CN103604840A

CN103604840A - 在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置

Info

Publication number: CN103604840A
Application number: CN201310497415.XA
Authority: CN
Inventors: 陈仁朋; 王瀚霖; 陈云敏; 孔令刚; 冯建波
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明公开了一种在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置。该装置为六面体的模型箱，在模型箱的两侧面及后面的钢板上布置有多排和多列的相同的传感器，所有传感器的聚甲醛段底部均与钢板内壁齐平，模型箱内填埋被测土体；每个传感器分别通过各自BNC接头经各自同轴电缆与电磁波接发器相连，电磁波接发器与PC机相连，模型箱的前面为有机玻璃板。将该装置装入离心机，运转离心机，通过测试土体介电常数来确定土体含水量，通过测试土体电导率来确定土体离子污染物浓度。本发明能够实现离心机中缩尺土体模型含水量和离子污染物浓度的测试，不受土体高电导率和离心机缩尺效应影响，测试安全、方便、快速、准确，并能够实时自动测试。

Description

在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置

技术领域

本发明涉及利用电磁波反射的测试装置，尤其是一种在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置。

背景技术

美国ASTM标准D-6780利用TDR（电磁波时域反射法）提出通过测试土体介电常数来计算土体含水量的方法；Archie公式提出土体电导率与土中孔隙水电导率关系，通过测试土体电导率可得到土中孔隙水电导率，从而实现离子污染物浓度测试。在超重力模拟环境下，模型尺寸小、污染物梯度大，传统的TDR传感器尺寸较大，测试过程中会对模型箱中模型产生较大的扰动，不适合运用于离心机中。对于污染土，电导率普遍很高，高频电磁波耗散快，导致波导末端反射点识别困难，传统的TDR测试方法无法获得介电常数。

发明内容

土体的含水量和离子污染物浓度是两个很重要的物理参数，本发明的目的在于提供一种在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置，实现超重力离心模型实验的土体含水量和离子污染物浓度测试。

本发明采用的技术方案如下：

该装置为六面体的模型箱，在模型箱的两侧面及后面的钢板上布置有多排和多列的相同的传感器，所有传感器的聚甲醛段底部均与钢板内壁齐平，模型箱内填埋被测土体；每个传感器分别通过各自BNC接头经各自同轴电缆与电磁波接发器相连，电磁波接发器与PC机相连，模型箱的前面为有机玻璃板。

所述的相同的传感器，均包括不锈钢的同轴测头、聚甲醛段和三根相同直径不锈钢探针；同轴测头下端中心开有大通孔，上端中心开有小通孔，小通孔与大通孔连通，小通孔内部装有BNC接头，同轴测头下端开有与中心轴线平行且对称分布的螺孔；聚甲醛段的凸出部分嵌入同轴测头下端大通孔中，聚甲醛段与同轴测头外径相同，聚甲醛段中心开有通孔，聚甲醛段两侧均开有与同轴测头螺孔相对应的通孔，第一根不锈钢探针穿入聚甲醛段中心通孔固定，用导线与BNC接头相连，第二根不锈钢探针和第三根不锈钢探针分别穿入聚甲醛段两侧通孔后固定在同轴测头下端的螺孔中，三根不锈钢探针下端露出聚甲醛段的长度均相等。

本发明具有的有益效果是：

本发明能够实现离心机中缩尺土体模型含水量和离子污染物浓度的联合测试，不受土体高电导率和离心机缩尺效应影响，测试安全、方便、快速、准确，并能够实时自动测试。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的右视图。

图4是本发明传感器的结构主视图。

图5是图4的B-B剖视图。

图6是介电常数测试波形图。

图7是电导率测试波形图。

图中：1、模型箱，2、钢板，3、有机玻璃板，4、PC机，5、电磁波接发器，6、同轴电缆，7、BNC接头，8、传感器，9、同轴测头，10、聚甲醛段，11、不锈钢探针。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1、图2、图3所示，本发明的装置为六面体的模型箱1，在模型箱1的两侧面及后面的钢板2上布置有多排和多列的相同的传感器8，所有传感器8的聚甲醛段10底部均与钢板内壁齐平，模型箱1内填埋被测土体；每个传感器8分别通过各自BNC接头7经各自同轴电缆6与电磁波接发器5相连，电磁波接发器5与PC机4相连，模型箱1的前面为有机玻璃板3。

如图4、图5所示，所述的相同的传感器8，均包括不锈钢的同轴测头9、聚甲醛段10和三根相同直径不锈钢探针11；同轴测头9下端中心开有大通孔，上端中心开有小通孔，小通孔与大通孔连通，小通孔内部装有BNC接头7，同轴测头9下端开有与中心轴线平行且对称分布的螺孔；聚甲醛段10的凸出部分嵌入同轴测头9下端大通孔中，聚甲醛段10与同轴测头9外径相同，聚甲醛段10中心开有通孔，聚甲醛段10两侧均开有与同轴测头9螺孔相对应的通孔，第一根不锈钢探针11.1针穿入聚甲醛段10中心通孔螺纹固定，用导线与BNC接头7相连，第二根不锈钢探针11.2和第三根不锈钢探针11.3分别穿入聚甲醛段10两侧通孔后固定在同轴测头9下端的螺孔中，三根不锈钢探针11下端露出聚甲醛段10的长度均相等。

所述的同轴测头9***尺寸为36mm×15mm×25mm，大孔尺寸12mm×10mm×20mm，两端螺孔布置在距中心轴线10mm间距处。

所述的聚甲醛段10露在同轴测头9下端尺寸为36mm×15mm×80mm，中间凸出部分尺寸为12mm×10mm×20mm，与同轴测头9大孔匹配。

所述的不锈钢探针11直径2mm，第一根不锈钢探针11.1总长115mm，第二根不锈钢探针11.2和第三根不锈钢探针11.3总长105mm，三根不锈钢探针11下端露出聚甲醛段10部分长度均为20mm。

所述的电磁波接发器5为美国Campbell Scientific公司的产品TDR100。

所述的同轴电缆6为型号RG58A/U的同轴电缆。

数据采集采用Campbell Scientific公司的PCTDR软件。

本发明的工作过程如下：

将传感器安装在离心机模型箱上，安装时保证传感器聚甲醛段底部与模型箱钢板内壁相平齐，接上同轴电缆、电磁波接发器和PC机。将该装置装入离心机，运转离心机，打开PC机，运行PCTDR软件，设置测试起始点和测试长度，采集波形，典型测试波形如图6所示，A点为TDR波形中表面反射的起始反射点，B点为TDR波形中表面反射的终止反射点。

利用波形图中A、B点反射系数ρ_tII、ρ_tIII，可计算土体介电常数：

其中k为与传感器几何形状与尺寸有关的参数，与土体无关，对于本发明，理论上取1。ψ为与传感器有关的参数，通过标定实验获得：利用已知介电常数的溶液，按照本文所述方法测试TDR波形，得到表面反射系数的差值Δρ，利用公式

求得。然后，可利用ASTM D-6780所述方法得到含水量。

调整测试起始点和测试长度，典型测试波形如图7所示。利用波形图中测试波形稳定处的相对电压值V_f和测试波形起始处电压值V_s，可求得土体电导率

其中C为与传感器有关的参数，通过标定实验获得：利用已知电导率的溶液，按照本文所述方法测试TDR波形，得到V_f、V_s，利用函数y＝kx对

线性拟合，得到斜率k，即为标定参数C。然后，可利用Archie公式求出孔隙水电导率，确定土体离子污染物浓度。

Claims

1.一种在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置，其特征在于：该装置为六面体的模型箱（1），在模型箱（1）的两侧面及后面的钢板（2）上布置有多排和多列的相同的传感器（8），所有传感器（8）的聚甲醛段（10）底部均与钢板内壁齐平，模型箱（1）内填埋被测土体；每个传感器（8）分别通过各自BNC接头（7）经各自同轴电缆（6）与电磁波接发器（5）相连，电磁波接发器（5）与PC机（4）相连，模型箱（1）的前面为有机玻璃板（3）。

2.根据权利要求1所述的一种在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置，其特征在于：所述的相同的传感器（8），均包括不锈钢的同轴测头（9）、聚甲醛段（10）和三根相同直径不锈钢探针（11）；同轴测头（9）下端中心开有大通孔，上端中心开有小通孔，小通孔与大通孔连通，小通孔内部装有BNC接头（7），同轴测头（9）下端开有与中心轴线平行且对称分布的螺孔；聚甲醛段（10）的凸出部分嵌入同轴测头（9）下端大通孔中，聚甲醛段（10）与同轴测头（9）外径相同，聚甲醛段（10）中心开有通孔，聚甲醛段（10）两侧均开有与同轴测头（9）螺孔相对应的通孔，第一根不锈钢探针（11.1）穿入聚甲醛段（10）中心通孔固定，用导线与BNC接头（7）相连，第二根钢针（11.2）和第三根不锈钢探针（11.3）分别穿入聚甲醛段（10）两侧通孔后固定在同轴测头（9）下端的螺孔中，三根不锈钢探针（11）下端露出聚甲醛段（10）的长度均相等。

3.根据权利要求1所述的一种在离心机中测量土体含水量和离子污染物浓度的装置，其特征在于：所述的电磁波接发器（5）为美国Campbell Scientific公司的产品TDR100。