【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地质检测，尤其涉及一种贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置及测量方法。
技术介绍
1、岩土体的导热系数是反映其热物理性质的关键指标之一，其大小表征了土体传递热量的能力。土体的导热系数是地球关键带中污染物质运移、水分和热量传输以及温度信息变化的重要影响因素，准确测量土体的导热系数一方面服务于浅层地温能的开发、土体污染的治理以及寒区工程的建设，另一方面还可助力土体中水热变化理论和模型的研究，间接获取土体的含水率和污染物含量等参数。土体的导热系数主要受土壤质地、含水率、温度、孔隙率和盐含量等因素的影响。
2、目前，获取土体导热系数的方法主要有室内试验法、现场测试法和预测模型法。室内试验法主要是在现场取得土样，然后转移到实验室内通过保护热板法(如专利cn107589147a)对土样进行导热系数测试，该方法的局限性是取样和运输的过程耗时费力，且整个过程易使土样受到扰动，导致测试结果出现较大的误差。现场测试法主要是通过热线法(如专利cn109884115a和cn107727687a)和现场热响应测试法(如专利cn102721722a)对土体进行导热系数原位测试，这两种测试方法的基本原理均是无限长瞬时线热源理论，采用线热源加热土体导致其影响范围大且只能获得该范围内土体的平均导热系数，无法获得土体某一深度处点位的导热系数，且受土体非均质影响导致误差较大。预测模型法(如专利cn113075250a和cn109117452a)是基于经验模型或者理论模型对土体导热系数进行估算，将土壤的基本物理指标代入相应的预测模型即可得到
3、因此，亟待解决上述问题。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，以解决现有技术中无法便捷且准确获取原位土体某点位处导热系数的技术问题。
2、本专利技术的第二目的是提供一种贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置的测量方法。
3、技术方案：为实现以上目的，本专利技术公开了一种贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，包括竖直插入土体内的隔热探杆、位于隔热探杆端部的环形加热管、位于环形加热管端部的隔热贯入头、位于环形加热管外壁上且用于测量点位处土体温度的温度传感器、用于为环形加热管提供恒定加热功率的电源以及用于接收温度传感器所测温度数值并计算得到环形加热管所处深度土体导热系数的温度采集系统。
4、其中，电源输出的恒定加热功率为p1，所述温度采集系统计算得到的环形加热管所处深度土体导热系数土体导热系数λ为：
5、
6、式中，λ是土体的导热系数，p1是环形加热管的加热功率值，d0是环形加热管的外径值，t0是加热前温度传感器所测土体的温度值，t1是加热稳定后温度传感器所测土体的温度值。
7、优选的，电源为直流稳压电源，加热功率范围为0～15w，控制精准度为±0.5％fs。
8、再者，隔热探杆和隔热贯入头的表面涂覆有由隔绝传导型隔热涂料制成的隔热涂层，隔热涂层的导热系数不高于0.03w/(m·℃)。
9、进一步，环形加热管的外经和高度相等，环形加热管的高度不大于5cm。
10、优选的，隔热探杆、环形加热管和隔热贯入头构成一刚性体插入到土体中，环形加热管处于土体中导热系数所需测量深度处。
11、再者，电源通过穿过隔热探杆的电源线与环形加热管相连，所述温度采集系统通过穿过隔热探杆的数据线与温度传感器相连。
12、进一步，隔热探杆和隔热贯入头的外径与环形加热管的外径相同，隔热贯入头的端部为锥形。
13、优选的，温度传感器的测量范围为20～150℃，精准度为±0.5℃。
14、本专利技术公开了一种贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置的测量方法，包括如下步骤：
15、将温度传感器安装在环形加热管外壁，将隔热探杆、环形加热管和隔热贯入头依次连接成一个刚性体，通过电源线连接环形加热管和电源，通过数据线连接温度传感器和温度采集系统；
16、将环形加热管竖直插入到所需测试的土体目标深度处；
17、待温度采集系统的读数稳定后，记录此时温度传感器所测得的土体温度值t0；
18、开启电源，将输出到环形加热管的加热功率控制在一个恒定功率值p1；
19、待温度采集系统的读数再次稳定后，记录此时温度传感器所测得的土体温度值t1；
20、将环形加热管的恒定加热功率值p1、加热前温度传感器所测土体的温度值t0和加热稳定后温度传感器所测土体的温度值t1带入以下公式得到土体导热系数λ：
21、
22、式中，λ是土体的导热系数，d0是环形加热管的外径值。
23、专利技术原理：本专利技术将环形加热管视为球状热源，根据傅里叶热传导定律和能量守恒定律发现，土体稳态导热下环形加热管外壁处土壤的温度仅与加热功率和土体导热系数有关。
24、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优点：
25、(1)针对常规原位测试技术基于线热源理论只能测取土层平均导热系数的问题，本专利技术是基于球状热源在土体中的稳态热传导模型，可以测量土体中某点位处的导热系数，具有更宽广的应用范围，能够为地热资源开发、土体污染治理以及寒区工程建设提供更精准的测试参数；
26、(2)本专利技术只需测量土体中某点位处在加热前和加热稳定后的土壤温度及对应的加热功率，即可通过计算得到导热系数，避免了常规原位测试技术选取拟合实验数据时间段带来的分析误差；
27、(3)本专利技术通过小尺寸环形加热管加热土体，其加热影响范围显著小于常规原位测试技术采用的线热源，显著降低了土体非均质带来的测试误差；
28、(4)本专利技术采用隔热探杆和隔热贯入头，避免了装置自身导热对土体导热系数测试的干扰；
29、(5)本专利技术制造成本低、操作简单、便于携带，既避免了取样送至实验室测试的繁琐且耗时的过程，也不需要耗费巨资在现场搭建测试设施。
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1.一种贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于，包括竖直插入土体内的隔热探杆(5)、位于隔热探杆端部的环形加热管(6)、位于环形加热管端部的隔热贯入头(8)、位于环形加热管外壁上且用于测量点位处土体温度的温度传感器(7)、用于为环形加热管提供恒定加热功率的电源(1)以及用于接收温度传感器所测温度数值并计算得到环形加热管所处深度土体导热系数的温度采集系统(2)。
2.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述电源(1)输出的恒定加热功率为P1，所述温度采集系统(2)计算得到的环形加热管所处深度土体导热系数土体导热系数λ为：
3.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述电源(1)为直流稳压电源，加热功率范围为0～15W，控制精准度为±0.5％FS。
4.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述隔热探杆(5)和隔热贯入头(8)的表面涂覆有由隔绝传导型隔热涂料制成的隔热涂层，隔热涂层的导热系数不高于0.03W/(m·℃)。
6.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述隔热探杆(5)、环形加热管(6)和隔热贯入头(8)构成一刚性体插入到土体中，环形加热管(6)处于土体中导热系数所需测量深度处。
7.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述电源(1)通过穿过隔热探杆的电源线(3)与环形加热管(6)相连，所述温度采集系统(2)通过穿过隔热探杆的数据线(4)与温度传感器(7)相连。
8.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述隔热探杆(5)和隔热贯入头(8)的外径与环形加热管(6)的外径相同，隔热贯入头(8)的端部为锥形。
9.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述温度传感器(7)的测量范围为20～150℃，精准度为±0.5℃。
10.一种基于权利要求1至9任一所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于，包括竖直插入土体内的隔热探杆(5)、位于隔热探杆端部的环形加热管(6)、位于环形加热管端部的隔热贯入头(8)、位于环形加热管外壁上且用于测量点位处土体温度的温度传感器(7)、用于为环形加热管提供恒定加热功率的电源(1)以及用于接收温度传感器所测温度数值并计算得到环形加热管所处深度土体导热系数的温度采集系统(2)。
2.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述电源(1)输出的恒定加热功率为p1，所述温度采集系统(2)计算得到的环形加热管所处深度土体导热系数土体导热系数λ为：
3.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述电源(1)为直流稳压电源，加热功率范围为0～15w，控制精准度为±0.5％fs。
4.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体点位处导热系数的装置，其特征在于：所述隔热探杆(5)和隔热贯入头(8)的表面涂覆有由隔绝传导型隔热涂料制成的隔热涂层，隔热涂层的导热系数不高于0.03w/(m·℃)。
5.根据权利要求1所述的贯入式原位测量土体...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，程健康，张雷，李小娟，王丽艳，王炳辉，徐浩青，刘义，刘顺青，吴思麟，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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