一种高频感应加热的温控三轴仪

本发明涉及的是岩土工程，具体涉及一种高频感应加热的温控三轴仪。

背景技术：

1、三轴仪是进行三轴实验的仪器，三轴实验是岩土工程领域的专业实验，三轴实验为对土体等试样的空间三个坐标方向上施加压力，实验时先通过压力室内的水，使试样在三个轴向受到相同的周围压力，其大小由压力计测定，并维持整个试验过程不变。然后通过活塞向试样施加垂直轴向压力，直到试样剪坏。

2、现有的温控三轴仪有几种加热方式，其中一种是利用外置水浴将水加热，然后将水不断循环，用循环水包裹三轴仪压力室使得压力室内部土样温度达到要求，该方案存在以下几个问题：①温度上限不足100℃，无法模拟温度高达300℃以上的地热热储或干热岩的环境；②水循环有热量损失，会导致试样温度比水浴温度低；③水浴笨重、体积大。

3、另一种采用压力室内部或外部缠绕铜管、电阻丝或加热片加热，该方案存在以下几个问题：①在压力室外部缠绕加热器件需将热量穿过压力室本身，传热效率低，且热源在外部，存在烫伤风险；②在压力室内部缠绕的加热器件难以承受压力室内部过高的压力，且需增大压力室的尺寸。

4、相较于传统的热传导的加热方式，高频感应则是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流(涡流损耗)、以及导体内磁场的作用磁滞损耗引起导体自身发热而进行加热的，高频感应加热常被应用于金属淬火等工艺，目前尚未将高频感应加热手段应用在岩土工程中的温控三轴仪上。

5、综上，为了解决温度上限低、水循环有热量损失导致试样温度比水浴温度低、外置的高温水有烫伤风险的缺陷，以及外置热源时传热效率低、内置热源时难以承压、加热慢等问题，开发一种利用高频感应加热的温控三轴仪尤为必要。

技术实现思路

1、针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种高频感应加热的温控三轴仪，结构简单，设计合理，通过高频感应的方式进行加热，温度上限高、升温速度快，设备小巧轻便、且成本低，易于推广使用。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种高频感应加热的温控三轴仪，包括加载架、自发热压力室、压力室顶盖、压力室底座、电机、活塞杆、荷载传感器、温度传感器、高频温控箱、排气阀、孔压金属管、围压金属管和反压金属管，加载架由顶部横梁、左右两根立柱和底板组成，加载架的底板上安装有自发热压力室，自发热压力室与压力室顶盖及压力室底座组成一个封闭的压力室空间，所述的自发热压力室由多层材料组成，由内层至外层依次为电镀铁管、气凝胶、铜线圈、铁氟龙胶带、亚克力管；所述的加载架的顶部横梁固定有电机，电机通过活塞杆与荷载传感器连接，活塞杆穿过压力室顶盖伸出自发热压力室中；所述的压力室顶盖上安装有温度传感器，温度传感器与外部的高频温控箱连接，压力室顶盖上还设置有排气阀，所述的压力室底座中嵌入式安装有孔压金属管、围压金属管和反压金属管，孔压金属管、围压金属管、反压金属管的端部与自发热压力室相通。

3、作为优选，所述的自发热压力室通过压力室顶盖和压力室底座连接的两个螺丝杆及两个橡胶圈密封，形成封闭的压力室空间，其中压力室顶盖的顶部附有一层气凝胶，能够起到保温效果，该压力室顶盖采用不锈钢顶盖。

4、作为优选，所述的气凝胶的外侧刻有螺旋线形状的安装槽，铜线圈以螺旋线的形状缠绕在该安装槽中，所述的气凝胶为隔热层。

5、作为优选，所述的高频温控箱包括由总电源开关、温控器、启动开关和高频加热电源，总电源开关安装在v交流电源电路中，高频加热电源通过启动开关与温控器连接，温控器与温度传感器连接，通过该高频温控箱实现温度控制功能。

6、作为优选，所述的自发热压力室内部用于放置试样，试样为被测试对象，岩样、土样或砂样均可，自发热压力室中填充有传热介质，该传热介质根据实验要求进行选择：当控制温度在100℃以下时，选择水作为传热介质；当控制温度在100℃-300℃时，选择导热油或硅油作为传热介质；当控制温度在300℃以上时，选择空气作为传热介质。

7、作为优选，所述的孔压金属管和围压金属管及反压金属管连接外置压力源，通过孔压金属管测量孔压，通过围压金属管对自发热压力室中的试样施加三向围压，通过反压金属管施加反压饱和试样。

8、本发明的有益效果：本装置通过高频感应的方式进行加热，大大提高加热速度，温度上限高、升温速度快，设备小巧轻便、隔热功能优，成本低，可靠性高，应用前景广阔。

技术特征：

1.一种高频感应加热的温控三轴仪，其特征在于，包括加载架(1)、自发热压力室(2)、压力室顶盖(3)、压力室底座(4)、电机(5)、活塞杆(6)、荷载传感器(7)、温度传感器(8)、高频温控箱(9)、排气阀(10)、孔压金属管(11)、围压金属管(12)和反压金属管(13)，加载架(1)由顶部横梁、左右两根立柱和底板组成，加载架(1)的底板上安装有自发热压力室(2)，自发热压力室(2)与压力室顶盖(3)及压力室底座(4)组成一个封闭的压力室空间，所述的自发热压力室(2)由多层材料组成，由内层至外层依次为电镀铁管(301)、气凝胶(302)、铜线圈(303)、铁氟龙胶带(304)、亚克力管(305)；所述的加载架(1)的顶部横梁固定有电机(5)，电机(5)通过活塞杆(6)与荷载传感器(7)连接，活塞杆(6)穿过压力室顶盖(3)伸出自发热压力室(2)中；所述的压力室顶盖(3)上安装有温度传感器(8)，温度传感器(8)与外部的高频温控箱(9)连接，压力室顶盖(3)上还设置有排气阀(10)，所述的压力室底座(4)中嵌入式安装有孔压金属管(11)、围压金属管(12)和反压金属管(13)，孔压金属管(11)、围压金属管(12)、反压金属管(13)的端部与自发热压力室(2)相通。

2.根据权利要求1所述的一种高频感应加热的温控三轴仪，其特征在于，所述的自发热压力室(2)通过压力室顶盖(3)和压力室底座(4)连接的两个螺丝杆及两个橡胶圈密封，形成封闭的压力室空间，其中压力室顶盖(3)的顶部附有一层气凝胶，该压力室顶盖(3)采用不锈钢顶盖。

3.根据权利要求1所述的一种高频感应加热的温控三轴仪，其特征在于，所述的气凝胶(302)的外侧刻有螺旋线形状的安装槽，铜线圈(303)以螺旋线的形状缠绕在该安装槽中，所述的气凝胶(302)为隔热层。

4.根据权利要求1所述的一种高频感应加热的温控三轴仪，其特征在于，所述的高频温控箱(9)包括由总电源开关(901)、温控器(902)、启动开关(903)和高频加热电源(904)，总电源开关(901)安装在220v交流电源电路中，高频加热电源(904)通过启动开关(903)与温控器(902)连接，温控器(902)与温度传感器(8)连接。

5.根据权利要求1所述的一种高频感应加热的温控三轴仪，其特征在于，所述的自发热压力室(2)内部用于放置试样(14)，自发热压力室(2)中填充有传热介质(15)，所述的传热介质(15)根据实验要求进行选择：当控制温度在100℃以下时，选择水作为传热介质；当控制温度在100℃-300℃时，选择导热油或硅油作为传热介质；当控制温度在300℃以上时，选择空气作为传热介质。

6.根据权利要求1所述的一种高频感应加热的温控三轴仪，其特征在于，所述的孔压金属管(11)和围压金属管(12)及反压金属管(13)连接外置压力源，通过孔压金属管(11)测量孔压，通过围压金属管(12)对自发热压力室(2)中的试样(14)施加三向围压，通过反压金属管(13)施加反压饱和试样。

技术总结
本发明公开了一种高频感应加热的温控三轴仪，它涉及岩土工程技术领域。加载架上安装有自发热压力室，自发热压力室与压力室顶盖及压力室底座组成封闭的压力室空间，自发热压力室由内至外层依次为电镀铁管、气凝胶、铜线圈、铁氟龙胶带、亚克力管；加载架顶部固定有电机，电机通过活塞杆与荷载传感器连接，活塞杆穿过压力室顶盖伸出自发热压力室中；压力室顶盖上安装有温度传感器、排气阀，温度传感器与外部的高频温控箱连接，压力室底座中嵌入式安装有孔压金属管、围压金属管和反压金属管，各金属管端部与自发热压力室相通。本发明通过高频感应的方式进行加热，温度上限高、升温速度快，设备小巧轻便，成本低，可靠性高，应用前景广阔。

技术研发人员：程鹏,李锦辉,唐子惠,梁涌华
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/8/1