本發(fā)明涉及凍土層研究技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種凍土樣品的制備和測(cè)量裝置及其方法。

背景技術(shù)：

凍土層的熱學(xué)、滲透參數(shù)是評(píng)價(jià)凍土區(qū)天熱氣水合物成藏的關(guān)鍵參數(shù)。但是現(xiàn)場(chǎng)直接取得樣品并進(jìn)行測(cè)量十分困難，尤其對(duì)于青藏高原等高海拔極寒地帶而言，海拔越高取樣的難度越大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本很高，而且對(duì)凍土樣品的保存困難，容易使測(cè)量結(jié)果存在較大的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種凍土樣品的制備和測(cè)量裝置，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，使得該裝置能夠在室內(nèi)制備凍土樣品，還能夠測(cè)量?jī)鐾翗悠返臒釋W(xué)、滲透參數(shù)，避免了現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行測(cè)量的復(fù)雜過程，省時(shí)省力，降低成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：本發(fā)明提供一種凍土樣品的制備和測(cè)量裝置，包括凍土樣品制備單元、滲透參數(shù)測(cè)量單元、熱學(xué)參數(shù)測(cè)量單元及電源，所述凍土樣品制備單元包括樣品筒、壓力室及控溫室，樣品用于放置于所述樣品筒內(nèi)，所述樣品筒位于所述壓力室內(nèi)的中間處，所述壓力室設(shè)置于所述控溫室內(nèi)，所述樣品筒和壓力室之間構(gòu)成圍壓加載腔，所述圍壓加載腔與恒速恒壓泵連接；所述滲透參數(shù)測(cè)量單元包括進(jìn)氣口、出氣口、氣體流量計(jì)及壓力傳感器，所述進(jìn)氣口、出氣口分別與所述壓力室的進(jìn)口、出口連通，所述進(jìn)氣口和出氣口處均設(shè)置有所述氣體流量計(jì)和壓力傳感器；所述熱學(xué)參數(shù)測(cè)量單元包括加熱器、溫度傳感器及溫壓傳感器，所述加熱器和溫度傳感器分別設(shè)置于所述樣品筒內(nèi)的前端和末端，所述溫壓傳感器沿所述樣品的長(zhǎng)度分布；所述控溫室的內(nèi)側(cè)壁上均布有多個(gè)帕爾貼，所述氣體流量計(jì)、壓力傳感器、加熱器、控溫器、溫度傳感器、溫壓傳感器、恒速恒壓泵及帕爾貼均與所述電源連接。

可選的，所述圍壓加載腔內(nèi)用于盛放防凍液體。

可選的，所述樣品筒采用具有隔熱效果的橡膠材料。

可選的，所述控溫室為所述凍土樣品的制備和測(cè)量裝置的外圍。

可選的，所述溫度傳感器在所述樣品的端部截面呈環(huán)狀分布，所述加熱器是環(huán)狀繞絲。

一種凍土樣品的制備和測(cè)量方法，應(yīng)用于上述的凍土樣品的制備和測(cè)量裝置，其特征在于：

包括以下步驟：

(1)制備樣品

將樣品沿樣品筒內(nèi)側(cè)壁放置，并布置加熱器和溫度傳感器，在圍壓加載腔內(nèi)注入防凍液體，打開電源，利用恒速恒壓泵加載圍壓，并通過控溫室內(nèi)側(cè)壁上的帕爾貼對(duì)所述樣品進(jìn)行降溫，持續(xù)工作1-2天，并記錄溫度數(shù)據(jù)；

(2)測(cè)量滲透參數(shù)

將與步驟(1)中溫度相等的冷凍氣體以指定壓力從進(jìn)氣口注入樣品筒內(nèi)的樣品上，通過壓力傳感器測(cè)量氣體壓力，從而及時(shí)進(jìn)行壓力調(diào)整，記錄進(jìn)出氣口的壓力和流量參數(shù)，同時(shí)觀察溫壓傳感器，獲得壓力擴(kuò)展前鋒數(shù)據(jù)，從而根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算滲透率；

(3)測(cè)量熱學(xué)參數(shù)

停止圍壓加載并抽空所述圍壓加載腔內(nèi)的防凍液體，使所述樣品隔熱，然后開啟加熱器，控制加熱溫度高于所述樣品溫度且低于0℃，保證所述樣品中的冰不受擾動(dòng)，記錄所述溫度傳感器的溫度，同時(shí)觀測(cè)溫壓傳感器，獲得溫度擴(kuò)展前鋒數(shù)據(jù)，從而根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律計(jì)算熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。

可選的，步驟(2)中的指定壓力小于等于圍壓。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明中凍土樣品制備單元的設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)制備凍土樣品，避免了高海拔極寒地區(qū)取樣的復(fù)雜過程，而且還不存在難以保存等問題；滲透參數(shù)測(cè)量單元及熱學(xué)參數(shù)測(cè)量單元的設(shè)置，使得該裝置能夠分別進(jìn)行測(cè)量?jī)鐾翗悠返臒釋W(xué)、滲透參數(shù)，避免了現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行測(cè)量的復(fù)雜過程，省時(shí)省力，降低成本；其中控溫室內(nèi)設(shè)置的帕爾貼，即為半導(dǎo)體制冷片，其制冷速度快，且可制冷的溫度較低，能夠?qū)崿F(xiàn)極寒地區(qū)凍土樣品的制備，提高實(shí)驗(yàn)裝置的適用范圍。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例中凍土樣品的制備和測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1 帕爾貼；2 控溫室；3 進(jìn)氣口；4 壓力傳感器；5 氣體流量計(jì)；6 溫壓傳感器；7 樣品；8 溫度傳感器；9 出氣口；10 壓力室；11 樣品筒；12 加熱器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種凍土樣品的制備和測(cè)量裝置，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，使得該裝置能夠在室內(nèi)制備凍土樣品，還能夠測(cè)量?jī)鐾翗悠返臒釋W(xué)、滲透參數(shù)，避免了現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行測(cè)量的復(fù)雜過程，省時(shí)省力，降低成本。

該凍土樣品的制備和測(cè)量裝置包括凍土樣品制備單元、滲透參數(shù)測(cè)量單元、熱學(xué)參數(shù)測(cè)量單元及電源，凍土樣品制備單元包括樣品筒、壓力室及控溫室，樣品用于放置于樣品筒內(nèi)，樣品筒位于壓力室內(nèi)的中間處，壓力室設(shè)置于控溫室內(nèi)，樣品筒和壓力室之間構(gòu)成圍壓加載腔，圍壓加載腔與恒速恒壓泵連接；滲透參數(shù)測(cè)量單元包括進(jìn)氣口、出氣口、氣體流量計(jì)及壓力傳感器，進(jìn)氣口、出氣口分別與壓力室的進(jìn)口、出口連通，進(jìn)氣口和出氣口處均設(shè)置有氣體流量計(jì)和壓力傳感器；熱學(xué)參數(shù)測(cè)量單元包括加熱器、溫度傳感器及溫壓傳感器，加熱器和溫度傳感器分別設(shè)置于樣品筒內(nèi)的前端和末端，溫壓傳感器沿樣品的長(zhǎng)度分布；控溫室的內(nèi)側(cè)壁上均布有多個(gè)帕爾貼，氣體流量計(jì)、壓力傳感器、加熱器、控溫器、溫度傳感器、溫壓傳感器、恒速恒壓泵及帕爾貼均與電源連接。

將樣品沿樣品筒內(nèi)側(cè)壁放置，并布置加熱器和溫度傳感器，打開電源，利用恒速恒壓泵與圍壓加載腔連接進(jìn)行圍壓加載，并通過控溫室內(nèi)側(cè)壁上的帕爾貼對(duì)所述樣品進(jìn)行降溫，持續(xù)工作1-2天，并記錄溫度數(shù)據(jù)；

將與上述步驟中溫度相等的冷凍氣體以指定壓力從進(jìn)氣口注入樣品筒內(nèi)的樣品上，通過壓力傳感器測(cè)量氣體壓力，從而及時(shí)進(jìn)行壓力調(diào)整，記錄進(jìn)出氣口的壓力和流量參數(shù)，同時(shí)觀察溫壓傳感器，獲得壓力擴(kuò)展前鋒數(shù)據(jù)，從而根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算滲透率；

停止圍壓加載，使所述樣品隔熱，然后開啟加熱器，控制加熱溫度高于所述樣品溫度且低于0℃，保證所述樣品中的冰不受擾動(dòng)，記錄所述溫度傳感器的溫度，同時(shí)觀測(cè)溫壓傳感器，獲得溫度擴(kuò)展前鋒數(shù)據(jù)，從而根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律計(jì)算熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明提供一種凍土樣品的制備和測(cè)量裝置，包括凍土樣品制備單元、滲透參數(shù)測(cè)量單元、熱學(xué)參數(shù)測(cè)量單元及電源，凍土樣品制備單元包括樣品筒11、壓力室10及控溫室2，樣品7用于放置于樣品筒11內(nèi)，樣品筒11位于壓力室10內(nèi)的中間處，壓力室10設(shè)置于控溫室2內(nèi)，樣品筒11和壓力室10之間構(gòu)成圍壓加載腔，圍壓加載腔與恒速恒壓泵連接；滲透參數(shù)測(cè)量單元包括進(jìn)氣口3、出氣口9、氣體流量計(jì)5及壓力傳感器4，進(jìn)氣口3、出氣口9分別與壓力室10的進(jìn)口、出口連通，進(jìn)氣口3和出氣口9處均設(shè)置有氣體流量計(jì)5和壓力傳感器4；熱學(xué)參數(shù)測(cè)量單元包括加熱器12、溫度傳感器8及溫壓傳感器6，加熱器12和溫度傳感器8分別設(shè)置于樣品筒11內(nèi)的前端和末端，溫壓傳感器6沿樣品7的長(zhǎng)度分布；控溫室2的內(nèi)側(cè)壁上均布有多個(gè)帕爾貼1，氣體流量計(jì)5、壓力傳感器4、加熱器12、控溫器、溫度傳感器8、溫壓傳感器6、恒速恒壓泵及帕爾貼1均與電源連接。

其中，壓力室10可承受最大壓力為20MPa，作為凍土樣品7合成的空間，可制備最大凍土樣品7的長(zhǎng)度為100cm、直徑4cm，并可根據(jù)需要調(diào)整樣品7的長(zhǎng)度?？販厥?為凍土樣品的制備和測(cè)量裝置的外圍，設(shè)置于控溫室2內(nèi)側(cè)壁上的帕爾貼1即為半導(dǎo)體制冷片，由于制冷速度快，且可制冷的溫度較低，能夠?qū)崿F(xiàn)極寒地區(qū)凍土樣品的制備，提高實(shí)驗(yàn)裝置的適用范圍

圍壓加載腔內(nèi)用于盛放防凍液體。

樣品筒11采用具有隔熱效果的橡膠材料，用于隔離圍壓加載腔中的防凍液體與樣品7，且有效加載圍壓。

溫度傳感器8在樣品的端部截面呈環(huán)狀分布，加熱器12是環(huán)狀繞絲；溫度傳感器8在樣品7端部截面環(huán)狀分布，用以檢測(cè)截面溫度分布的不均勻性，加熱器12采用環(huán)狀繞絲形式，保證樣品7截面的溫度相等。

本發(fā)明還提供一種凍土樣品的制備和測(cè)量方法，針對(duì)上述的凍土樣品的制備和測(cè)量裝置，包括以下步驟：

(1)制備樣品

將樣品7沿樣品筒11內(nèi)側(cè)壁放置，并布置加熱器12和溫度傳感器8，在圍壓加載腔內(nèi)注入防凍液體，打開電源，利用恒速恒壓泵加載圍壓，并通過控溫室2內(nèi)側(cè)壁上的帕爾貼1對(duì)樣品進(jìn)行降溫，持續(xù)工作1-2天，并記錄溫度數(shù)據(jù)；

(2)測(cè)量滲透參數(shù)

將與步驟(1)中溫度相等的冷凍氣體以指定壓力從進(jìn)氣口3注入樣品筒11內(nèi)的樣品7上，該指定壓力小于等于圍壓；通過壓力傳感器4測(cè)量氣體壓力，從而及時(shí)進(jìn)行壓力調(diào)整，記錄進(jìn)出氣口9的壓力和流量參數(shù)，同時(shí)觀察溫壓傳感器6，獲得壓力擴(kuò)展前鋒數(shù)據(jù)，從而根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算滲透率；

(3)測(cè)量熱學(xué)參數(shù)

停止圍壓加載并抽空圍壓加載腔內(nèi)的防凍液體，使樣品7隔熱，然后開啟加熱器12，控制加熱溫度高于樣品7溫度且低于0℃，保證樣品7中的冰不受擾動(dòng)，記錄溫度傳感器8的溫度，同時(shí)觀測(cè)溫壓傳感器6，獲得溫度擴(kuò)展前鋒數(shù)據(jù)，從而根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律計(jì)算熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。