本發(fā)明屬于室內(nèi)污染土電學(xué)參數(shù)測試以及采集試驗(yàn)儀器領(lǐng)域，涉及一種污染土電導(dǎo)率測量及電滲過程電學(xué)參數(shù)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，人類生活對(duì)環(huán)境逐漸產(chǎn)生了越來越大的影響，生活垃圾、化工業(yè)、污水灌溉等都對(duì)土體產(chǎn)生了一定的影響，這些污染土地基被開發(fā)出來使用，其電滲加固特性與普通土具有明顯的不同。污染土中離子成分比較復(fù)雜，往往含有部分重金屬離子，其中重金屬離子的運(yùn)移會(huì)對(duì)周圍地下水以及土壤造成較大的影響。

重金屬離子污染土的電學(xué)特性和普通土具有較大的差別，往往具有較高的電導(dǎo)率和復(fù)雜的電學(xué)特性，所以需要對(duì)其電導(dǎo)率特性進(jìn)行專門的研究。已有的測量土體電導(dǎo)率的裝置往往是利用電極板給環(huán)刀大小的試樣施加電壓，然后在不同的溫度下測量溫度變化對(duì)于土體電導(dǎo)率等電學(xué)特性的影響，這種方法在操作過程中電極板會(huì)對(duì)土體造成較大的擾動(dòng)，土樣周圍裝置的絕緣性也會(huì)對(duì)測試結(jié)果造成較大的影響。除此之外，污染土在進(jìn)行電滲排水加固試驗(yàn)的過程中，電導(dǎo)率等電學(xué)參數(shù)變化規(guī)律比較復(fù)雜，雖然電壓電流等參數(shù)已經(jīng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，但是對(duì)于電導(dǎo)率參數(shù)的測量依賴于公式法推導(dǎo)或者電導(dǎo)率傳感器，公式推導(dǎo)結(jié)果往往不準(zhǔn)確而電導(dǎo)率傳感器在電滲過程中較難合理布置，目前還沒有合適的裝置可以用來實(shí)時(shí)監(jiān)測污染土電滲試驗(yàn)過程中土體電導(dǎo)率和孔隙水電導(dǎo)率、溫度以及其他基本電學(xué)參數(shù)的變化，所以本發(fā)明提供了一種可以進(jìn)行電導(dǎo)率測量和監(jiān)控電滲過程中電導(dǎo)率等參數(shù)變化的測試裝置和方法，為污染土的電學(xué)特性研究打下基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種污染土電導(dǎo)率測量及電滲過程電學(xué)參數(shù)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種污染土電導(dǎo)率測量及電滲過程電學(xué)參數(shù)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，包括：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、有機(jī)玻璃圓筒、程控電源箱、TDR100測試儀、溫度檢測模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、LAQUA電導(dǎo)率測試儀、電子稱和過濾收集瓶。

所述有機(jī)玻璃圓筒的中軸線上設(shè)置金屬管作為陰極，內(nèi)壁纏繞EKG土工布作為陽極，陽極和陰極分別與程控電源箱的正負(fù)極連接；所述金屬管側(cè)壁開有小孔，外層包裹土工布；所述有機(jī)玻璃圓筒底部中間開有排水孔；電滲排水通過土工布進(jìn)入金屬管然后通過排水孔經(jīng)排水導(dǎo)管進(jìn)入過濾收集瓶；所述過濾收集瓶和LAQUA電導(dǎo)率測試儀均置于電子稱上；LAQUA電導(dǎo)率測試儀的玻璃管電極插入過濾收集瓶中；所述有機(jī)玻璃圓筒的頂部蓋有有機(jī)玻璃蓋板；所述溫度檢測模塊由三個(gè)溫度傳感器組成，將三個(gè)溫度傳感器穿過有機(jī)玻璃蓋板的小孔分別插入陰極土體、陽極土體和陰極陽極之間的土體中；所述有機(jī)玻璃圓筒側(cè)壁從上到下打三個(gè)螺栓孔，將TDR100測試儀的三個(gè)TDR探針穿過螺栓孔與有機(jī)玻璃圓筒固定連接；所述TDR100測試儀通過同軸電纜連接計(jì)算機(jī)；所述電壓檢測模塊與程控電源箱并聯(lián)，用于檢測電滲回路的電壓并傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述電流檢測模塊與程控電源箱串聯(lián)，用于檢測電滲回路的電流并傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述LAQUA電導(dǎo)率測試儀用于檢測電滲排出水即孔隙水的電導(dǎo)率，將檢測數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述溫度檢測模塊用于測量土體中不同位置的溫度并傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和程控電源箱進(jìn)行有線通信，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠傳輸和控制；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過無線通信模塊與計(jì)算機(jī)相連，無線通信模塊為GSM/GPRS通信模塊。

進(jìn)一步地，所述電流檢測模塊采用數(shù)顯電流計(jì)，數(shù)顯電流計(jì)既可用于直觀顯示數(shù)據(jù)，又可將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述電壓檢測模塊采用數(shù)顯電壓計(jì)，數(shù)顯電壓計(jì)既可用于直觀顯示數(shù)據(jù)，又可將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述陽極頂部固定一圈金屬條，可以保證在電滲過程中保持均勻的導(dǎo)電效果。

進(jìn)一步地，所述金屬管為鐵管。

進(jìn)一步地，所述溫度傳感器7采用ELECALL開口探頭式熱電偶溫度傳感器，熱響應(yīng)時(shí)間小于5秒，允差范圍為±1.5℃。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明污染土電導(dǎo)率測量及電滲過程電學(xué)參數(shù)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置由計(jì)算機(jī)來統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下的節(jié)點(diǎn)裝置的工作狀態(tài)，電滲過程中的所有重要電學(xué)參數(shù)比如電壓、電流、土體電導(dǎo)率、孔隙水電導(dǎo)率、溫度等都可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，方便高效的研究電學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。

(2)可以避免公式推導(dǎo)計(jì)算中理想化假設(shè)導(dǎo)致的誤差問題，TDR系統(tǒng)可以保證電導(dǎo)率測量更加準(zhǔn)確有效。

(3)本裝置還可以實(shí)現(xiàn)測試土體在不同溫度下電導(dǎo)率的功能，已有的測量土體電導(dǎo)率的裝置往往是利用電極板給環(huán)刀大小的試樣施加電壓，操作過程中電極板會(huì)對(duì)土體造成較大的擾動(dòng)，土樣周圍裝置的絕緣性也會(huì)對(duì)測試結(jié)果造成較大的影響，本裝置利用TDR100測試儀和溫度修正可以更加高效的獲得污染土的電導(dǎo)率與溫度變化規(guī)律。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明TDR探針的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為土體電導(dǎo)率和孔隙水電導(dǎo)率擬合關(guān)系曲線；

圖中：1-計(jì)算機(jī)，2-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，3-有機(jī)玻璃圓筒，4-陰極，5-陽極，6-TDR100測試儀，7-溫度傳感器，8-TDR探針，9-程控電源箱，10-電壓檢測模塊，11-電流檢測模塊，13-過濾收集瓶，14-電子稱，15-排水導(dǎo)管，16-LAQUA電導(dǎo)率測試儀，17-無線通信模塊，18-玻璃管電極，19-同軸電纜，71-連接導(dǎo)線，72-環(huán)氧樹脂，73-探針頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，并結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種污染土電導(dǎo)率測量及電滲過程電學(xué)參數(shù)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，包括：計(jì)算機(jī)1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2、有機(jī)玻璃圓筒3、程控電源箱9、TDR100測試儀(電磁波時(shí)域反射方法)6、溫度檢測模塊、電壓檢測模塊10、電流檢測模塊11、LAQUA電導(dǎo)率測試儀16、電子稱14和過濾收集瓶13。

所述有機(jī)玻璃圓筒3的中軸線上設(shè)置金屬管作為陰極4，內(nèi)壁纏繞EKG土工布作為陽極5，陽極5和陰極4分別與程控電源箱9的正負(fù)極連接；金屬管可選用鐵管。所述金屬管側(cè)壁開有小孔，外層包裹土工布；所述有機(jī)玻璃圓筒3底部中間開有排水孔；電滲排水通過土工布進(jìn)入金屬管然后通過排水孔經(jīng)排水導(dǎo)管15進(jìn)入過濾收集瓶13；所述過濾收集瓶13和LAQUA電導(dǎo)率測試儀16均置于電子稱14上；LAQUA電導(dǎo)率測試儀16的玻璃管電極18插入過濾收集瓶13中，每隔一定間隔采集電滲排水即孔隙水的電導(dǎo)率數(shù)值；所述過濾收集瓶13具有過濾和收集儲(chǔ)水兩種功能，電滲排出水經(jīng)過過濾收集瓶13頂部的濾紙后，可以將其中的細(xì)小的土體顆粒過濾掉，從而保證LAQUA電導(dǎo)率測試儀16的玻璃管電極18不被電滲排出水中混雜的土體所影響，可以準(zhǔn)確測試出電滲排出水的電導(dǎo)率。所述有機(jī)玻璃圓筒3的頂部蓋有有機(jī)玻璃蓋板；所述溫度檢測模塊由三個(gè)溫度傳感器7組成，將三個(gè)溫度傳感器7穿過有機(jī)玻璃蓋板的小孔分別插入陰極土體、陽極土體和陰極陽極之間的土體中；所述有機(jī)玻璃圓筒3側(cè)壁從上到下打3個(gè)螺栓孔，將TDR100測試儀6的三個(gè)TDR探針8穿過螺栓孔與有機(jī)玻璃圓筒3固定連接，保證電滲過程中不隨著土體的沉降而發(fā)生移動(dòng)，并且可以保證有機(jī)玻璃圓筒3內(nèi)部的土體或者水分不會(huì)產(chǎn)生泄露。有機(jī)玻璃圓筒3上中下3組探針的布置可以準(zhǔn)確的測量出土體中不同位置的電導(dǎo)率在電滲過程中的變化情況；所述TDR100測試儀6通過同軸電纜19連接計(jì)算機(jī)1；所述電壓檢測模塊10與程控電源箱9并聯(lián)，用于檢測電滲回路的電壓并傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2；所述電流檢測模塊11與程控電源箱9串聯(lián)，用于檢測電滲回路的電流并傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2；通過電壓檢測模塊10和電流檢測模塊11，可以實(shí)時(shí)分析電滲排水的加固效果和發(fā)現(xiàn)異常情況；所述LAQUA電導(dǎo)率測試儀16用于檢測電滲排出水即孔隙水的電導(dǎo)率，將檢測數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2；所述溫度檢測模塊用于測量土體中不同位置的溫度并傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2與計(jì)算機(jī)1連接。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2和程控電源箱9進(jìn)行有線通信，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠傳輸和控制；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2通過無線通信模塊17與計(jì)算機(jī)1相連，無線通信模塊為GSM/GPRS通信模塊。所述TDR100測試儀6通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到計(jì)算機(jī)1中，可以保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，可以實(shí)時(shí)獲得土體中的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述電流檢測模塊11采用數(shù)顯電流計(jì)，數(shù)顯電流計(jì)既可用于直觀顯示數(shù)據(jù)，又可將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2；所述電壓檢測模塊10采用數(shù)顯電壓計(jì)，數(shù)顯電壓計(jì)既可用于直觀顯示數(shù)據(jù)，又可將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2。

進(jìn)一步地，所述陽極5頂部固定一圈金屬條，可以保證在電滲過程中保持均勻的導(dǎo)電效果。

進(jìn)一步地，所述溫度傳感器7采用ELECALL開口探頭式熱電偶溫度傳感器，熱響應(yīng)時(shí)間小于5秒，允差范圍為±1.5℃。

實(shí)施例

本實(shí)施例中，所述溫度檢測模塊由3個(gè)長12cm、直徑5mm的溫度傳感器8組成；所述有機(jī)玻璃圓筒3內(nèi)邊緣尺寸28.5cm，高度30cm，底部打一個(gè)直徑15mm的小孔，通過排水導(dǎo)管15連接延伸到過濾收集瓶13中。有機(jī)玻璃圓筒3右側(cè)壁從上到下均勻打3個(gè)直徑20mm的小孔，將TDR100測試儀6的三個(gè)TDR探針8穿過螺栓孔與有機(jī)玻璃圓筒3固定連接。在使用TDR100測試儀6時(shí)，探針長度越長則可以得到越準(zhǔn)確的介電常數(shù)數(shù)值，所述TDR100測試儀6中的TDR探針8長度為12cm，直徑為5mm，可以保證足夠的測量精度。

如圖2所示，所述TDR探針8包括連接導(dǎo)線71、環(huán)氧樹脂72和三個(gè)探針頭73；所述探針頭73的末端嵌入環(huán)氧樹脂72中，所述探針頭73通過連接導(dǎo)線71連接同軸電纜19。選用三針式探頭，可以保證盡量接近同軸電纜的構(gòu)造又可以減少在測量電導(dǎo)率特性時(shí)候?qū)ν馏w的擾動(dòng)。

本發(fā)明一種污染土電導(dǎo)率測量及電滲過程電學(xué)參數(shù)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置可以實(shí)現(xiàn)兩種功能：

功能一：測試污染土在不同溫度下的電導(dǎo)率，研究土體溫度對(duì)電導(dǎo)率變化的影響；

(1)首先將EKG土工布電極圍繞在有機(jī)玻璃圓筒3的內(nèi)壁上作為陽極5，金屬管固定在有機(jī)玻璃圓筒3中間作為陰極4，將TDR100測試儀6的TDR探針8按照設(shè)計(jì)經(jīng)過有機(jī)玻璃圓筒3側(cè)壁上的螺栓孔固定在相應(yīng)的位置，將土體分層裝入有機(jī)玻璃圓筒3內(nèi)部，蓋好有機(jī)玻璃蓋板；

(2)將陽極5和陰極4分別與程控電源箱9的正負(fù)極連接，并將電流檢測模塊11與程控電源箱9串聯(lián)用于檢測電滲回路的電流，將電壓檢測模塊10與程控電源箱9并聯(lián)用于檢測電滲回路的電壓；

(3)將溫度傳感器8通過有機(jī)玻璃蓋板的小孔分別插入陰極土體、陽極土體和陰極陽極中間的土體中，監(jiān)測在電導(dǎo)率測試過程中土體中不同位置實(shí)時(shí)溫度；

(4)將有機(jī)玻璃圓筒3放入環(huán)境箱中控制土體中的溫度為恒溫，試驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)境箱控制的溫度為10℃、13℃、16℃，按此規(guī)律增長一直到60℃。以溫度恒定為20℃為例，分析溫度傳感器8監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定在20℃以后，使用TDR100測試儀6測試土體中此時(shí)的電導(dǎo)率數(shù)值。

(5)由于污染土的電導(dǎo)率比普通土要高得多，用下面的公式對(duì)電導(dǎo)率EC進(jìn)行計(jì)算：

式中：K是探頭的幾何參數(shù)(m^-1)；Z_u是電纜的特性阻抗(Ω)；ρ_∞是最終的穩(wěn)定后的反射系數(shù)，可以利用ρ_∞＝(V_∞-V₀)/V₀確定，其中V_∞是最終的穩(wěn)定電壓，V₀是TDR100測試儀6的發(fā)射階躍脈沖電壓。

功能二：對(duì)電滲過程中土體電導(dǎo)率和孔隙水電導(dǎo)率、溫度以及其他基本電學(xué)參數(shù)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，研究污染土的電滲機(jī)理。

(1)首先將EKG土工布電極圍繞在有機(jī)玻璃圓筒3的內(nèi)壁上作為陽極5，金屬管固定在有機(jī)玻璃圓筒3中間作為陰極4，將TDR探針7按照設(shè)計(jì)經(jīng)過有機(jī)玻璃圓筒3側(cè)壁上的螺栓孔固定在相應(yīng)的位置，將土體分層裝入有機(jī)玻璃圓筒3內(nèi)部，蓋好有機(jī)玻璃蓋板；

(2)將陽極5和陰極4分別與程控電源箱9的正負(fù)極連接，并將電流檢測模塊11與程控電源箱9串聯(lián)用于檢測電滲回路的電流，將電壓檢測模塊10與程控電源箱9并聯(lián)用于檢測電滲回路的電壓；

(3)將溫度傳感器8通過有機(jī)玻璃蓋板的小孔分別插入陰極土體、陽極土體和陰極陽極中間的土體中，監(jiān)測電滲過程中土體溫度的變化；

(4)將過濾收集瓶13和電子稱14放置在陰極4右下方相應(yīng)位置，將LAQUA電導(dǎo)率測試儀16放置在電子稱一側(cè)，然后將玻璃管電極18插入過濾收集瓶13中部，測試電滲排出水的電導(dǎo)率。

(5)將溫度傳感器8、電流檢測模塊11、電壓檢測模塊10和LAQUA電導(dǎo)率測試儀16分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2有線相連；

(6)接通程控電源箱9進(jìn)行電滲，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2按照設(shè)定的時(shí)間間隔，逐級(jí)升高程控電源箱9的電壓；

(7)溫度傳感器8、電流檢測模塊11、電壓檢測模塊10和LAQUA電導(dǎo)率測試儀16將檢測數(shù)據(jù)傳回至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2通過無線通信模塊17與計(jì)算機(jī)1進(jìn)行無線通信；

(8)試驗(yàn)過程中利用TDR100測試儀6每半小時(shí)采集一次電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并通過同軸電纜19傳輸儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)1中，通過TDR100測試儀6對(duì)電滲過程中反射波形進(jìn)行采集，并保存相應(yīng)數(shù)據(jù)。

(9)由于污染土的電導(dǎo)率比普通土要高得多，用下面的公式對(duì)電導(dǎo)率EC進(jìn)行計(jì)算：

式中：K是探頭的幾何參數(shù)(m^-1)；Z_u是電纜的特性阻抗(Ω)；ρ_∞是最終的穩(wěn)定后的反射系數(shù)，可以利用ρ_∞＝(V_∞-V₀)/V₀確定，其中V_∞是最終的穩(wěn)定電壓，V₀是TDR100測試儀的發(fā)射階躍脈沖電壓。

為了驗(yàn)證本裝置的可靠性，利用本裝置在室內(nèi)進(jìn)行了重金屬銅污染圖電滲加固試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1所示，并且獲得了土體電導(dǎo)率和孔隙水電導(dǎo)率的擬合關(guān)系，如圖3所示，在電滲過程中，隨著重金屬銅離子的逐漸排出，孔隙水的電導(dǎo)率逐漸上升，而土體中因?yàn)樗值呐懦?，接觸電阻也逐漸增大，土體電導(dǎo)率逐漸減小。擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，EKG電極電滲試驗(yàn)兩者具有一定的線性關(guān)系，擬合中EKG的R²為0.98545，擬合結(jié)果可以對(duì)黏土的孔隙水電導(dǎo)率和土體電導(dǎo)率的關(guān)系研究提供參考價(jià)值。利用原子分光光度計(jì)測量不同時(shí)間段電滲排出水中銅的含量，變化規(guī)律與電導(dǎo)率變化規(guī)律相吻合，最終含量為0.3mg/L。

表1：試驗(yàn)基本條件

前文所述僅僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，但并不限制其本身，任何本領(lǐng)域的研究和研究人員，在不違背本發(fā)明精神的情況下，所做的變化和更動(dòng)，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。