【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土工程，具体涉及一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置和方法。
技术介绍
1、冻土导热测量是一种用于研究和评估冻土地区热传导性质的技术。在寒冷地区，土壤或岩石中的水分会凝结成冻结态，形成冻土。冻土的特性对于土地利用、工程建设以及气候变化等方面具有重要影响。而冻土的传热特性，特别是导热性质的准确测量对于了解冻土系统的热耦合、温度分布、冻融过程等具有关键意义。
2、实验室中常用的冻土制备方法：冷冻箱法、液氮法和冷浴冻制法，以上冻土制备方法在制备冻土用于测量导热系数的过程中存在以下局限：冷冻箱法通常需要较长的时间来使冻土达到所需的冻结状态，且冷冻箱内温度分布不均匀，特别是在大型冷冻箱中，容易导致样品内部不同位置的冻结程度有所差异，从而影响导热系数测量的准确性和可重复性；液氮法在制备冻土进行导热系数测量方面存在着安全风险、设备成本高；冷浴冻制法在制备冻土时需要冷却介质，并需要将土样密封防止冷却液污染土样。近年来，土体导热系数的测定方法大致分为两类：稳态法和瞬态法。使用稳态法测量土体的导热系数时，需要土体的温度分布达到稳定状态，整个过程需要数小时甚至更久。相比于稳态法使用瞬态法测量土体的导热系数不需要土样达到稳定温度分布，可以几秒内完成测量，节省时间。瞬态法因为热源施加方式不同分为瞬态线热源热探针法和瞬态平面热源法，热探针法测量土体导热系数的过程中需要将探针插入土体，会对土体内部进行扰动，同时忽略探针自身的构造与管壁厚度导致的与待测介质间的接触热阻所带来的误差，进而影响测量结果。
3、也即，如何
技术实现思路
1、本专利技术实施例提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法及其相关设备，以解决上述至少一种技术问题。
2、第一方面，本申请提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，用于对待测土样的冻土热特性进行测量，所述测试装置包括：
3、冻土制备子装置，所述冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对tec制冷板和温控组件，所述环刀中填充有所述待测土样，以形成圆柱状试样，一对所述隔离铝板之间夹持有所述圆柱状试样；一个所述tec制冷板的冷面抵于一个所述隔离铝板的外侧，另一个所述tec制冷板的冷面抵于另一个所述隔离铝板的外侧，以通过一对所述tec制冷板的冷面形成对圆柱状试样的制冷区域，所述圆柱状试样位于所述制冷区域内；所述温控组件与一对所述tec制冷板连接，用于控制所述tec制冷板的冷面温度；
4、信号测量子装置，所述信号测量子装置用于依据瞬态平面热源法测量所述冻土试样的导热系数。
5、优选地，所述温控组件包括：
6、水泵；
7、一对水冷接头，一个所述水冷接头固定于一个所述tec制冷板的热面，另一个所述水冷接头固定于另一个所述tec制冷板的热面，一对所述水冷接头通过水泵与外部水源连通，用于对所述tec制冷板的热面进行散热；
8、第一电源；
9、温控器，所述温控器分别与所述第一电源和一对所述tec制冷板的冷面连接，用于控制所述tec制冷板的冷面温度。
10、优选地，所述冻土制备子装置还包括一对垫圈，一个所述垫圈设置于一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间，另一个所述垫圈设置于另一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间。
11、优选地，每一个所述隔离铝板与所述圆柱状试样相接触的侧面上设置有abs塑料垫块。
12、优选地，所述信号测量子装置包括tps传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二电源、万用表、数据处理器；所述tps传感器设置于所述圆柱状试样和所述abs塑料垫块之间，或所述tps传感器设置于所述圆柱状试样中；所述tps传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻首尾电连接构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥中两个相对的接头之间电连接有所述第二电源，所述惠斯通电桥中另外两个相对的接头之间电连接有所述万用表，所述数据处理器与所述万用表电连接，所述万用表与外部终端设备连接。
13、优选地，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值大小相同。
14、优选地，所述圆柱状试样的尺寸为：直径37.5mm、厚度7.5mm；
15、所述隔离铝板的尺寸为：直径50mm、厚度10mm；
16、所述abs塑料垫块的尺寸为：直径14mm、厚度5mm。
17、第二方面，本申请提供一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法，应用于上述第一方面任一项所述的测试装置，所述测试方法包括：
18、制备圆柱状试样，并将所述圆柱状试样夹持于两个隔离铝板的内侧面之间，两个tec制冷板分别抵于两个隔离铝板的外侧面，其中，隔离铝板的内侧面设置有abs塑料垫块；
19、将信号测量子装置的tps传感器与所述圆柱状试样相接触；
20、通过温控组件将两个所述tec制冷板的冷面温度降低至预设温度，以通过两个所述tec制冷板的冷面形成的制冷区域将所述圆柱状试样制冷形成具有所述预设温度的冻土试样；
21、通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数。
22、优选地，所述通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数，包括：
23、对所述tps传感器施加短时脉冲，以通过所述tps传感器加热所述冻土试样；
24、通过信号测量子装置获取所述tps传感器的电阻随温度变化的线性关系，得到所述tps传感器的温升曲线；
25、通过最小二乘法拟合测量过程中所述冻土试样表面温度增值随时间变化的函数和无量纲特征时间函数的线性关系，得到待测土样的导热系数。
26、优选地，所述将tps传感器与所述圆柱状试样相接触，包括：
27、将所述tps传感器的一面与所述圆柱状试样相接触，将tps传感器的另一面与abs塑料垫块相接触；
28、或，
29、将tps传感器的两面均与所述圆柱状试样相接触。
30、本专利技术提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，该测试装置包括冻土制备子装置和信号测量子装置，冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对tec制冷板和温控组件，通过一对tec制冷板的冷面对待测土样进行夹持，两个冷面夹持形成制冷区域，因为该制冷区域较小且较密封，可以实现对待测土样的均匀制冷，通过调节温控组件可以控制tec制冷板的冷面温度，以实现对待测土样在不同温度下的快速制冷，温度控制精度可以达到0.01℃，因此可以实现高精度的导热系数测量，在tec制冷板和待测土样之间设置隔离铝板，可以实现对待测土样的快速导热，以将该待测土样制备形成预设温度的冻土试样，然后通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法测量该待测土样形成的预设温度的冻土试样所对应的导热系数，瞬态平面热源法采本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，用于对待测土样的冻土热特性进行测量，其特征在于，所述测试装置包括：
2.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述温控组件包括：
3.根据权利要求2所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述冻土制备子装置还包括：
4.根据权利要求3所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：
8.一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法，应用于上述权利要求1-7任一项所述的测试装置，其特征在于，所述测试方法包括：
9.根据权利要求8所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所
10.根据权利要求9所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述将TPS传感器与所述圆柱状试样相接触，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，用于对待测土样的冻土热特性进行测量，其特征在于，所述测试装置包括：
2.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述温控组件包括：
3.根据权利要求2所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述冻土制备子装置还包括：
4.根据权利要求3所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于瞬态平面热源法的冻...
【专利技术属性】
技术研发人员：董毅，吕霖，刘傲寒，
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：
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