[發明專利]一種近相變區凍土導熱系數測定裝置與方法

有效

• 申請號: 201510403799.3
• 申請日: 2015-07-10
• 公開（公告）號: CN105044147B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 周國慶;趙曉東;姜雄;賴澤金;呂長霖;季雨坤;劉一飛;張海洋
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種導熱系數測定裝置和方法，尤其適用于高溫段內多個溫度點下測量凍土導熱系數變化的近相變區凍土導熱系數測定裝置和方法。

背景技術

凍土導熱系數測量是評價凍土材料傳熱性能和熱工穩定性的重要指標。現有凍土導熱系數測量方法主要兩類：基于穩態法和基于瞬態法。基于瞬態法的導熱系數測試儀器測試原理是測試探頭瞬間釋放熱量，然后探測溫升梯度，進而計算被測材料導熱系數，這對于低溫狀態凍土（溫度遠離相變區）和融土（不受相變干擾）導熱系數測量是可行的，但是近相變區凍土由于其冰、水相變會受到儀器探頭瞬間加熱干擾造成測試結果失真。基于穩態法的測試儀器和裝置測試精度強烈依賴于被測凍土試樣中溫度分布的線性度，獲得的導熱系數是定值。而相變區凍土中形成的溫度梯度和相應的導熱系數沿凍土高度動態變化。因此，基于穩態法的導熱系數測定結果與相變區凍土導熱系數真實分布模式與具體量值方面存在本質差異。

發明內容

發明目的：針對上述技術問題，提供一種結構簡單，使用方便快捷，精度高的近相變區凍土導熱系數測定裝置和方法。

為實現上述技術目的目的，本發明的近相變區凍土導熱系數測定裝置，包括兩端開口橫置的管狀土樣室，管狀土樣室兩側分別設有起支撐作用的固定板，管狀土樣室內部設有凍土試樣，凍土試樣上安裝有熱流傳感器，管狀土樣室兩端開口處分別設有冷液循環板密封凍土試樣，兩側液體循環板上分別連接有兩根硅膠管，一側的冷液循環板通過兩根硅膠管連接有恒溫裝置Ⅰ，另一側的冷液循環板通過兩根硅膠管連接有恒溫裝置Ⅱ；管狀土樣室由內到外分別設有內隔熱層、保溫絕熱夾層和外隔熱層，管狀土樣室的圓柱面上按管狀土樣室的對稱兩側位置上分別開有兩組各有4個傳感器孔，開在管狀土樣室一側位置的傳感器孔內安裝有探針型溫度傳感器Ⅰ，開在管狀土樣室另一側位置的傳感器孔內安裝有探針型溫度傳感器Ⅱ，探針型溫度傳感器Ⅰ和探針型溫度傳感器Ⅱ通過頭部感溫，探針型溫度傳感器Ⅰ插入至凍土試樣的中間位置，探針型溫度傳感器Ⅱ插入凍土試樣的表皮即可。

所述內隔熱層為壁厚15～20mm的有機玻璃管，外隔熱層為壁厚10～15mm的有機玻璃管，保溫絕熱夾層為聚氯乙烯泡沫塑料空心層或者真空層結構；所述高低溫恒溫液體循環裝置Ⅰ和高低溫恒溫液體循環裝置Ⅱ型號為XT5704LT-R30C；所述探針型溫度傳感器Ⅰ、探針型溫度傳感器Ⅱ和熱流傳感器的型號分別為MF5E-2.202F和GHT-1C。

一種近相變區凍土導熱系數測定方法，其步驟如下：

a. 將與管狀土樣室內部空腔尺寸相同的待測凍土試樣安設在管狀土樣室中；

b. 利用冷液循環板將管狀土樣室兩側的端口封堵起來，在凍土試樣的一側與冷液循環板之間安裝熱流傳感器，將管狀土樣室兩側的端口與冷液循環板的邊緣密封；

c. 利用兩根硅膠管將安裝有熱流傳感器的管狀土樣室一側的冷液循環板與恒溫裝置Ⅰ連接，利用另外兩根硅膠管將管狀土樣室另一側的冷液循環板與恒溫裝置Ⅱ連接起來；

d. 將4支探針型溫度傳感器Ⅰ通過開在管狀土樣室一側位置的傳感器孔插入至凍土試樣的中間位置，將4支探針型溫度傳感器Ⅱ通過開在管狀土樣室另一側的傳感器孔插入凍土試樣的表皮；

e. 開啟恒溫裝置Ⅰ和恒溫裝置Ⅱ，設定恒溫裝置Ⅰ的溫度為近相變區凍土最低溫度，設定恒溫裝置Ⅱ的溫度為近相變區凍土最高溫度；

f. 開啟恒溫裝置Ⅰ和恒溫裝置Ⅱ后，利用針型溫度傳感器Ⅰ和探針型溫度傳感器Ⅱ采集凍土試樣溫度，并將溫度信息發送給計算機，計算機監控接收到的溫度信息，當數值變化穩定后，連同同一時間熱流傳感器發送的數值信息一并記錄下來；

g. 根據預先測量的凍土試樣截面積S，熱流量Q，相鄰測點間距H和溫差ΔT，以及測量時間t，利用公式：QH/(QtΔT）計算不同溫度點下被測凍土試樣的導熱系數。

有益效果：

1.利用本發明裝置中溫度測點數量可根據被測凍土試樣實際條件動態增減，達到獲得近相變區多個溫度點下凍土導熱系數的目的。

2.本發明裝置徑向采用兩層低導熱系數材料的有機玻璃桶和保溫絕緣材料保溫，各層中間為空氣夾層，最大限度降低了凍土徑向熱量損失，提高了測試精度。

3.本發明裝置操作簡單，熱流量測定可以采用現有熱流計，也可聯合現有瞬態法間接獲得。

附圖說明

附圖1為本發明裝置整體結構剖面圖；

附圖2為管狀土樣室的立體圖

附圖3為管狀土樣室的截面圖；

附圖4為冷液循環板的立體圖；