaků v řádu jednotek cm vodního sloupce až po sací tlaky velikosti desítek a stovek metrů ekvivalentu vodního sloupce). Počet měřených vystrojených vzorků je třeba volit v závislosti na předpokládané době potřebné k dosažení ustálených podmínek ve vzorku (tj. na celkové době trvání zkoušky) a na době trvání jednoho opakovaného měření na jedné adrese kanálu, tj. na i-tém vzorku tak, aby byl k dispozici reprezentativní časový snímek každého měřeného vzorku (viz obr. 4).

Přednosti zařízení podle vynálezu lze shrnout takto:

- Univerzálnost zařízení pro širokou škálu volitelných nastavení diference vlhkostních potenciálů při měření a stím související možnost kompletního vykreslení závislosti Kunsat na hodnotě aktuální vlhkosti.

- Univerzálnost pro použití různých typů a rozměrů odběrných válečků.

- Efektivita práce, která je dána možností zpracovávat současně několik vzorků na jednom zařízení.

-Nezávislost na klimatických podmínkách, které omezují provádění polních zkoušek.

- Rychlost provádění zkoušky, automatizace měření a vytvoření standardních podmínek (např. teplota prostředí) pro srovnání naměřených výsledků.

- Reprezentativnost výsledků pro popis hydrofyzikálních charakteristik vzorku.

Objasnění výkresů

Na přiložených výkresech je na obr. 1 schematicky znázorněn obecný princip podmínek měření Kunsat. za nestacionárních podmínek. Vzorek s aktuální vlhkostí je do hydraulického systému zapojen v čase to (čas počátku zkoušky), kdy úrovně hladin jsou ve stejné výšce. V bezprostředně následujícím čase ti (ti v řádu sekund) dojde k přenastavení úrovní hladin na pozice Hi a H₂. Jsou tak vytvořeny podmínky nestacionárního proudění, kdy je zahájen nestacionární proces vyrovnávání vlhkosti vzorku.

Na obr. 2 je znázorněno blokové schéma zařízení podle vynálezu.

Na obr. 3 je fotodokumentace příkladu provedení vystrojení měřeného vzorku v laboratoři Výzkumného ústavu meliorací a ochrany půdy, v.v.i., Praha - Zbraslav, CZ, při měření na keramické fritě s nastaveným sacím tlakem Φι = -0,05 bar a Φ₂>-30 bar (vlhkostní potenciál vzduchu v laboratoři při t [°C] a φ [%]).

Na obr. 4 je graf vykreslení měřených dat dvou vzorků půdy, vyjadřující průběh časové změny impedance elektrod při sycení vzorku sprašové a hnědé půdy vodou při různé volbě diference potenciálu vlhkosti. Vzorek č. 210 je spraš (v grafu označen 1 a 2); Vzorek č. 888 je hnědá půda (v grafu označen 3 a 4).

Následující příklady provedení zařízení podle vynálezu pouze dokládají, ale neomezují.

-3CZ 306358 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Zařízení podle vynálezu bylo vyrobeno pro účely testování vzorků půdy, odebraných do tzv. Kopeckého válečků (objemu cca 100 ml) pro rozsahy diferencí vlhkostního potenciálu, odpovídající podmínkám stanovení retenční křivky na pískovém či kaolínovém boxu. Osa vzorku byla orientována vertikálně, přitom Φ] odpovídá nastavenému sacímu tlaku ve vodní nádržce a Φ₂ odpovídá potenciálu vlhkosti vzduchu v laboratoři při nezakryté vrchní straně vzorku (viz obr. 3).

Páry elektrod 3 mají průměr 1 mm a jsou vyrobeny z nerezového drátu, fixovaného v izolantu PVC destičky a jsou připájeny k elektrickým vodičům 8, vyrobeným z tenkého měděného lanka s bužírkou. PVC izolační destička je rozepřena v mosazném prstenci, který slouží jako zátěž pro vytvoření souvislého tlaku elektrod na povrch 16 vzorku 1 v průběhu zkoušky. Multiplexor 9 je vyroben ze šestice mechanických, dvoukontaktních, hermeticky uzavřených relé se spínacím napětím 12 V, kdy jednotlivá relé jsou spínána na základě adresace generátoru 14 adresy. Adresa se cyklicky mění od 1 do 6 s volitelnou frekvencí od cca 1 do 0,1 Hz. Jeden cyklus měření pak trvá cca 5 až 60 sec. Při výrobě prototypu byl ve funkci měřicího můstku 11 využit laboratorní LCR měřič MOTECH MT 4090. V dalších aplikacích se uvažuje s vybavením účelově konstruovaného měřiče impedance, jaký se používá např. pro měření vlhkosti půdy sádrovými bločky, s rozšířeným rozsahem (od 1 kO do 200 ΜΩ). Měřená data jsou ukládána přes datový kabel RS232 na stolní PC společně s údajem pro identifikaci adresy kanálu 10 multiplexoru 9 (pro následné přiřazení dat měření i-tému měřenému vzorku 1). Pro identifikaci času jednotlivých měření je použito systémových hodin PC. Osobní počítač tak plní současně funkci dataloggeru 13 a časového generátoru 1_5·

Ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy, v.v.i., Praha - Zbraslav, CZ, byly provedeny v letech 2009 a 2010 první praktické testy zařízení podle vynálezu s výše popsanou konfigurací. Vzorky byly podle časového harmonogramu zkoušky pokládány na keramickou fritu s filtračním papírem a syceny zespoda odvzdušněnou vodou při známém sacím tlaku. Výsledky měření vybraných typických vzorků půdy ukazuje obr. 4. Zpracování probíhá na PC v tabulkovém kalkulátoru. Před zkouškou a po jejím ukončení jsou stanoveny hydrofýzikální vlastnosti vzorku pórovitého materiálu (vlhkost gravimetricky, objemová hmotnost redukovaná).

Průmyslová využitelnost

Řešení se týká zařízení pro laboratorní stanovení časových změn impedance elektrod, připevněných ke vzorku a z těchto dat pro nepřímé odvození nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, která je využitelná při analytickém popisu charakteristik pórovitých materiálů (nejčastěji půd a zemin) ve vodním hospodářství, stavebnictví a životním prostředí při hydropedologickém a stavebním průzkumu. Zařízení lze průmyslově vyrábět.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, vyznačující se tím, že se skládá z alespoň jednoho páru elektrod (3), které jsou umístěny na povrch nebo těsně pod povrch (16) vzorku (1) alespoň jednoho vystrojení (7) měřeného vzorku, odebraného v odběrném válečku (2) a vloženého do komor (4 a 5) pro nastavení poten

   -4CZ 306358 B6 ciálu vlhkosti Φι a Φ₂, přičemž je zařízení doplněno elektrickými vodiči (8), propojujícími elektrody (3) se vstupy párového multiplexoru (9) a jeho prostřednictvím se vstupy měřicího můstku (11), kdy periodickou změnu adresy kanálu (10) párového multiplexoru (9) generuje generátor (14) cyklické adresy řízený časovým generátorem (15) a datalogger (13) monitoruje impedanci právě připojeného páru elektrod (3) i-tého vystrojení (7) měřeného vzorku.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že je přizpůsobeno k měření časové závislosti změny impedance páru elektrod (3), umístěných na povrchu nebo těsně pod povrchem (16) vzorku (1) vystrojení (7) měřeného vzorku při jeho sycení vodou.
3. 3. Zařízení podle nároků la2, vyznačující se tím, že se skládá z tolika párů elektrod (3), kolik je vystrojení (7) měřeného vzorku