具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统及标定方法技术方案

本发明专利技术提供具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统及其标定方法，包括高温土压力传感器、高温土中孔隙压力传感器和传感器标定系统。通过优化传感器受热和受力结构，依据监测温度、压力和压力差和信号读数之间的关系构建标定系数表，进而利用试验中的温度、温度场和信号读数确定土压力或土中孔隙压力。本发明专利技术的效果是提供的土压力和土中孔隙压力传感器能够分离温度及温度差产生的热应力对测试结果的影响，减小了气体传热较慢给温度应力补偿带来的误差；提供的标定装置量化了温度和温度差对传感器散热引起的不确定误差，能够显著提升高温和热对流同时作用条件下土压力和土中孔隙压力传感器的测试精度。隙压力传感器的测试精度。隙压力传感器的测试精度。

【技术实现步骤摘要】
具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统及标定方法


[0001]本专利技术属于环境岩土工程
，特别涉及具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统及标定方法。

技术介绍

[0002]有机污染土的热蒸驱替过程中，土体会在蒸汽作用下产生热湿固结从而产生土压力的变化。同时，随着热蒸过程的进行，土中的液相和有机物会产生气化，造成土中的孔隙水气压力的变化。在土压、孔压和高温的多重作用下，土中的待相变物质会存在临界状态，极大制约了有机污染土热蒸驱替机理的揭示。因此，有必要提供可靠的土压力和孔隙压力测试技术，以实现高温状态下土压力和土中孔隙压力的测量。常规的应变式传感器是将应变元件粘贴在膜片上，利用膜片的微变形和电信号之间的标定关系来确定土压力或者孔隙水压力。高温作用下，应变元件、膜片和传感器整体都承受着热变形的影响，再加之荷载作用下膜片的微变形；因而，高温作用下膜片的微变形无法区分是由温度引起还是荷载引起，也就无法通过微变形信号确定土压力或者孔隙水压力。同时，现有的耐高温力传感器测定的是荷载数值(kN)，而土的压力和孔隙压力是压强数值(kPa)，将荷载数值按照受力面积进行转化无法满足土体代表体元尺寸的要求。此外，部分具有温度补偿功能的压力传感器通过测量固体膜片的温度，用测定温度下的热应力读数值来消除热压力的影响，然而固体膜片内侧的空气热效应显著影响了温度测读准确性，特别是当传感器受力侧和非受力侧接触不同温度差时，其测试读数将会受到较大影响。一些带有散热模组的耐高温传感器仅仅解决了高温对传感器信号模块的影响，无法克服散热引起的受力侧和非受力侧的温度差对耐高温传感器测试结果的影响。
[0003]也即，在有机污染土热蒸驱替试验探究中，现有技术通过应变式传感器是将应变元件粘贴在膜片上，利用膜片的微变形和电信号之间的标定关系来确定土压力或者孔隙水压力，该方式会导致最终的温度数值测读不准确的技术弊端；
[0004]可见，对于有机污染土热蒸驱替试验探究技术而言，当传感器受力侧和非受力侧接触不同温度差时，如何克服散热引起的受力侧和非受力侧的温度差对耐高温传感器测试结果的影响，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供的一种具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统，以至少解决上述技术问题；
[0006]为了解决上述问题，本专利技术的第一方面提供一种具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统，包括高温土压力传感器、高温土中孔隙压力传感器、耐温变送器、传感器标定系统；所述高温土压力传感器包括：弹性膜片组块、导压腔体、耐温变送器；所述弹性膜片组块为一体成型的圆形盖，其承载顶面为高弹性膜片，内侧设置有细牙螺纹；导压腔体由前端的外螺纹、安装螺纹和安装螺母头组成，导压腔体的中端设置有个内外贯通的螺纹孔道便
于在导压腔体内灌注耐温流体，所述个内外贯通的螺纹孔道分别用测温探头和堵头密封，导压腔体的尾端设置有耐温变送器螺纹孔位；所述导压腔体内部的导流舱与中端上部的2个螺纹孔道、尾端的螺纹孔位相连通；所述耐温变送器的上部设置有一个测温探头；将弹性膜片组块内侧的细牙螺纹与导压腔体前端的外螺纹相连接，将导压腔体尾端的螺纹孔位与耐温变送器相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道灌入导流舱中直至耐温流体从另一螺纹孔道流出；将测温探头拧入螺纹孔道并拧紧，将堵头拧入另一螺纹孔道并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头后从耐温流体内取出；所述高温土中孔隙压力传感器包括：孔压弹性膜片组块、导压腔体、耐温变送器；所述孔压弹性膜片组块的内侧设置有细牙螺纹，外侧设置有透水板安装位，且透水板安装位下方设置有高弹性膜片；所述透水板安装在透水板安装位上且保持透水板与高弹性膜片之间预留高度为1mm～2mm的孔隙；将孔压弹性膜片组块与导压腔体前端的外螺纹相连接，将导压腔体尾端的螺纹孔位与耐温变送器相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道灌入导压腔体的导流舱中直至耐温流体从另一螺纹孔道流出；将测温探头拧入螺纹孔道并拧紧，将堵头拧入另一螺纹孔道并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土中孔隙压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头后从耐温流体内取出；所述传感器标定系统包括：温压控制箱、对流散热控制箱、伺服压力发生器、恒温循环水浴、送风控温系统、回风控温系统和信号采集系统；所述温压控制箱和对流散热控制箱的外部设置有保温板，温压控制箱和对流散热控制箱通过安装螺纹孔相联通；所述温压控制箱内部设置有循环盘管并填充有耐温流体；所述温压控制箱的上部设置有快插接头口和排液口，以便于耐温流体通过快插接头口和排液口的循环装满温压控制箱；所述对流散热控制箱内上部和下部分别设置有控温送风口和回风口，其中控温送风口与外部的送风控温系统相连接，回风口与外部的回风控温系统相连接；所述耐温变送器和个测温探头的数据线通过对流散热控制箱箱体门的出线密封口与信号采集系统相连接；高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的安装螺纹与安装螺纹孔相连接，控制伺服压力发生器将耐温流体通过快插接头口灌入温压控制箱直至排液口连续排出耐温流体时关闭排液口，以关闭对流散热控制箱的箱体门。
[0007]第二方面，本专利技术提供了一种温度补偿功能的高温土压力传感器标定系统的标定方法，所述方法应用于上述具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统的标定系统，所述方法包括以下步骤：1)组装上述传感器标定系统；2)通过恒温循环水浴和循环盘管控制温压控制箱内的耐温流体温度T
i
，通过伺服压力发生器控制耐温流体的压力P
j
，通过送风控温系统和回风控温系统分别连接的控温送风口和回风口控制对流散热控制箱内的温度T
k
和对流散热量H
n
；3)待步骤2)的控制的T
i
、P
j
、T
k
、H
n
稳定后，记录传感器标定系统(5)所连接的高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的温度数值T
t
、T
o
和信号数值S
g
；4)重复步骤2)、3)操作流程，开展不同T
i
、P
j
、T
k
、H
n
条件下的T
t
、T
o
、S
g
的数值标定，并依据确定的T
i
、P
j
、T
k
、H
n
和读取的T
t
、T
o
、S
g
，绘制步骤1)中所安装高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的标定信号表；5)依据步骤4)确定的标定信号表可确定该传感器在不同T
i
、P
j
、T
k
、H
n
的T
t
、T
o
、S
g
数值，传感器使用过程中通过测定的T
t
、T
o
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统，包括高温土压力传感器、高温土中孔隙压力传感器、耐温变送器(3)、传感器标定系统(5)；其特征在于：所述高温土压力传感器包括：弹性膜片组块(1)、导压腔体(2)、耐温变送器(3)；所述弹性膜片组块(1)为一体成型的圆形盖，其承载顶面为高弹性膜片(11)，内侧设置有细牙螺纹(12)；导压腔体(2)由前端的外螺纹(21)、安装螺纹(20)和安装螺母头(22)组成，导压腔体(2)的中端设置有2个内外贯通的螺纹孔道(24)便于在导压腔体(2)内灌注耐温流体，所述2个内外贯通的螺纹孔道(24)分别用测温探头(26)和堵头(27)密封，导压腔体(2)的尾端设置有耐温变送器(3)螺纹孔位(25)；所述导压腔体(2)内部的导流舱(23)与中端上部的2个螺纹孔道(24)、尾端的螺纹孔位(25)相连通；所述耐温变送器(3)的上部设置有一个测温探头(26)；将弹性膜片组块(1)内侧的细牙螺纹(12)与导压腔体(2)前端的外螺纹(21)相连接，将导压腔体(2)尾端的螺纹孔位(25)与耐温变送器(3)相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道(24)灌入导流舱(23)中直至耐温流体从另一螺纹孔道(24)流出；将测温探头(26)拧入螺纹孔道(24)并拧紧，将堵头(27)拧入另一螺纹孔道(24)并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头(27)后从耐温流体内取出；所述高温土中孔隙压力传感器包括：孔压弹性膜片组块(4)、导压腔体(2)、耐温变送器(3)；所述孔压弹性膜片组块(4)的内侧设置有细牙螺纹(12)，外侧设置有透水板安装位(41)，且透水板安装位下方设置有高弹性膜片(11)；所述透水板(42)安装在透水板安装位(41)上且保持透水板(42)与高弹性膜片(11)之间预留高度为1mm～2mm的孔隙；将孔压弹性膜片组块(4)与导压腔体(2)前端的外螺纹(21)相连接，将导压腔体(2)尾端的螺纹孔位(25)与耐温变送器(3)相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道(24)灌入导压腔体(2)的导流舱(23)中直至耐温流体从另一螺纹孔道(24)流出；将测温探头(26)拧入螺纹孔道(24)并拧紧，将堵头(27)拧入另一螺纹孔道(24)并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土中孔隙压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头(27)后从耐温流体内取出；所述传感器标定系统(5)包括：温压控制箱(51)、对流散热控制箱(52)、伺服压力发生器(55)、恒温循环水浴(57)、送风控温系统(59)、回风控温系统(511)和信号采集系统(514)；所述温压控制箱(51)和对流散热控制箱(52)的外部设置有保温板(50)，温压控制箱(51)和对流散热控制箱(52)通过安装螺纹孔(53)相联通；所述温压控制箱(51)内部设置有循环盘管(56)并填充有耐温流体；所述温压控制箱(51)的上部设置有快插接头口(54)和排液口(541)，以便于耐温流体通过快插接头口(54)和排液口(541)的循环装满温压控制箱(51)；所述对流散热控制箱(52)内上部和下部分别设置有控温送风口(58)和回风口(510)，其中控温送风口(58)与外部的送风控温系统(59)相连接，回风口(510)与外部的回风控温系统(511)相连接；所述耐温变送器(3)和2个测温探头(26)的数据线通过对流散热控制箱(52)箱体门(512)的出线密封口(513)与信...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛强，陈之祥，万勇，刘立洋，李江山，陈新，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：