用於巖土體氣體滲透測試的壓力測量儀的製作方法

2023-07-29 21:01:46

專利名稱：用於巖土體氣體滲透測試的壓力測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種用於巖土體氣滲性測試的氣體體積量測和壓力控制儀，屬於巖土工程室內試驗測試的技術領域。
背景技術：
近代工業技術發展和人類的各種活動對地基土和地下水汙染現象嚴重。有機化合物汙染是地基土和地下水主要的汙染種類之一。據環境部門統計，全球每年開採30億噸石油，其中有7% (含原油及其產品)通過各種途徑又重新進入地下環境，對土壤、地下水和地表水造成了嚴重汙染。目前地基土和地下水油汙染控制及恢復技術主要有抽出-處理(Pump-and-Treat)、曝氣(Air Sparging)、生物曝氣(Biosparging)和多相抽提 (Multi-Phase Extraction)等。這幾種常用的有機化合物汙染修復技術都與巖土體中的氣體滲透性規律有關。只有清楚氣體在地下的流動分布狀況，才能進一步的結合流體力學和汙染物遷移過程對以上各種工程技術的內在機理與優化設計等進行深入研究，使進入地基土和地下水系統的汙染物減少到最低限度，防止已汙染的地基土和地下水擴散到未汙染區，更好的將汙染物從土壤和地下水中去除，以便恢復地基土和地下水的環境功能。目前我國主要採用衛生填埋法處理城市垃圾。城市生活垃圾填埋後，垃圾中的有機質降解產生大量氣體，氣體的無序排放汙染環境，危害周圍居民的健康，同時填埋氣體中的甲烷易引起爆炸和火災。填埋氣體導排不暢時，填埋場內氣壓力會累積，過高的氣壓力將影響垃圾體的沉降和穩定。因此，研究城市生活垃圾填埋場內氣體運移規律的研究具有重要的現實意義。工程界遇到的土大多處於地下水位以上，呈非飽和狀態。非飽和巖土體是由固相、 液相和氣相三相組成的複合介質。氣體存在與否是非飽和土和飽和土的本質區別。以上工程問題都有巖土體中氣體滲透特性測試與評價密切相關。氣相在土中滲流特性是非飽和土中涉及滲流、固結等的重要課題，因此巖土體氣體滲透性的測試是非飽和土和環境巖土工程研究的基礎與主要內容之一。而巖土體中氣體滲透特性的測定主要是通過測定巖土體的滲氣係數來實現的，需要測量施加在巖土體試樣兩端施加不同的氣體壓力以及在此氣壓差作用下的氣體流速。現有的試驗裝置只能單一的控制巖土樣進氣端的氣體壓力或氣體流量，土樣出氣端氣壓為大氣壓力，不能調節出氣端的氣壓大小，且出氣端氣體體積準確量測結果也不是很理想。目前國內沒有專供巖土體氣體滲透性能測量時試樣出氣端氣體體積收集與量測和氣體壓力控制的裝置。本實用新型旨在提供一種同時完成對巖土試樣出氣端氣體流量和壓力高精度測量與控制的儀器。
發明內容技術問題針對現有巖土體氣體滲透測試中存在的問題，本實用新型旨在提供一種用於巖土體氣體滲透測試的壓力測量儀，具體地說是一種活塞式的氣體收集與量測儀器。該儀器安裝簡單，操作方便，測試精度高，密封性和穩定性好，可以精確快速的測量試樣出氣端氣體壓力和流量值，為巖土體氣體滲透性能的試驗研究提供了技術支持。技術方案本實用新型的用於巖土體氣體滲透測試的氣體體積量測與壓力控制儀具體如下該儀器是一個活塞缸結構，由氣體腔、活塞隔膜、活塞、活塞杆、軸向軸承、砝碼、位移傳感器、氣體腔外殼、三通閥、機座、支架和固定螺絲組成。該測量儀以機座為主體，在機座中設有氣體腔，在氣體腔上部的機座上設有氣體腔外殼，活塞隔膜的周邊固定在氣體腔外殼、機座的連接處，活塞位於活塞隔膜的上方，活塞杆的下端壓在活塞上，中部穿過固定在氣體腔外殼中孔的軸向軸承，上部頂在砝碼的下部，位移傳感器的下部頂在砝碼上，在機座的側面設有三通閥，支架的下端固定在機座上， 支架的上端固定位移傳感器。其中由砝碼、活塞和活塞杆的重量控制土樣出氣端的氣體壓力，砝碼的重量是可變化的，由砝碼重量的變化可實現土樣出氣端氣體壓力的調節與控制；由位移傳感器量測活塞的位移量，進而換算為氣體腔體積增量，即為量測氣體的體積增量。活塞缸部件為滾動隔膜結構，缸體內壁光滑，摩擦阻力極小，且密封。活塞杆一端與活塞連接，另一端上可施加砝碼，通過砝碼、活塞杆與活塞等移動部件的重量控制土樣出氣端氣體壓力，壓力測量範圍0. 5kPa-200kPa，量測精度為0. IkPa0滲透後的氣體經三通閥進入氣體腔，也可以將氣體腔內氣體通過三通閥排出。在氣體開始進入氣體腔時，因為未達到儀器設定壓力，活塞保持不動，隨著流入氣體量的增加，缸體中氣體壓力逐漸增大。一旦達到預先設定的壓力後，氣體的繼續增加則會推動活塞上升，使得氣體體積增大並保持活塞缸內氣體壓力的恆定。活塞上升高度由位移傳感器測量，通過換算公式(1)可計算在此壓力條件下的氣體流量值，氣體流量測量範圍0-300ml，測量精度士 FS0AQ = AX Ah(1)式中AQ為氣體流量增量；A為氣體腔橫截面面積；Ah為活塞上升高度。有益效果本儀器與現有儀器相比，其特色在於可以控制試樣出氣端氣體壓力和實現氣體體積的準確量測，且具有結構簡單，容易實施，操作簡便靈活的特點，可以適用於各種氣體的收集與測量，在實踐中具有較大的應用前景和價值。主要優點如下1)氣體體積量測與壓力控制儀器不僅可以將出氣壓力設定為不同的壓力值，還可以精確量測出相應壓力下的氣體流量，解決了以往只能將氣體壓力控制在大氣壓力條件下的單一性，使得氣體滲透性試驗的研究角度更加多元化，可滿足實際工程情況。2)可以監測並收集不同性質的氣體，滿足各種試驗對於氣體壓力和氣體流量的不同要求。如用於對氣體測量需要較高精度的科研項目，巖土體、混凝土、垃圾土、煤層體等材料的氣體滲透性能試驗，還可用於非飽和土的水氣運移規律的研究。3)本儀器支持軟體操作，通過位移傳感器可以對活塞上升的位移量進行實時監測，連續測讀並記錄滲透後氣體的流量數據。由位移傳感器測量後，將數據傳輸給計算機， 計算機藉助軟體分析自動將所測位移量轉換為氣體流量並予以保存，此操作過程受外界環境幹擾較小，讀數連續穩定，精度可以滿足工程需要。

圖1是本實用新型的總體結構示意圖；[0019]圖2是實測的活塞位移隨時間的變化關係；其中有氣體腔1、活塞隔膜2、活塞3、活塞杆4、軸向軸承5、砝碼6、位移傳感器7、 氣體腔外殼8、三通閥9、機座10、支架11和固定螺絲12。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。該測量儀以機座10為主體，在機座10中設有氣體腔1，在氣體腔1上部的機座10 上設有氣體腔外殼8，活塞隔膜2的周邊固定在氣體腔外殼8、機座10的連接處，活塞3位於活塞隔膜2的上方，活塞杆4的下端壓在活塞3上，中部穿過固定在氣體腔外殼8中孔的軸向軸承5，上部頂在砝碼6的下部，位移傳感器7的下部頂在砝碼6上，在機座10的側面設有三通閥9，支架11的下端固定在機座10上，支架11的上端固定位移傳感器7。支架11 的上端為活動端，位移傳感器7固定在該活動端上。其中由砝碼6、活塞3和活塞杆4的重量控制土樣出氣端的氣體壓力，砝碼6的重量是可變化的，由砝碼6重量的變化可實現土樣出氣端氣體壓力的調節與控制；由位移傳感器7量測活塞3的位移量，進而換算為氣體腔1體積增量，即為量測氣體的體積增量。本實用新型的氣體體積量測和壓力控制儀器具體結構與工作原理如下在進氣側和出氣側壓力差作用下，氣體滲流通過巖土體，然後氣體經三通閥進入氣體腔。氣體腔內壓力由砝碼、活塞和活塞杆的重量控制。在氣體開始進入缸體時，因為未達到儀器預先設定壓力，活塞保持不動，隨著流入氣體量的增加，缸體中氣體壓力逐漸增大。一旦達到預先設定的壓力後，在繼續增加氣體則會推動活塞上升。在活塞向上運動過程中，氣體腔內壓力保持恆定不變，氣體腔內體積增量即為量測的氣體體積增量。活塞上升高度由位移傳感器測量，結合活塞上述高度和氣體腔的橫截面面積即可得到此壓力條件下的氣體流量值，氣體流量測量範圍0-300ml，測量精度士 FS。採用該儀器進行一土樣的氣滲性試驗，測試過程中保持土樣進氣端氣壓為20kPa， 出氣端壓力由砝碼、活塞和活塞杆的重量控制，恆定為5kPa，土樣兩端氣壓差為15kPa。實測的活塞上升高度(位移)隨時間的變化關係如2所示。由圖2可知，在氣體進入氣體腔的初期，由於氣體腔內壓力小於預定的砝碼、活塞、活塞杆和軸向軸承總重量產生的壓力，因此，活塞沒有位移。隨著氣體進一步增加，氣體腔內壓力增大，當氣體壓力超過砝碼、活塞、 活塞杆和軸向軸承總重量產生的壓力時，活塞開始緩慢移動。在活塞移動初期，活塞位移與時間並不是線性相關，這是由於氣體在氣壓差作用下，氣體滲流尚未形成穩定流。隨著時間的增加，氣體滲流形成穩定流，活塞穩定上升，活塞位移增量與時間增量成線性相關，由此段曲線可以計算出氣體的滲透係數k。
, AAhL, ^ λk = ⑵ 其中，Δ h為穩定流階段Δ t時間內的活塞位移增量；L為土樣高度；a為土樣橫截面積；A為氣體腔橫截面面積A為土樣進氣端壓力；P2為土樣出氣端壓力。試驗結果表明採用該儀器具有如下特點量測氣壓力精度可達到0. lkPa，靈敏度高；可以控制試樣出氣端氣壓大小，控制氣壓穩定性好，且可量測的氣壓力梯度範圍較大；由位移傳感器量測的位移換算氣體體積，解決了氣體體積量測的困難，提高了氣體體積的量測精度。
權利要求1.一種用於巖土體氣體滲透測試的壓力測量儀，其特徵在於，該測量儀以機座(10)為主體，在機座(10)中設有氣體腔(1)，在氣體腔(1)上部的機座(10)上設有氣體腔外殼(8)， 活塞隔膜(2)的周邊固定在氣體腔外殼(8)、機座(10)的連接處，活塞(3)位於活塞隔膜(2) 的上方，活塞杆(4)的下端壓在活塞(3)上，中部穿過固定在氣體腔外殼(8)中孔的軸向軸承(5)，上部頂在砝碼(6)的下部，位移傳感器(7)的下部頂在砝碼(6)上，在機座(10)的側面設有三通閥(9)，支架(11)的下端固定在機座(10)上，支架(11)的上端固定位移傳感器 (7)。
2.根據權利要求1所述的用於巖土體氣體滲透測試的壓力測量儀，其特徵在於，支架 (11)的上端為活動端，位移傳感器(7)固定在該活動端上。
專利摘要用於巖土體氣體滲透測試的壓力測量儀以機座(10)為主體，在機座(10)中設有氣體腔(1)，在氣體腔(1)上部的機座(10)上設有氣體腔外殼(8)，活塞隔膜(2)的周邊固定在氣體腔外殼(8)、機座(10)的連接處，活塞(3)位於活塞隔膜(2)的上方，活塞杆(4)的下端壓在活塞(3)上，中部穿過固定在氣體腔外殼(8)中孔的軸向軸承(5)，上部頂在砝碼(6)的下部，位移傳感器(7)的下部頂在砝碼(6)上，在機座(10)的側面設有三通閥(9)，支架(11)的下端固定在機座(10)上，支架(11)的上端固定位移傳感器(7)。該儀器安裝簡單，操作方便，測試精度高，密封性和穩定性好，可以精確快速的測量試樣出氣端氣體壓力和流量值。
文檔編號G01N15/08GK202066776SQ201120085608
公開日2011年12月7日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者劉松玉, 朱小丹, 章定文, 韓文君 申請人:東南大學