[實用新型]基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀

有效

• 申請號: 201120354038.0
• 申請日: 2011-09-21
• 公開（公告）號: CN202216953U
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: 王海波;楊平;張翔宇;王曉偉;何忠意;張婷
• 申請（專利權）人: 南京林業大學;何忠意
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

技術領域

本實用新型涉及的是一種基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，特別是涉及凍脹融沉溫度的調節及應力自動監測加載，實現凍脹力、有無荷載下凍脹融沉、水分遷移試驗測試等功能的一體化。

背景技術

目前凍脹融沉試驗儀的凍脹和融沉試驗外部溫度調節多采用空間環境箱體制冷或者多路水浴循環進行溫度控制。環境制冷屬于三維凍融，不符合一維凍融方式，水浴循環溫度控制的凍脹融沉試驗儀的凍脹和融沉試驗溫度調節模塊設計多在試樣下部，造成凍脹融沉都與實際土壤的凍脹或融沉方向相反（實際是由上到下，目前試驗儀是由下到上的），不能真實模擬土層在氣溫變化后的凍融反應；而且水浴循環由于采用外部的水浴溫度控制造成對實際土體受冷面溫度控制的即時性、精確性存在不足，尤其不能實現凍脹融沉試驗測試功能的一體化、自動化。目前的補水方式存在隨意性，有通過定量滴定的方式進行補水，甚至是通過人眼觀察手工補水，土工測試規范及煤炭部人工凍土試驗標準中都沒有對于補水進行準確說明，造成與實際自然環境的補水過程有較大差距，尤其補水量較難準確計量，影響了試驗的可信度。為了模擬土體凍結過程中由于溫度梯度而產生的水分遷移現象，本試驗的補水系統采用了馬氏瓶的工作原理，實現補水面的恒壓穩流條件，并根據差壓原理實現了補水量的自動跟蹤采集。加載控制以及力的測試方面，目前對于凍脹融沉測試（有無荷載條件）和凍脹力的測量是分開進行的，且加載一般多是砝碼加載，無法實現自動連續加載；融沉排水問題，本次融沉（有無荷栽）排水的設計采用補水的逆向過程，這里不僅考慮到排水量的實時監測，同時也考慮了排水過程中孔隙水壓力的變化跟蹤監測。控制采集方面，充分解決當前凍脹融沉系統各部分數據采集和各項控制集成智能度不高的現狀。以上這些方法都是從試驗儀器或條件的角度出發來搭建試驗儀器的。

發明內容

本實用新型提出的是一種基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，其目的旨在解決最大限度模擬自然條件下土壤真實凍脹融沉的試驗模擬---凍脹融沉溫度變化從土壤試驗上部開始直到下部（與自然條件下的凍脹融沉一致）；解決根據試樣含水率的變化實現自動補水和排水，補水量和排水孔壓力的精確檢測計量；針對加載和凍脹力及位移測量分散的問題，進行整合實現二者合一并實現連續無級加載；使用BC++?進行軟件編程，借助板卡實現對試驗過程的智能化控制和數據的自動采集，實現功能的模塊化的有效集成。

本實用新型的技術解決方案：其結構包括試驗儀的主體、采集控制裝置、補水裝置、加載裝置，其中補水裝置與試驗儀的主體的底部補水槽體相接，采集控制裝置與試驗儀主體中負責監測試樣溫度梯度變化的A類溫度傳感器、位移傳感器、液壓傳感器以及補水裝置中的水勢差壓傳感器對應相接以實現各物理量的采集，采集控制裝置與半導體制冷體內的B類溫度傳感器、液壓體積控制器相接以實現對制冷體溫度和加載壓力的控制。加載裝置由設在試驗儀的主體中的壓力室內液壓囊與外部的液壓體積控制器組成。

本實用新型的有益效果：能夠最大限度模擬自然條件下土壤真實凍脹融沉的試驗儀器---凍脹融沉溫度變化從土壤試驗上部開始直到下部（與自然條件下的凍脹融沉一致）；溫度的控制方式采用半導體電制冷，并可以高溫低溫同時控制（半導體兩面性）；根據試驗含水量自動對試驗從下部進行自動補水和排水，可對補水量進行精確計量；對排水過程孔壓實現監測。針對加載和凍脹力測量的問題，進行整合實現二者合一并實現連續無級加載；加載設計在腔體內部，實現無極連續自動加載以及鎖定體積后凍脹力的測試，完成凍融與凍脹力的實驗功能集成使用BC++?進行軟件編程，借助板卡實現對試驗過程的智能化控制和數據的自動采集。提高了試驗室凍脹融沉試驗對自然條件的模擬真實度，使得試驗精度大大提高。通過BC++?和?硬件板卡的軟硬件集成使用，使得試驗效率大大提高的同時降低了試驗的勞動強度。

附圖說明

圖1是基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗的結構示意圖。

圖中的1是補水裝置、2是補水槽體、3是A類溫度傳感器、4是位移傳感器、5是液壓傳感器、6是B類溫度傳感器、7是壓力室、8是保溫空心底板、9是保溫試樣載桶、10是T型半導體制冷頭、11是外罩、12是水勢差壓傳感器、13是馬氏瓶、14是補水管路、15是試樣、16是液壓體積控制器、17是加壓管路。

具體實施方式