一种冻土起始冻结温度的测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种冻土起始冻结温度的测量装置，它包括低温水浴装置（1）、试样盒（2）、热电阻（3）、数据采集仪（4）、交流接触器（5）和中间继电器（6），低温水浴装置（1）通过管道连接试样盒（2）的中空壁，试样盒内填满试样，热电阻（3）置于试样中，数据采集仪（4）的输入通道连接热电阻（3），数据采集仪（4）的控制端通过中间继电器（6）连接在交流接触器（5）上，交流接触器（5）接在低温水浴装置（1）的供电线路上。本发明专利技术的优点是：能自动完成测试任务，试验结束时输出数据，装置自动关闭，测量精度高、方便快捷、省时省力。

【技术实现步骤摘要】
一种冻土起始冻结温度的测量装置
本专利技术属于土木工程的测试
，具体涉及一种自动测量冻土起始冻结温度的测量装置。
技术介绍
在矿山井筒和城市地铁冻结法施工过程中，施工周围土体（岩体）起始冻结温度是必须确定的物理量之一。起始冻结温度是地层开始冻结时的温度，地层起始冻结温度的大小与多种因素有关，标准状态下纯水在0℃时开始结冰，然而在实际工程中，地层中水分结冰受到颗粒间的表面能、水分中矿物含量等因素制约。地层中的矿物成分、颗粒级配、含水率、水分含盐量、压力以及孔隙分布等因素都会影响地层起始冻结温度，一般情况下比表面能越大，水分由水变成冰需要克服的阻力越大，因而所需能量越大，地层起始冻结温度越低；水分中矿物成分越多，致使试样中水分结冰时需要克服的阻力越大，造成地层起始冻结温度越低；地层中含水率越大，使得试样中自由水越多，造成起始冻结温度越接近0℃；含水率一定时压力越大，所需做功越多，试样起始冻结温度越低。上述原因使得地层中水分结冰温度低于0℃，因此需要试验测量地层中水分起始冻结温度。地层中水分凝结成冰需要经历如下过程：试样中部分水分形成很小的分子集团形成结晶中心（生长点），此时是试样中水分结冰的开始；这种分子集团进而生长成为稍大一些的团粒-晶核，试样冻结不断发展演化；最后试样中这些小团粒结合、生长，产生冰晶，此阶段为试样中水分大量结冰阶段，此时的温度称为试样起始冻结温度（冰点）；试样中水分不断结冰直至冻结完成。由于试样中部分水分形成生长点的温度比冰点更低，因此试样冻结过程需要经历：过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段，每个阶段持续的时间各不相同，试验时地层冻结过程中地层温度首先降到冻结温度之下，称为过冷阶段；当温度达到冰点试样中水分开始大量结冰，并释放大量潜热，使得试样温度突然升高，出现跳跃阶段；试样中水分结冰速度趋于稳定，试样内部温度趋于稳定；当地层完全冻结时，地层温度不断下降。测量试样起始冻结温度的实质就是量测试样内部小团粒结合和生长，水分大量结冰阶段时的温度，该阶段属于温度保持恒定阶段。目前没有一种能测量起始冻结温度的测试设备，一般测量冻土起始冻结温度采用《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中的方法，然而在实际测量过程中会面临诸多问题：1、在试验前需要准备诸多仪器和材料，如零温瓶、低温瓶、电位差计、铜-康铜热电偶、试样盒、氯化钠、氯化钾、氯化镁、沙子等，在试验前进行现场组装非常麻烦和低效；2、试验时所需的低温溶液需要提前制备，氯化钠、氯化钾、氯化镁混合溶液需要在-30℃温度下冻结2-3天才能冻结成满足试验要求的冰块，费时费力；3、在试验时需要一分钟读取一次电位差计读数，由于试验所需时间较长（通常需要数个小时），因此试验记录任务繁重；4、试验得到的数据为电位差需要换算才能得到试验时的温度等。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种冻土起始冻结温度的测量装置，它能自动完成测试任务，试验结束时输出数据，装置自动关闭，测量精度高、方便快捷、省时省力。本专利技术所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括低温水浴装置、试样盒、热电阻、数据采集仪、中间继电器和交流接触器，低温水浴装置通过管道连接试样盒的中空壁，试样盒内填满试样，热电阻置于试样中，数据采集仪的输入通道连接热电阻，数据采集仪的控制端通过中间继电器连接到交流接触器，交流接触器接在低温水浴装置的供电线路上。本专利技术的工作原理是：低温水浴装置向试样盒的中空壁灌注冷冻液（根据试验设计方案选择合适的冷冻液，一般选择酒精为冷冻液），给试样盒降温，热电阻放置在试样盒的试样内测量温度，数据采集仪相同间隔时间记录温度并输出数据，数据采集仪设置有报警温度，当热电阻测量温度达到报警温度时数据采集仪发出报警信号，报警信号经过中间继电器传递到安装在电路中的交流接触器上，交流接触器切断电路，低温水浴装置停止运行；读取数据采集仪时间-温度数据，试验曲线由过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段组成，恒定阶段的温度即为冻土起始冻结温度。本专利技术的技术效果是：解决了现有冻土起始冻结温度测试技术的问题，自动完成测试任务，试验结束时输出数据，装置自动关闭，测量精度高、方便快捷、省时省力。附图说明本专利技术的附图说明如下：图1为本专利技术的原理结构图；图2为试样盒的结构示意图；图3为图2中盒体的内部结构图；图4为低温水浴装置原理结构图。图中，1、低温水浴装置；11、压缩机；12、冷凝器；13、过滤器；14、蒸发器；15、温度控制器；16、冻水循环泵；2、试样盒；21、盒体；22、试样盒盖；23、手柄柱；24、通孔；25、冷冻液进口；26、冷冻液出口；3、热电阻；4、数据采集仪；5、交流接触器；6、中间继电器。具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术作进一步说明：如图1所示，本专利技术包括低温水浴装置1、试样盒2、热电阻3、数据采集仪4、交流接触器5和中间继电器6，低温水浴装置1通过管道连接试样盒2的中空壁，试样盒内填满试样，热电阻3置于试样中，数据采集仪4的输入通道连接热电阻3，数据采集仪4的控制端通过中间继电器6连接交流接触器5，交流接触器5接在低温水浴装置1的供电线路上。如图2和图3所示，所述试样盒2包括盒体21和试样盒盖22，盒体21与试样盒盖22合盖成一体，试样盒盖22上设有手柄柱23，手柄柱3中心开有安装热电阻的通孔24；盒体21内腔用于盛装冻土试样，盒体壁为中空壁，中空壁下部接有冷冻液进口25，中空壁上部接有冷冻液出口26。如图4所示，所述低温水浴装置1包括压缩机11、冷凝器12、过滤器13、蒸发器14、温度控制器15和冷水循环泵16，冷冻液和制冷剂在蒸发器14进行热交换，降低冷冻液温度；冷水循环泵16实现冷冻液在低温水浴装置1与试样盒2之间循环。如图1所示，低温水浴装置1与交流接触器5串联接入供电线路中，在数据采集仪4设定报警温度，报警温度为低温水浴温度；数据采集仪报警输出端通过中间继电器6接入交流接触器5，试样盒2的冷冻液进口25、冷冻液出口26与低温水浴装置1相连，冷冻液进入试样盒2中空壁内，降低试样环境温度，试样在低温环境中开始冻结，热电阻引线与数据采集仪4相连，数据采集仪4实时读取试样内部温度。试验结束时，读取数据采集仪的时间-温度数据，试验曲线由过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段组成，恒定阶段的温度即为冻土起始冻结温度。试样完全冻结后试样内部温度会不断降低至低温水浴温度，当试样内部温度达到低温水浴温度时数据采集仪4发出报警信号，报警信号通过中间继电器6传递到交流接触器5，交流接触器5切断低温水浴装置1的电源，试验结束。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻土起始冻结温度的测量装置，其特征是：包括低温水浴装置（1）、试样盒（2）、热电阻（3）、数据采集仪（4）、交流接触器（5）和中间继电器（6），低温水浴装置（1）通过管道连接试样盒（2）的中空壁，试样盒内填满试样，热电阻（3）置于试样中，数据采集仪（4）的输入通道连接热电阻（3），数据采集仪（4）的控制端通过中间继电器连接在交流接触器（5），交流接触器（5）接在低温水浴装置（1）的供电线路上。

【技术特征摘要】
1.一种冻土起始冻结温度的测量装置，其特征是：包括低温水浴装置（1）、试样盒（2）、热电阻（3）、数据采集仪（4）、交流接触器（5）和中间继电器（6），低温水浴装置（1）通过管道连接试样盒（2）的中空壁，试样盒内填满试样，热电阻（3）置于试样中，数据采集仪（4）的输入通道连接热电阻（3），数据采集仪（4）的控制端通过中间继电器连接在交流接触器（5），交流接触器（5）接在低温水浴装...

【专利技术属性】
技术研发人员：周小平，李长清，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50