一种测量冻土区热物性参数的装置

1.本实用新型涉及冻土检测领域技术，具体涉及一种测量冻土区热物性参数的装置。


背景技术：

2.在科学研究或者施工建设过程中，为了解冻土的热物理性质和土体冻胀特性，常常需要测量冻土的热物性参数。目前测量冻土的热物性参数一般都是在实验室进行测量。实验室测量冻土的热物参数可以得到很精确的结果。但是绝大多数的测量并不是使用的原状冻土，一般都是将普通土壤置于0℃以下的环境中，模拟原状冻土；或是利用钻探法采样后，运回实验室，模拟环境，进行测量。这两种方法测量出的热物性参数值与实际参数值都存在比较大的误差。
3.实用新型专利《一种采用双探针法的土壤热物性参数测量装置》(申请号：201320797358.2)采用的是双探针法。相对于单探针法，双探针略显繁杂，测量时间更长，灵敏度不如单热针法，且该新型实用专利没有考虑到冻土区域的特殊环境因素的影响。
4.大多数冻土区年平均气温在0℃以下，普通蓄电池难以在低温下正常工作，为作业提供持续稳定能源供应。冻土层的硬度不一，许多冻土硬度比普通土壤高出很多，普通探针难以插拔于冻土层之中，导致热物性参数测量结果存在比较大的误差，且大多数测量仪器只能一次测量一个测量点的热物性参数，无法提高作业效率。


技术实现要素：

5.为解决上述背景技术提出的问题，本实用新型提供了一种测量冻土区热物性参数的装置，弥补了背景技术中测量冻土区温度、热扩散率、导热系数、热容等热物性参数的不足之处，并在此基础上提出了同时测量不同测量点的热物性参数，提高了作业效率，为研究和开发冻土区提供了技术支持。
6.本实用新型提供如下技术方案：
7.一种测量冻土区热物性参数的装置，包括：热探针a、热探针b、集线器、冻土钻头和装置控制器。
8.优选的，所述热探针a和热探针b为相同规格的热探针，另可根据实际测量需求增加或减少该规格热探针的数量，并配套与其相匹配的集线器。
9.以热探针a为对象进行热探针构造描述，包括热探针本体、热探针手柄和热探针绞合线。
10.优选的，所述热探针本体包括：硬质合金顶尖、不锈钢套管、外包绝缘陶瓷的镍铬合金丝、两个对称分布的t型热电偶、干燥绝缘细砂、数据线和a导线。
11.优选的，所述硬质合金顶尖，为实心圆锥结构，通过无缝焊接方式使其稳定固定在热探针本体最下端，保证热探针能快速插拔于冻土之中。
12.优选的，所述不锈钢套管的长度l与直径d之比大于40，外壳最小尺寸直径d为5mm，
长度最小l为200mm。
13.优选的，所述两个对称分布的t型热电偶，在低温环境测量时稳定性强，精度高，测量范围为-200～+350℃，并以倾斜45
°
的形式对称焊入不锈钢套管内壳，提高测量精度。
14.优选的，所述外包绝缘陶瓷的镍铬合金丝的直径可根据冻土大致温度选用1mm或者2mm，若冻土温度为0℃以上镍铬合金丝直径采用1mm，0℃以下镍铬合金丝直径采用2mm，在镍铬合金丝外包上一层绝缘陶瓷保证其与内部其他部位绝缘，提高镍铬合金丝耐氧化能力，增加热探针的使用寿命。
15.优选的，所述干燥绝缘细砂，均匀紧实地填充在热探针内部缝隙之中，保证热探针内部器件相互绝缘且不影响器件导热。
16.优选的，所述数据线能将两个对称分布的t型热电偶所采集的电信号传递给集线器。
17.优选的，所述a导线能将装置控制器中电源系统的电流传递给外包绝缘陶瓷镍的铬合金丝，保证外包绝缘陶瓷的镍铬合金丝持续稳定的输出热量。
18.优选的，所述热探针绞合线，为数据线和a导线绞合缠绕，外包绝缘电缆外皮，并可以连接在集线器上。
19.优选的，所述集线器包括：热探针a绞合线接线孔、热探针b绞合线接线孔、热探针a控制开关、热探针b控制开关和混合线，热探针a控制开关、热探针b控制开关分别对应控制热探针a、热探针b的工作状态，混合线能集中连接在集线器上所有热探针绞合线传递的电信号，并传递装置控制器的数据系统。
20.优选的，所述热探针a绞合线接线孔、热探针b绞合线接线孔是相同规格的接线孔，每个热探针绞合线接线孔只能与一根热探针通过热探针绞合线相连。可根据实际情况设计含更多热探针绞合线接线孔及其对应的热探针控制开关的集线器，提高作业效率，但每个集线器最多限六个热探针绞合线接线孔及其对应的热探针控制开关。
21.优选的，所述冻土钻头包括：agsr型冻土层螺旋钻头、冻土钻头手柄、b导线；agsr型冻土层螺旋钻头直径等于热探针直径，冻土钻头手柄内含微型电动机，b导线能将装置控制器中电源系统的电流传递给冻土钻头手柄中的微型电动机，驱动agsr型冻土层螺旋钻头转动，进行凿孔工作，从而便于热探针插拔于冻土层中。
22.优选的，所述装置控制器包括：数值显示屏幕、冻土热物性参数种类选择旋钮、电流值调节旋钮、热探针工作总控制按钮、冻土钻头工作控制按钮、数据系统和电源系统。
23.优选的，所述数值显示屏幕，能根据要求分别显示热探针a、热探针b等热探针所测量得到的温度、导热系数、热扩散率、热容，并能显示不同热探针测量的同一类热物性参数的平均值，提高测量精度，实现数据可视化。
24.优选的，所述冻土热物性参数种类选择旋钮，以数值显示屏幕为正上方，其上下左右分别标注温度、导热系数、热扩散率、热容，通过旋转电流值调节旋钮能改变电源系统的输出电流值。
25.优选的，所述热探针工作总控制按钮为控制热探针工作状态总开关，只有在其打开的情况下打开集线器上热探针控制开关，热探针才能工作。
26.优选的，所述数据系统和电源系统嵌入装置控制器内部。
27.优选的，所述电源系统采用能在低温环境持续稳定工作的36v磷酸铁锂电池作为
电源，保障能量供应。
28.优选的，所述电流值调节旋钮，其外周一圈为电流值刻度盘，范围为0～5a,通过旋转电流值调节旋钮能改变装置的工作电流，保证测量过程中电流值大小的选择。
29.优选的，所述数据系统能处理混合线传递来的电信号，实现数据可视化。
30.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
31.本实用新型包括热探针a、热探针b、集线器、冻土钻头和装置控制器，集成度高，便于携带；通过36v磷酸铁锂电池作为电源系统，能在低温环境下为装置正常工作提供持续稳定的电流；通过装置控制器上电流值调节旋钮调节电源系统输出电流的大小，满足不同冻土环境下工作电流的选择需求；电源系统的电流通过b导线能传递给冻土钻头手柄中的微型电动机，驱动agsr型冻土层螺旋钻头转动，进行凿孔工作，便于热探针插拔于冻土层中；集线器上能同时连接多个热探针，从而能同时测量不同测量点的热物性参数，提高作业效率。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
33.图1为本实用新型以机构划分的整体结构示意图。
34.图2位本实用新型以部件划分的整体结构示意图。
35.图3为本实用新型的集线器结构示意图。
36.图4为本实用新型的热探针a结构示意图。
37.元件标号说明：10-热探针a、20-热探针b、30-集线器、40-装置控制器、50-冻土钻头、11-热探针a本体、12-热探针a手柄、13-热探针a绞合线、21-热探针b本体、22-热探针b手柄、23-热探针b绞合线、31-热探针a控制开关、32-热探针b控制开关、33-热探针a绞合线接线孔、34-热探针b绞合线接线孔、35-混合线、41-热探针工作总控制按钮、42-冻土钻头工作控制按钮、43-电流值调节旋钮、44-冻土热物性参数种类选择旋钮、45-数值显示屏幕、51-agsr型冻土层螺旋钻头、52-冻土钻头手柄、53-b导线、111-外包绝缘陶瓷的镍铬合金丝、112-两个对称分布的t型热电偶、113-干燥绝缘细砂、114-不锈钢套管、115-数据线、116-a导线。
具体实施方式
38.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护范围。
39.请参阅图1，本实用新型提供一种测量冻土区热物性参数的装置，包括热探针a10、热探针b20、集线器30、冻土钻头50和装置控制器40。
40.请参阅图2，热探针a10包括：热探针a本体11、热探针a手柄12和热探针a绞合线13。
热探针b20包括：热探针b本体21、热探针b手柄22和热探针b绞合线23。集线器30包括：热探针a10绞合线接线孔33、热探针b20绞合线接线孔34、热探针a10控制开关31、热探针b20控制开关32和混合线35。冻土钻头50包括：agsr型冻土层螺旋钻头51、冻土钻头手柄52、b导线53。
41.请参阅图4，热探针a10和热探针b20是相同规格的热探针，为方便叙述，以热探针a10为对象进行叙述。热探针a本体11包括：硬质合金顶尖110、不锈钢套管114、外包绝缘陶瓷的镍铬合金丝111、两个对称分布的t型热电偶112、干燥绝缘细砂113、数据线115和a导线116。热探针a绞合线13包括：数据线115和a导线116，热探针a绞合线13外包绝缘电缆外皮。
42.本实施例中，不锈钢套管114的长度l与直径d之比大于40，外壳最小尺寸直径d为5mm，长度最小l为200mm。硬质合金顶尖110为实心圆锥结构，通过无缝焊接方式使其稳定固定在热探针a本体11最下端。两个对称分布的t型热电偶112以倾斜45
°
方式焊入不锈钢套管内壳，焊入位置为不锈钢套管114的下端内壁，距离硬质合金顶尖110最上端10mm。外包绝缘陶瓷的镍铬合金丝111位于热探针a本体11中心，其中心在两个对称分布的t型热电偶112中心连线下方，相距5mm。外包绝缘陶瓷的镍铬合金丝111直径可根据冻土大致温度选用1mm或者2mm，若冻土温度为0℃以上镍铬合金丝直径采用1mm，0℃以下镍铬合金丝直径采用2mm，外包绝缘陶能保证其与内部其他部位绝缘，提高镍铬合金丝耐氧化能力。
43.本实施例中，选用两个相同规格的热探针a10，热探针b20，但不仅限于选用两根热探针，可根据实际情况选用该规格热探针数目，并配以配套的集线器30。
44.请参阅图2、图3，将装置控制器40上的热探针工作总控制按钮41、冻土钻头工作控制按钮42、热探针a控制开关31和热探针b控制开关32关闭，将热探针a10、热探针b20分别连接在热探针a10绞合线接线孔33、热探针b20绞合线接线孔34上、集线器30通过混合线35连接在热探针工作总控制按钮41下方对应的接线孔中，冻土钻头50部分通过b导线53连接在冻土钻头工作控制按钮42下方对应的接线孔中。将agsr型冻土层螺旋钻头51放入待测冻土表层，打开冻土钻头工作控制按钮42，调节电流值调节旋钮43，改变agsr型冻土层螺旋钻头51的转速，使agsr型冻土层螺旋钻头51能深入冻土层，按照此方法钻取两个相同规格的细孔，关闭冻土钻头工作控制按钮42，从冻土中拔出agsr型冻土层螺旋钻头51。等待五分钟，待上述钻取的细孔内温度与周围冻土温度相差无几，分别将热探针a10，热探针b20，插入上述钻取的细孔中，打开热探针工作总控制按钮41、热探针a控制开关31、热探针b控制开关32，再次调节电流值调节旋钮43，使热探针正常工作，调节冻土热物性参数种类选择旋钮44选择测量冻土热物性参数类型，静置十五分钟之后，读取数值显示屏幕45上显示的对应热物性参数的数值。
45.尽管以上内容对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本领域的技术人员理解本实用新型。但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求和本实用新型确定的精神和范围内，这些变化是显而易见的，均在本实用新型保护之列。