DD279800A3

DD279800A3 - DEVICE FOR DETERMINING HYSTERENT CAPILLARY PRESSURE FLUID PART VALUES

Info

Publication number: DD279800A3
Application number: DD30003887A
Authority: DD
Inventors: Claus Nitsche; Ludwig Luckner; Peter-Wolfgang Graeber
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1987-02-19
Filing date: 1987-02-19
Publication date: 1990-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung hystereser Kapillardruck-Fluidanteil-Werte poroeser Medien zur Prozesssimulation in der Bodenkunde, Hydromelioration usw. Ausgehend von einer Vorrichtung, bei der der Probenkammer (1) eine Pipette (6) und eine Steigleitung (7) zugeordnet sind, die oben mit einem Ypsilonstueck und unten ueber wenigstens einen Dreiwegehahn mit einer Anschlussleitung (8), die zur Probenkammer (1) fuehrt, verbunden sind, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Pipette (6) eine Leitung (9) geschaltet ist, die Parallelleitung (9) oberhalb der Pipette (6) ueber einen Dreiwegehahn (4.1) mit dem Ypsilonstueck (13) verbunden ist und unten ueber einen weiteren Dreiwegehahn (4.2) und ein nach oben gerichtetes Mundstueck (10) in die Pipette (6) hineinragt und die Oeffnung des Mundstueckes (10) in Hoehe der Mitte der Bodenprobe in der Probenkammer (1) liegt. Die Oberkante der Mundstueckoeffnung bestimmt die Nullpunktfluidspiegellage. Sie bleibt damit bei der Imbibition trotz sich aendernder Fluidsaeule konstant. Damit hat die Hoehe der Saeule keinen Einfluss mehr auf die Genauigkeit der Messung. FigurThe invention relates to a device for determining hysteresis capillary pressure fluid content values of porous media for process simulation in soil science, hydromeloration, etc. starting from a device in which the sample chamber (1) is associated with a pipette (6) and a riser (7), The invention is characterized in that a line (9) is connected in parallel with the pipette (6), which is connected at the top with a Y-piece and at the bottom via at least one three-way tap with a connecting line (8) leading to the sample chamber (1). the parallel line (9) above the pipette (6) via a three-way cock (4.1) with the Ypsilonstueck (13) is connected and below via a further three-way cock (4.2) and an upwardly directed Mundstueck (10) protrudes into the pipette (6) and the opening of the mouthpiece (10) lies at the level of the center of the soil sample in the sample chamber (1). The upper edge of the mouthpiece opening determines the zero point fluid level. It remains constant at the imbibition despite changing fluid column. Thus, the height of the column has no influence on the accuracy of the measurement. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung hystereser Kapillardruck-Fluidanteil-Werte poröser Medien zur Prozeßsimulation in der Bodenkunde, Hydromelioration usw.The invention relates to a device for determining hysteresis capillary pressure fluid content values of porous media for process simulation in soil science, hydromeloration, etc.

Characteristic of the known state of the art

Zur Ermittlung diskreter Punkte der Kapillardruck-Fluidanteil-Funktion sind Vorrichtungen sowohl für das Vakuum- als auch für das Druckluftverfahren bekannt.For the determination of discrete points of the capillary pressure fluid component function devices are known for both the vacuum and the compressed air method.

Beim Vakuumverfahren wird der erforderliche Unterdruck durch eine hängende Wassersäule oder eine Vakuumpumpe erzeugt. Nach Fiedler, H. J. (Die Untersuchung der Böden. Verlag Theodor Steinkopff, Dresden und Leipzig, 1964, S. 175) befindet sich die Bodenprobe in einer Probenkammer, die nach unten mit einer Filterplatte abgeschlossen ist. Unterhalb der Filterplatte, im allgemeinen eine Keramikplatte, wird der Unterdruck angelegt und dadurch der Bodenprobe Fluid entzogen. Das entzogene Fluid wird in einer Pipette gesammelt und volumetrisch gemessen. Eine Imbibition der Bodenprobe mit dem gesammelten Fluid zur Ermittlung der hysteresen Kapillardruckwerte ist nicht möglich.In the vacuum method, the required negative pressure is generated by a hanging water column or a vacuum pump. According to Fiedler, H. J. (The Investigation of Soils, Verlag Theodor Steinkopff, Dresden and Leipzig, 1964, p. 175), the soil sample is located in a sample chamber, which is closed at the bottom with a filter plate. Below the filter plate, generally a ceramic plate, the negative pressure is applied, thereby removing fluid from the soil sample. The extracted fluid is collected in a pipette and measured volumetrically. Imbibing the soil sample with the collected fluid to determine the hysteresis capillary pressures is not possible.

Es wurde bereits eine Vorrichtung zur Messung hystereser Kapillardruckwert.? nach dem Vakuumprinzip vorgeschlagen (Geodätische, geophysikalische Veröffentlichungen, Reihe 4, H. 32,1981). Der Probenkammor sind eine Pipette und eine Steigleitung zugeordnet. Beide haben in etwa die gleiche Länge. Oben sind sie mit einem Υμ-silonstück verbunden und unten gemeinsam über einen Dreiwegehahn an eine Anschlußleitung zur Probenkammer gelegt. Ein weiterer Dreiwegehahn befindet sich zwischen den beiden unteren Enden von Pipette und Steigleitung. Mit ihm kann einmal die Steig'eitung und einmal der untere Anschluß der Pipette von der Anschlußleitung getrennt werden. Der Überlauf des Ypsilonstückes befindet sich in Höhe der Mit'.e der Bodenprobe in der Probenkammer. Am Ypsilonstück liegt der Unterdruck an. Bei Fluidentzug ist der untere Pipettenanschluß gesperrt. Das Fluid nimmt den Weg von der Probenkammer aus durch die Anschlußleitung nach unten, durch die Steigleitung nach oben und über den Überlauf in die Pipette. Zur Imbibition wird die Steigleitung getrennt und die Pipette an die Anschlußleitung angeschlossen. Der Kapillardruck zieht das Fluid bis auf einen Restwert (Hysterese) in die Bodenprobe hinein. Wesentlicher Mangel dieser Vorrichtung ist, daß bei der Imbibition die Messung bei ständig sich ändernder Fluidsäule in der Pipette erfolgt, d. h. die Messung ist nicht ohne negative Rückwirkung auf den Kapillardruck des porösen Mediums. Beim Druckluftverfahren wird an die Probenkammer eine Gaszuführung angeschlossen und über eine Druckveränderung der nichtbenetzenden Phase (Gas) die Veränderung des Kapillardruckes poröser Medien bewirkt. Das herausgepreßte Fluid wird gemessen (a. a. 0., S. 177). Eine Imbibition des benetzenden Fluids ist nicht möglich.There has already been a device for measuring hysteresis capillary pressure. proposed by the vacuum principle (Geodetic, Geophysical Publications, Series 4, H. 32,1981). The Probenkammor are associated with a pipette and a riser. Both are about the same length. At the top, they are connected to a Υμ-piece of silo and placed together at the bottom via a three-way tap to a connecting line to the sample chamber. Another three-way cock is located between the two lower ends of pipette and riser. With him once the riser and once the lower port of the pipette can be separated from the lead. The overflow of the Ypsilon piece is equal to the Mit'.e of the soil sample in the sample chamber. At the Ypsilonstück the vacuum is applied. With Fluent pull the lower pipette connection is blocked. The fluid takes the path from the sample chamber down through the lead, through the riser up, and over the overflow into the pipette. For imbibition, the riser is disconnected and the pipette connected to the connection line. The capillary pressure draws the fluid into the soil sample to a residual value (hysteresis). The essential shortcoming of this device is that, during imbibition, the measurement takes place with a constantly changing fluid column in the pipette, i. H. the measurement is not without a negative effect on the capillary pressure of the porous medium. In the compressed air process, a gas supply is connected to the sample chamber and causes a change in pressure of the non-wetting phase (gas), the change in the capillary pressure of porous media. The squeezed out fluid is measured (a.a., p.177). An imbibition of the wetting fluid is not possible.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die genaue Messung hystereser Kapi'lardruckwerte.The aim of the invention is the accurate measurement of hysteresis Kapi'lardruckwerte.

Explanation of the essence of the invention

Aufgebe der Erfindung ist es, bei der Imbibition mit konstantem Unterdruck zu arbeiten.Aufgebe the invention is to work in the imbibition with constant negative pressure.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches, dadurch gelöst, daß parallel zur Pipette eine Leitung geschaltet ist, die Parallelleitung oberhalb der Pipette über einen Dreiwegehahn mit dem Ypsilonstück verbunden ist und unten über einen weiteren Dreiwegehahn und ein nach oben gerichtetes Mundstück in die Pipette hineinragt und die Öffnung des Mundstückes in Höhe der Mitte der Bodenprobe in der Probenkammer liegt.According to the invention, this object is achieved on the basis of a device according to the preamble of claim, characterized in that parallel to the pipette, a line is connected, the parallel line is connected above the pipette via a three-way cock with the Ypsilonstück and below another three-way valve and an upward directed mouthpiece protrudes into the pipette and the opening of the mouthpiece at the level of the center of the soil sample in the sample chamber is located.

Die Oberkante der Mundstücköffnung bestimmt die Nullpunktfluidspiegellage. Sie bleibt damit bei der Imbibition trotz sich ändernder Fluidsäule konstant. Damit hat die Höhe der Fluidsäule keinen Einfluß mehr auf die Genauigkeit der Messung.The top of the mouthpiece opening determines the zero point fluid level. It remains constant at the imbibition despite changing fluid column. Thus, the height of the fluid column has no influence on the accuracy of the measurement.

Durch den Anschluß einer Druckluftzuführung an die Probenkammer ist es möglich, im selben System an die Messungen mit einem Kapillardruck über 0,7 bar nahtlos Messungen mit einem darunterliegenden Kapillardruck anzuschließen.By connecting a compressed air supply to the sample chamber, it is possible to seamlessly connect measurements with an underlying capillary pressure in the same system to measurements with a capillary pressure above 0.7 bar.

Ausführungsbeispielembodiment

In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung dargestellt. Eine Probenkammer 1 ist vollständig mit einer Bodenprobe gefüllt. Sie wird an der oberen Stirnseite durch einen Deckel mit Rohrstutzen 2 sowie an der unteren Stirnseite von einem Deckel mit Rohrstutzen und Keramikplatte 3 als fluidseparierende Membran begrenzt. Durch die Keramikplatte strömt Fluid ein (Imbibition) bzw. aus (Fluidentzug). Der Probenkammer 1 ist eine Pipette 6 zur volumetrischen Erfassung des der Probe entzogenen bzw. imbitierten Fluids und eine Steigleitung 7 zugeordnet. Beide sind oben mit einem Ypsilons:ück, an das eine nicht dargestellte Vakuumq'jelle angeschlossen ist, und unten über Dreiwegehähne 4.3 und 4.4 und eino Anschlußleitung 8 mit der Probenkamme; 1 verbunden. Parallel zur Pipette 6 ist eine Leitung 9 geschaltet. Die Parallnlleitung 9 ist an ihrem oberen Ende über einen Dreiwegehahn 4.1 entweder mit der Vakuumquelle oder mit der Pipette 13 verbunden. Sie endet mit einem Munds'ück 10 im unteren Teil der Pipette 6. Die Öffnung des Mundstückes 10 ist nach oben gerichtet. Ihre Oberkante liegt in der Höhe eier Mitte der Bodenprobe in der Probenkammer 1. Der Dreiwegehahn 4.2 dient zur Einstellung der Nullpunktfluidspiegellage (gleich Oberkante der Mundstücköffnung) in der Pipette 6. Außeidem sind der untere Deckel und die Keramikplatte durchbohrt und über einen Dreiwegehahn 4.5 mit einem Standrohr 5 verbunden und an das Mundstück im oberen Deckel 2 ein weiteres Ypsilonstück 11 angeschlossen und diesem ein Meßbecher 12 zugeordnet.In the drawing, an inventively designed device is shown. A sample chamber 1 is completely filled with a soil sample. It is limited at the upper end by a lid with pipe socket 2 and at the lower end of a lid with pipe socket and ceramic plate 3 as a fluid-separating membrane. Fluid flows through the ceramic plate (imbibition) or out (fluid pull). The sample chamber 1 is associated with a pipette 6 for the volumetric detection of the fluid withdrawn or imbibed from the sample and a riser 7. Both are at the top with a Ypsilons: ück, to which a Vakuumq'jelle not shown is connected, and below via three-way valves 4.3 and 4.4 and ao connecting line 8 with the Probenkamme; 1 connected. Parallel to the pipette 6, a line 9 is connected. The Parallnlleitung 9 is connected at its upper end via a three-way cock 4.1 either with the vacuum source or with the pipette 13. It ends with a Munds'ück 10 in the lower part of the pipette 6. The mouth of the mouthpiece 10 is directed upward. Its upper edge is at the height of the middle of the soil sample in the sample chamber 1. The three-way cock 4.2 is used to adjust the zero point fluid level (same top edge of the mouthpiece opening) in the pipette 6. In addition, the lower lid and the ceramic plate are pierced and a three-way valve 4.5 with a Standpipe 5 connected and connected to the mouthpiece in the upper lid 2 another Ypsilonstück 11 and this assigned a measuring cup 12.

Zur Realisierung einer vollständigen Wassersättigung dar Probe wird zu Beginn der Messung die Bodenprobe vom Standrohr aus vollständig mit entgastem Fluid gesättigt und das austretende Flu'd über das Ypsilonstück 11 im Meßbecher 12 gesammelt. Während dieses Vorganges ist das Standrohr 5 über den Dreiwegehahn 4.5 mit der Probenkammer hydraulisch verbunden. Hierbei kann gleichzeitig der hydraulische Durchlässigkeitswert nach Darcy ermittelt werden. Anschließend wird mit dem Dreiwegehahn 4.5 die Probenkammer vom Standrohr 5 hydraulisch getrennt. Danach wird die Vorrichtung über den Dreiwegehahn 4.3 bis auf die Parallelleitung 9 vollständig mit entgastem Wasser gefüllt. Es wird darauf geachtet, daß in der gesamten Vorrichtung bis einschließlich Unterkante der Keramikplatte 3 die Bildung von Gasblasen verhindert wird. Über den Dreiwegehahn 4.1 wird die Vorrichtung mit der Vakuumquelle verbunden. Die Dreiwegehähne 4.3 und 4.4 werden so gestellt, daß ein weiterer Wasserzustrom in die Vorrichtung ve hindert und die Probenkammer von der Vorrichtung hydraulisch getrennt wird. Über den Dreiwegehahn 4.2 wird die Pipette entleert.To achieve a complete water saturation of the sample, the soil sample from the standpipe is completely saturated with degassed fluid at the beginning of the measurement and the exiting Flu'd collected on the Ypsilonstück 11 in the measuring cup 12. During this process, the standpipe 5 is hydraulically connected via the three-way cock 4.5 with the sample chamber. At the same time, the hydraulic permeability value according to Darcy can be determined. Subsequently, the sample chamber is separated hydraulically from the standpipe 5 with the three-way cock 4.5. Thereafter, the device is completely filled via the three-way stopcock 4.3 to the parallel line 9 with degassed water. Care is taken that the formation of gas bubbles is prevented throughout the device up to and including the lower edge of the ceramic plate 3. About the three-way valve 4.1, the device is connected to the vacuum source. The three-way valves 4.3 and 4.4 are set so that further water flow into the device prevents ve and the sample chamber is hydraulically separated from the device. The pipette is emptied via the three-way cock 4.2.

Zur Realisierung der für den Prozeß des Fluidentzuges erforderlichen Änderung des Kapillardruckes der Bodenprobe ist an der Vakuumquelle ein Druck vonTo realize the change in the capillary pressure of the soil sample required for the process of fluid withdrawal, a pressure of

Pabs = Palm - Äh - p_k (1a)Pabs = Palm - Ah - p _k (1a)

mit Ah... Potentialdifferenz zwischen Probenmitte und Abtropfkante der Steigleitung 7with Ah ... potential difference between sample center and drip edge of riser 7

p_k...zu erzeugende Kapillardruckdifferenz einzustellen.p _k ... set to be generated capillary pressure difference.

Für den Prozeß der Imbibition werden die Dreiwegehähne 4.1 und 4.2 so eingestellt, daß der an der Vakuumquelle anliegende Druck über das Mundstück 10 ^:n der Pipette wirksam wird. Da die Oberkante der Öffnung des Mundstückes 10 in der Höhe der Probenkammermitte liegt (daraus folgt Ah = 0), ist an der Vakuumquelle zur Realisierung der für den Prozeß der Imbibition erforderlichen Änderung des Kapillardruckes der Probe ein Druck vonFor the process of imbibition, the three-way valves 4.1 and 4.2 are adjusted so that the voltage applied to the vacuum source pressure on the mouthpiece 10 ^: n of the pipette is effective. Since the upper edge of the opening of the mouthpiece 10 is at the level of the sample chamber center (it follows Ah = 0), at the vacuum source for realizing the required change in the capillary pressure of the sample for the process of Imbibition a pressure of

Pabs - Palm "Pk (1 b)Pabs - Palm "Pk (1 b)

zu realisieren.to realize.

Zur Erzeugung eines Kapillardruckes größer 0,7 bar wird das Druckluftverfahren angewendet. Die Druckluft wird bei noch anliegendem Unterdruck angeschlossen und auf einen solchen Druck eingestellt, bei dem kein Wasser ausfließt. Dieser Wert dient im folgenden als 3ezugswert, so daß spezielle Umrechnungen erspart werden. Nach dem Einstellen des unteren Drucklijftwertes wird die Vakuumquelle über den Dreiwegehahn 4.1 von der Vorrichtung getrennt. Die für den Prozeß des Fluidentzuges erforderliche Änderung des Kapillardruckes der Bodenprobe ergibt sich ausTo generate a capillary pressure greater than 0.7 bar, the compressed air method is used. The compressed air is connected with the vacuum still applied and adjusted to a pressure at which no water flows out. This value is used in the following as a reference value, so that special conversions are spared. After setting the lower Drucklijftwertes the vacuum source is separated via the three-way valve 4.1 of the device. The change in the capillary pressure of the soil sample required for the fluid withdrawal process results

Pabj = Palm + Ah + p_k (2 a)Pabj = Palm + Ah + p _k (2 a)

bzw. für den Prozeß der Imbibition ausor for the process of imbibition

Pabs = Palm + Pk (2 b)Pabs = Palm + Pk (2 b)

Claims

An apparatus for determining hysteresis Kapillardruckwerte on a sample of porous medium, which is located in a closed down with a ceramic plate sample chamber, wherein the sample chamber associated with a pipette and a riser, the top with a Ypsilonstück and below at least a three-way cock with a connecting line leading to the sample chamber, characterized in that parallel to the pipette (6) a line (9) is connected, the parallel line (9) above the pipette (6) via a three-way cock (4.1) mti the Ypsilonstück ( 13) is connected and below via another three-way cock (4.2) and an upwardly directed mouthpiece (10) protrudes into the pipette (6) and the opening of the mouthpiece (10) at the level of the center of the soil sample in the sample chamber (1) ,

2. Device according to item 1, characterized in that at the sample chamber (1) is a compressed air connection (13).