專利名稱：基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，特別是涉及凍脹融沉溫度的調(diào)節(jié)及應(yīng)力自動監(jiān)測加載，實現(xiàn)凍脹力、有無荷載下凍脹融沉、水分遷移試驗測試等功能的一體化。
背景技術(shù)：
目前凍脹融沉試驗儀的凍脹和融沉試驗外部溫度調(diào)節(jié)多采用空間環(huán)境箱體制冷或者多路水浴循環(huán)進行溫度控制。環(huán)境制冷屬于三維凍融，不符合一維凍融方式，水浴循環(huán)溫度控制的凍脹融沉試驗儀的凍脹和融沉試驗溫度調(diào)節(jié)模塊設(shè)計多在試樣下部，造成凍脹融沉都與實際土壤的凍脹或融沉方向相反(實際是由上到下，目前試驗儀是由下到上的)， 不能真實模擬土層在氣溫變化后的凍融反應(yīng)；而且水浴循環(huán)由于采用外部的水浴溫度控制造成對實際土體受冷面溫度控制的即時性、精確性存在不足，尤其不能實現(xiàn)凍脹融沉試驗測試功能的一體化、自動化。目前的補水方式存在隨意性，有通過定量滴定的方式進行補水，甚至是通過人眼觀察手工補水，土工測試規(guī)范及煤炭部人工凍土試驗標(biāo)準(zhǔn)中都沒有對于補水進行準(zhǔn)確說明，造成與實際自然環(huán)境的補水過程有較大差距，尤其補水量較難準(zhǔn)確計量，影響了試驗的可信度。為了模擬土體凍結(jié)過程中由于溫度梯度而產(chǎn)生的水分遷移現(xiàn)象，本試驗的補水系統(tǒng)采用了馬氏瓶的工作原理，實現(xiàn)補水面的恒壓穩(wěn)流條件，并根據(jù)差壓原理實現(xiàn)了補水量的自動跟蹤采集。加載控制以及力的測試方面，目前對于凍脹融沉測試 (有無荷載條件)和凍脹力的測量是分開進行的，且加載一般多是砝碼加載，無法實現(xiàn)自動連續(xù)加載；融沉排水問題，本次融沉(有無荷栽)排水的設(shè)計采用補水的逆向過程，這里不僅考慮到排水量的實時監(jiān)測，同時也考慮了排水過程中孔隙水壓力的變化跟蹤監(jiān)測?？刂撇杉矫?，充分解決當(dāng)前凍脹融沉系統(tǒng)各部分數(shù)據(jù)采集和各項控制集成智能度不高的現(xiàn)狀。 以上這些方法都是從試驗儀器或條件的角度出發(fā)來搭建試驗儀器的。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提出的是一種基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，其目的旨在解決最大限度模擬自然條件下土壤真實凍脹融沉的試驗?zāi)M一凍脹融沉溫度變化從土壤試驗上部開始直到下部(與自然條件下的凍脹融沉一致)；解決根據(jù)試樣含水率的變化實現(xiàn)自動補水和排水，補水量和排水孔壓力的精確檢測計量；針對加載和凍脹力及位移測量分散的問題，進行整合實現(xiàn)二者合一并實現(xiàn)連續(xù)無級加載；使用BC++進行軟件編程，借助板卡實現(xiàn)對試驗過程的智能化控制和數(shù)據(jù)的自動采集，實現(xiàn)功能的模塊化的有效集成。本實用新型的技術(shù)解決方案其結(jié)構(gòu)包括試驗儀的主體、采集控制裝置、補水裝置、加載裝置，其中補水裝置與試驗儀的主體的底部補水槽體相接，采集控制裝置與試驗儀主體中負責(zé)監(jiān)測試樣溫度梯度變化的A類溫度傳感器、位移傳感器、液壓傳感器以及補水裝置中的水勢差壓傳感器對應(yīng)相接以實現(xiàn)各物理量的采集，采集控制裝置與半導(dǎo)體制冷體內(nèi)的B類溫度傳感器、液壓體積控制器相接以實現(xiàn)對制冷體溫度和加載壓力的控制。加載裝置由設(shè)在試驗儀的主體中的壓力室內(nèi)液壓囊與外部的液壓體積控制器組成。本實用新型的有益效果能夠最大限度模擬自然條件下土壤真實凍脹融沉的試驗儀器一凍脹融沉溫度變化從土壤試驗上部開始直到下部(與自然條件下的凍脹融沉一致);溫度的控制方式采用半導(dǎo)體電制冷，并可以高溫低溫同時控制(半導(dǎo)體兩面性);根據(jù)試驗含水量自動對試驗從下部進行自動補水和排水，可對補水量進行精確計量；對排水過程孔壓實現(xiàn)監(jiān)測。針對加載和凍脹力測量的問題，進行整合實現(xiàn)二者合一并實現(xiàn)連續(xù)無級加載；加載設(shè)計在腔體內(nèi)部，實現(xiàn)無極連續(xù)自動加載以及鎖定體積后凍脹力的測試，完成凍融與凍脹力的實驗功能集成使用BC++進行軟件編程，借助板卡實現(xiàn)對試驗過程的智能化控制和數(shù)據(jù)的自動采集。提高了試驗室凍脹融沉試驗對自然條件的模擬真實度，使得試驗精度大大提高。通過BC++和硬件板卡的軟硬件集成使用，使得試驗效率大大提高的同時降低了試驗的勞動強度。

圖1是基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的1是補水裝置、2是補水槽體、3是A類溫度傳感器、4是位移傳感器、5是液壓傳感器、6是B類溫度傳感器、7是壓力室、8是保溫空心底板、9是保溫試樣載桶、10是T 型半導(dǎo)體制冷頭、11是外罩、12是水勢差壓傳感器、13是馬氏瓶、14是補水管路、15是試樣、 16是液壓體積控制器、17是加壓管路。
具體實施方式
對照附圖1，其結(jié)構(gòu)是包括試驗儀的主體、采集控制裝置、補水裝置、加載裝置，其中補水裝置1與試驗儀的主體的底部補水槽體2相接，采集控制裝置與試驗儀主體中負責(zé)監(jiān)測試樣溫度梯度變化的A溫度傳感器3、位移傳感器4、壓力傳感器5對應(yīng)相接，采集控制裝置與半導(dǎo)體制冷體內(nèi)的B溫度傳感器6相接，加載裝置設(shè)在試驗儀的主體中的壓力室7 內(nèi)。試驗儀的主體包括保溫空心底板8、補水槽體2、保溫土樣載桶9、T型半導(dǎo)體制冷頭10、壓力室7和外罩11，其中補水槽體2與保溫空心底板8以螺釘相銜接以形成試驗主體的下部底座，土樣承載桶下部內(nèi)嵌于補水槽體，載桶外徑與補水凹槽內(nèi)徑相吻合，土樣承載桶與補水槽體之間有0型墊圈，土樣承載桶上部嵌于上部的外罩11，土樣承載桶9、外罩 11與底座三者通過螺桿固定連成一體，由土樣承載桶、外罩與底座三者間形成的空間內(nèi)存放一個可作自由上下運動的T型半導(dǎo)體制冷頭10，T型半導(dǎo)體制冷頭上部與外罩形成一個封閉的壓力室7，T型半導(dǎo)體制冷頭10下部的土樣承載桶內(nèi)存放試樣。采集控制裝置包括A溫度傳感器3、位移傳感器4、壓力控制器5，實施對溫度、位移、壓力物理量的采集，采集控制裝置對T型半導(dǎo)體制冷頭10的溫度控制和加載在試樣上的壓力控制。采集控制裝置是運用BC++編程語言以及采集芯片板卡實現(xiàn)位移、荷載、溫度數(shù)據(jù)采集和自動反饋控制。補水裝置包括水勢差壓傳感器12、馬氏瓶13，其中水勢差壓傳感器12通過連通管與馬氏瓶13相接。實施例保溫底座設(shè)計為一部分中空的圓盤體，沿中空部分可填充PLC電加熱恒溫材料或者中空部分底面設(shè)有正交的兩通道，采用恒溫循環(huán)液體進行底座的溫度控制，盒體中心有一垂直通道；考慮到底座的高承載要求及傳熱的效果，材料宜使用鋁合金，具有相當(dāng)?shù)膹姸燃熬植縿偠?。補水槽體與保溫底座以螺釘相銜接，槽體中心設(shè)有垂直貫通段，直徑與保溫底座相同，補水槽體與保溫底座銜接后，垂直貫通段相對應(yīng)以實現(xiàn)補水槽體的補水通道暢通，在接口處墊有0型橡皮圈，以保證底座與補水槽體兩者間密封性，與保溫底座相似，材料宜用
招合金O保溫試樣載桶分二層，以內(nèi)徑10cm，外徑12cm，高23cm的環(huán)柱內(nèi)套內(nèi)徑為8cm，外徑為IOcm的等高環(huán)柱，等高環(huán)柱外表面包裹保溫材料，如酚醛泡沫等，內(nèi)環(huán)柱需充分考慮到土樣膨脹時的側(cè)向壓力，必須有足夠的強度，同時盡可能選取導(dǎo)熱系數(shù)較小的有機玻璃或膠木材料。既保證了強度也有利于保溫。制冷或加熱導(dǎo)溫頭在導(dǎo)溫頭部銅制底板表面部分置入半導(dǎo)體致冷面，利用半導(dǎo)體的正負極方向可以實現(xiàn)電制冷和制熱的集成一體化。另外制冷頭上部設(shè)計為一中空多通道的鋁盒，其上部開有垂直的兩出口，作為循環(huán)散熱進出口，實現(xiàn)了對冷熱溫度源使用的兼容。凍脹測定時冷端溫度低于-10°C，精度0. 2°C。壓力室以環(huán)帶狀可豎向壓縮伸長的橡膠囊，該橡膠囊內(nèi)置于冷凍液循環(huán)盒之上， 壓力室在外罩內(nèi)，以永磁同步電機推動傳遞壓力并實現(xiàn)液壓及體積的自動化控制。同時，可用此裝置進行土體凍脹時凍脹力的測定。外罩和四根不銹鋼螺桿是將各部分構(gòu)成整體的銜接套件，考慮到試驗中凍脹力的存在以及保溫的需要，這里材料設(shè)計為復(fù)合材料，采用不銹鋼外殼與內(nèi)層的有機玻璃組合， 以保證隔熱與強度性能要求。當(dāng)試樣自上部凍脹后，溫度梯度作用下試樣就會從下部吸收水分，此處通過透水板來自動給上部的試樣補水，所補水的來源是一個具有流量測量的馬氏瓶，補水系統(tǒng)以馬里奧特瓶(俗稱“馬氏瓶”)為基本原理，制成圓柱體型玻璃容器，內(nèi)置壓差計或流量傳感器用于測定補水量，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動化控制；考慮到補水量要求不多，該裝置暫不設(shè)加水口。各測試元件要求液壓傳感器(量程OMPa 2ΜΡ ，精度1%)；位移傳感器(軸向量程0_ 50_，精度1%)；溫度傳感器量程-40°C +40°C，精度0. 2°C?；跓犭娭评淇刂频耐寥纼雒浫诔猎囼灧椒ǎㄈ缦鹿に嚥襟E一、凍脹融沉試驗，具體步驟分1)按照試驗試樣尺寸要求，直徑8 cm、高度16 cm，對于原狀土采用削樣法削制成試樣，重塑土按照密度和含水要求依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB_T50123-1999)所規(guī)定的方法進行制樣；2)檢查各管路，保證補水暢通。放置保溫試樣載桶內(nèi)嵌于補水槽體并保證兩者之間有密封圈，調(diào)節(jié)補水裝置的供水水位，使其水位剛好淹沒透水板，并水位恒定在該位置；3 )安裝試樣，在保溫試樣載桶的內(nèi)壁上涂抹凡士林，并把成型的試樣放到載桶中，使試樣可以自由的滑落；4)安裝集成制冷頭與壓力室的上部外罩，放置制冷頭緊貼于試樣的表面，旋緊螺桿使底座、保溫載桶、外罩緊密連成一體；5)當(dāng)需要進行一定荷載下的凍脹量測試，則需要通過液壓體積控制器設(shè)定液壓向壓力室施加壓力，并通過位移監(jiān)測變形直到當(dāng)試樣固結(jié)穩(wěn)定后進行凍脹試驗；6)在保溫載桶身上安插A類溫度傳感器，并安裝調(diào)節(jié)好位移傳感器；7)啟動電腦采集控制軟件，設(shè)定頂?shù)装逶囼灉囟?，如上?10°C，下部20°C，控制其波動度為士0. 2°C，并開始采集進行試樣的凍脹量測試；8)凍脹量穩(wěn)定，若為封閉系統(tǒng)凍脹試驗，直至讀數(shù)不變后Ih為止，若為開敞系統(tǒng)凍脹試驗，直至2小時內(nèi)試樣高度變化值< 0. 02mm,由控制軟件設(shè)定實現(xiàn)自動監(jiān)測控制，凍脹階段結(jié)束；9)凍脹率計算式中 ——t時刻試樣的凍脹率，％ ；Lk——0 t時間內(nèi)試樣的軸向變形，_ ；A0——試驗前試樣高度，mm ；10)凍脹階段結(jié)束后，調(diào)節(jié)溫度以及位移測試元件進行融沉試驗，融沉試驗結(jié)束判斷以沉降位移讀數(shù)穩(wěn)定不變后Ih為止，融沉系數(shù)的計算公式為 = Mfh0 xlOO式中《%——t時刻試樣的凍脹率，％;Lh——0 t時間內(nèi)試樣的軸向變形，_ ；h——試驗前凍結(jié)試樣高度，mm ；二、凍脹力試驗，具體步驟分1)按照試驗試樣尺寸要求，直徑8 cm、高度16 cm。對于原狀土采用削樣法削制成試樣，重塑土按照密度和含水要求依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB_T50123-1999)所規(guī)定的方法進行制樣；2)檢查各管路，保證補水暢通。放置保溫試樣載桶內(nèi)嵌于補水槽體并保證兩者之間有密封圈，調(diào)節(jié)補水裝置的供水水位，使其水位剛好淹沒透水板，并水位恒定在該位置；3)安裝試樣。在保溫試樣載桶的內(nèi)壁上涂抹凡士林，并把成型的試樣放到載桶中， 使試樣可以自由的滑落；4)安裝集成制冷頭與壓力室的上部外罩，放置制冷頭緊貼于試樣的表面，旋緊螺桿使底座、保溫載桶、外罩緊密連成一體；5)調(diào)節(jié)液壓體積控制器，使得壓力室充滿并產(chǎn)生IKPa的接觸壓力，然后鎖定壓力室的閥門，保證壓力室體積不變；6)在保溫載桶身上安插A類溫度傳感器，并安裝調(diào)節(jié)好位移傳感器；7)啟動電腦采集控制軟件，設(shè)定頂?shù)装逶囼灉囟龋缟喜?10°C，下部20°C，控制其波動度為士0. 2°C，并開始采集進行試樣的凍脹力測試；
6[0047] 8)凍脹力穩(wěn)定，由液壓傳感器記錄液壓隨時間的變化曲線，當(dāng)壓力曲線趨于平緩并最終在一個小時內(nèi)變化量小于0. 5 KPa時認為凍脹力測試結(jié)束。
權(quán)利要求1.基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，其特征是包括試驗儀的主體、采集控制裝置、補水裝置、加載裝置，其中補水裝置與試驗儀的主體的底部補水槽體相接，采集控制裝置與試驗儀主體中負責(zé)監(jiān)測試樣溫度梯度變化的A溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器對應(yīng)相接，采集控制裝置與半導(dǎo)體制冷體內(nèi)的B溫度傳感器相接，加載裝置設(shè)在試驗儀的主體中的壓力室內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，其特征是試驗儀的主體包括保溫空心底板、補水槽體、保溫土樣載桶、T型半導(dǎo)體制冷頭、壓力室和外罩，其中補水槽體與保溫空心底板以螺釘相銜接以形成試驗主體的下部底座，土樣承載桶下部內(nèi)嵌于補水槽體，載桶外徑與補水凹槽內(nèi)徑相吻合，土樣承載桶與補水槽體之間有0型墊圈， 土樣承載桶上部嵌于上部的外罩，土樣承載桶、外罩與底座三者通過螺桿固定連成一體，由土樣承載桶、外罩與底座三者間形成的空間內(nèi)存放一個可作自由上下運動的T型半導(dǎo)體制冷頭，T型半導(dǎo)體制冷頭上部與外罩形成一個封閉的壓力室，T型半導(dǎo)體制冷頭下部的土樣承載桶內(nèi)存放試樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，其特征是補水裝置包括水勢差壓傳感器、馬氏瓶，其中水勢差壓傳感器通過連通管與馬氏瓶相接。
專利摘要本實用新型是基于熱電制冷控制的土壤凍脹融沉試驗儀，包括試驗儀的主體、采集控制裝置、補水裝置、加載裝置，其中補水裝置與試驗儀的主體的底部補水槽體相接，采集控制裝置與試驗儀主體中負責(zé)監(jiān)測試樣溫度梯度變化的A溫度傳感器、位移傳感器、液壓傳感器對應(yīng)相接，采集控制裝置與半導(dǎo)體制冷體內(nèi)的B溫度傳感器相接，加載裝置設(shè)在試驗儀的主體中的壓力室內(nèi)。優(yōu)點可根據(jù)試驗含水量自動對試驗從下部進行自動補水和排水，可對補水量進行精確計量；對排水過程孔壓實現(xiàn)監(jiān)測。實現(xiàn)連續(xù)無級加載；實現(xiàn)無極連續(xù)自動加載以及鎖定體積后凍脹力的測試，提高試驗室凍脹融沉試驗對自然條件的模擬真實度，試驗效率提高的同時降低了試驗的勞動強度。
文檔編號G01N33/24GK202216953SQ201120354038
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者何忠意, 張婷, 張翔宇, 楊平, 王曉偉, 王海波 申請人:何忠意, 南京林業(yè)大學(xué)