应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪制造技术

本发明专利技术提供了一种应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪，用于测量样品经历物理或化学状态变化过程中的阻抗和复电阻率。在该测量仪中，一个可变频率的电信号施加在变压器的初级线圈上；而变压器的次级线圈具有闭合回路并电耦合所述样品，对该次级线圈进行监视，样品内部所感应的电流则通过漏电流传感器测量。该装置还能够对所述样品进行多频率采样测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了一种采用变压器原理来测量样品非接触式阻抗(复电阻率)的装置和方法。具体而言，该装置和方法主要应用于测量混凝土及其它材料从液态向固态转换过程中的阻抗和复电阻率。
技术介绍
水硬硬化水泥基材料例如波特兰水泥的形成包含一系列复杂的反应过程。当水泥颗粒遇水后，相关物理、化学反应及机械过程就开始进行，最终将水-水泥的混合物转化为一种像石头一样的坚硬材料。这种复杂的反应过程称为胶凝材料的水化反应。水化反应的主要特征是伴随着水化产物的形成，材料内部的孔隙逐渐减少。随着水化反应而逐渐形成的网状孔结构将决定胶凝材料的最终物理和力学性质，例如，强度、渗透性和耐久性。因此， 胶凝材料孔结构特征的研究引起学者们广泛的关注。目前已经有很多实验法可以用来测量水泥的孔结构特征，包括水吸附、压汞测孔法(MIP)、氦气测比重法、溶剂置换法、核磁共振 (NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和小角度X射线散射。在众多测量水泥基材料微观孔结构变化的技术中，基于监测水泥水化过程中电性质变化的方法尤为重要。
技术实现思路
通过一定的装置来接收信号发生器和频率合成器提供的信号，可以测出样品经历物理或化学状态变化过程时的阻抗。专利技术装置中所采用的变压器包含一个与信号发生器连接的初级线圈，并且初级线圈和次级线圈中的至少一个与样品耦合。然后，通过对信号发生器产生的多频率信号通过变压器次级线圈发射时感测出多信号频率的信号并感测出漏电流来对多信号频率进行采集。信号采样可以通过使用一个交感阻抗电路来进行。该交感阻抗电路包括至少一个初级电抗电路和一个与样品电感应耦合的次级电抗电路。对次级电抗电路两端的电压进行采样，漏电流根据多频率信号经由交感阻抗电路所产生的变频信号来取样。附图说明图1是非接触式阻抗(复电阻率)测量仪器结构的第一实施例示意图。图2是非接触式阻抗(复电阻率)测量仪器结构的第二实施例示意图。图3A-图3E是描述水泥浆实例1的复电阻率的图形。图3A示出复电阻率模量。图IBB示出复电阻率的实部。图3C示出复电阻率的虚部。图3D示出复电阻率的相位差。图3E示出复电阻率的模量和模量微分。图4A-图4C是描述水泥浆实例2复电阻率的图形。图4A示出复电阻率的实部。图4B示出复电阻率的虚部。图4C示出复电阻率的相位差。图5是描述水泥浆实例3的复电阻率模量的图形。具体实施例方式纖电学测量方法与其他测量方式相比更加敏感而且快捷。水泥基体系水化反应的早期物质的电导几乎全部处于电解状态。此外，电学参数，包括阻抗(复电阻率)的实部和虚部，反映了电荷载流子的渗透性、流动性、浓度和分布。电学测量方法对于影响水泥基材料微观结构的复杂因素很敏感。比如不同的水灰比(w/c比)、不同水泥的化学组成、不同的水化产物、以及水泥混合物中特殊矿物和化学添加剂的使用等等都会对水泥基材料微观孔结构有影响。水-水泥混合物在形成一个无限连接的整体后时所伴随的溶胶-凝胶转换现象也可以通过电学方法进行检测。涉及到微观结构变化的有用信息例如胶凝材料水化反应的孔隙率和孔的连通性等都可以通过电学方法测量。所以，水泥基材料的阻抗和复电阻率可以对水泥基材料的微观结构提供足够的信息，甚至可以认为是水泥水化反应及其微观结构的“指纹”。综上所述，对电学测量方法的研究可以让人们对水泥基体系的微观结构变化有更深刻的理解。并且，电学测量方法还具备不损坏和不破坏样品的优点使得其可以用来现场观测微观孔结构发展。不同的电学测量方法展现出不同的电化学反应机制。以往关于水泥基材料的电学性质研究可以大致分为两种。第一种就是通过使用两个与水泥基样品相连接的电极直接测量样品的阻抗。虽然这种方法所使用的激励信号的频率范围可以很宽，但由于直接在水泥或混凝土样品上施加电流不可避免地会产生电极极化效应，所以直接测量阻抗方法不能精确地获得水泥和混凝土的电阻值。第二种方法即为非接触式电阻率测试方法。非接触式测量装置采用电感元件来代替测量电极。这样，就可以避免因电极和新拌水泥浆体接触所产生的一系列问题，如电化学反应和收缩裂缝等。这种测量体系有着很高的精度和很好的可重复性，对于水化反应过程中水泥基材料内部微观结构的变化的研究非常有用。在一种实验配置中，可以用电感元件如变压器和电流传感器来替代电极。除此之夕卜，也可以使用其他阻抗装置，比如电容传感器。研究表明利用第一种实验配置的非接触式方法测量出来的电阻率或阻抗的发展曲线类似于水泥水化过程中放热曲线。根据实验测得的电阻率微分曲线上的特征点，可以将水化过程分为以下五个阶段-溶解阶段；-诱导阶段；-加速阶段；-减速阶段；-扩散控制阶段。水化阶段可以通过电阻率微分曲线的特征点来确定。非接触式测量也可以用来确定新拌混凝土的凝结时间。此外，之前的研究者已经利用该种方法用来研究水泥的种类、水灰比(w/c比)、养护时间、化学物质和矿物掺合料、以及环境变化等对水泥基材料水化过程的影响。该研究通过对样品施加一个固定频率 (IkHZ)的交流电(AC)来测量样品的电阻率，但是在固定频率下所测结果只能反映样品内部孔隙率的大小，而不能实时地直接展现样品内部孔结构的发展。本专利技术提出的技术优化了上述使用固定频率(IkHZ)交流电(AC)来测量混凝土阻抗的非接触式方法来测量样品的电阻率。在固定频率下所测结果只能反映样品内部孔隙率的大小，而不能实时地直接展现样品内部孔结构的发展。为了实现水泥基材料电阻率的精确测量，本专利技术(非接触式阻抗测量法)结合了上述两类方法的优势，用不同的电学参数去测量阻抗。本专利技术一方面继续使用了变压器原理，另一方面还使得电激励信号的频率范围可变。本专利技术还利用了所测材料的R-L-C(电阻-电感-电容)模型。由于水化过程很大程度地影响着材料的电导性能，所以这个模型在水化水泥的情况中尤其重要。非接触式阻抗测量也采用了变压器的原理。首先，系统给所测材料施加一个频率和幅值都可变的电激励信号并利用电感元件来代替金属电极。输入的正弦波信号为一可调幅值的交流电压，所施加的信号频率范围为大约IkHz — 100kHz。该信号通过大功率放大器施加在变压器的初级线圈上。浇筑在环形模具中的水泥浆体即构成变压器的次级线圈。 水泥基材料的电压和电流分别通过一个电流传感器和一个电压探测器所测得。所有的数据 (电压，电流，电压电流之间的相位差，内部的模具温度)传输并保存到一个外接个人电脑上，以方便实时分析水泥基材料的阻抗和复电阻率。本装置不需要外接电极，因而消除了电极与基体材料之间的界面影响。此外，本装置通过使用对1摩尔的KCl溶液的电阻率测量作为仪器校正。在20°C下测量结果为KCl溶液的电阻率为0.091904Ω ·πι，这与工程手册上所引用的20°C下1摩尔的KCl溶液的标准电阻率0.09797 Ω ·πι接近。复电阻率模量和相位差的理论值与实验结果的相对误差分别仅为6. 19%和4. 4°。所以可以认为，本仪器装置具有较高的精度。通过本实验系统对水泥基材料的阻抗和复电阻率的实部、虚部、相位差的测量可以解释水泥基材料如水硬性水泥基材料的水化过程、水化成熟度、强度发展以及孔隙率。另夕卜，本系统还能用于测量液相材料(如熔融态玻璃、熔融态金属、有毒溶液和生物溶液)的电化学和介电性质，这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗津，汤盛文，陆有源，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：