АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ И МИГРАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01N15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Заявляемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике, обеспечивающей возможность проведения испытаний различных по составу образцов слабопроницаемых горных пород и строительных материалов, в том числе, для оценки их проницаемости. Изобретение может быть использовано в области гидротехнического строительства для лабораторных исследований миграции влаги в порах и трещинах различных материалов, таких как бетоны и грунты с различным содержанием глинистой фракции.

Уровень техники

Из уровня техники известны различные конструкции расходомеров малых и сверхмалых потоков (например, https://iteu.com.ua/obzor-rashodomerov/). Все они характеризуются различными принципами действия и, соответственно, разными областями применения.

Известен автоматизированный фильтрационный комплекс, предназначенный для проведения фильтрационных испытаний образцов дисперсных грунтов с целью определения коэффициента фильтрации в соответствии с ASTM D5887-16 и D5084-16 (https://npp-geotek.com/catalog/standart/pribor-filtratsionnyy-avtomatizirovannyy-gt-1-3-8/?ysclid=lo5gauurmp890008624). Комплекс включает раму с сосудом, предназначенную для размещения камеры с образцом испытываемого грунта, заполнения камеры и панели с бюретками рабочей жидкостью, создания и передачи избыточного давления на испытываемый образец грунта, находящийся в камере, а также в панель с бюретками. фильтрационную камеру, представляющую собой камеру трехосного сжатия типа А без возможности приложения девиаторной нагрузки; датчик перемещений и панель с бюретками, предназначенную для измерения объема жидкости профильтрованной через образец грунта, путем визуального контроля изменения ее уровня в бюретках панели.

Известный комплекс технически сложен в изготовлении компонентов расходомера, расположенного на входе в образец, а также использованием металлических деталей (в трубках, фитингах и колбе с жидкостью), которые могут вступать в химический контакт с испытуемым пористым образцом и жидкостью, особенно при длительном испытании и, тем самым, вносить определенные погрешности в результаты испытаний.

Из патента РФ № 2562936 известен проточный расходомер роторного типа, состоящий из корпуса с внутренней полостью и имеющимися внутри корпуса на поверхности полости выступами, с входным и выходным отверстиями, с расположенным внутри его полости вращающимся чувствительным элементом, при этом вращающийся чувствительный элемент является телом вращения с гладкой поверхностью с осью, проходящей через опоры элемента, а вращение этого элемента производится за счет сил вязкого трения движущейся в ламинарном режиме измеряемой жидкости о поверхность элемента.

Основной недостаток данного устройства заключается в высоких требованиях к точности изготовления его деталей, для обеспечения требуемых зазоров подвижной конструкции, что усложняет технологию изготовления известного устройства. Указанное устройство эффективно, преимущественно, для вязких жидкостей и ограниченно применимо для оценки проницаемости горных пород.

В публикации https://darkont.ru/articles/izmerenie-malyh-i-sverhmalyh-potokov/ раскрыта конструкция микрорасходомеров FMTD для сверхмалых и малых расходов жидкостей с малой вязкостью, при этом измерение расхода в известном устройстве осуществляют в результате двойного орбитального движения колебательного механизма, который обкатывается вокруг торца стержня балансира.

Устройства данного типа характеризуются высокими значениями диапазона мгновенных расходов (1250–250 мл/мин), что затрудняет их применение при необходимости оценки сверхмалых расходов, а также наличием высокоточных деталей в конструкции расходомера и технологичных электронных измерительных компонентов, что усложняет технологию изготовления микрорасходомера.

Известны также цифровые датчики потока компании Sensirion (http://www.sensorica.ru/d3-2b.shtml), которые измеряют минимальные уровни объема жидкости, менее 100 мл/мин. Датчики определяют объем проходящей жидкости через стенку трубки посредством конвертации измеренного тепла потока, проходящего через кварцевую измерительную трубку. На микрочипе сверху капиллярной трубки на термомембране расположен терморезистор с температурой выше окружающей. При наличии жидкости внутри капиллярной трубки изменяется температура на входе и выходе трубки. Данные параметры фиксируются двумя температурными датчиками. Конструкция датчика состоит из интегрированных на одном кристалле измерительного элемента, схемы усиления сигнала, AC/DC преобразователя и съемы цифровой обработки сигналов. Таким образом, достигается высокое разрешение, малое время отклика и широкий диапазон измерений при малой мощности потребления. Датчики предназначены для малостройных систем, таких, как точные измерения объема жидкости в жидкостной хроматографии, системы целевой доставки лекарств к тканям, микропроцессорные лабораторные системы, микробиологические разработки и системы проверки качества.

Недостатком данного устройства является технологическая сложность его изготовления и настройки.

Описанные выше конструкции неприменимы или сложно применимы для оценки водопроницаемости грунтов или бетонных конструкций. Фильтрация воды в грунтах представляет собой сложный процесс. Действительно, поры в разнозернистом грунте образуют извилистые каналы переменного сечения, соединяющиеся между собой в различных направлениях. Следовательно, и траектории движения воды в этих каналах будут крайне сложными. В пылевато-глинистых грунтах пленки связанной воды, окружающие глинистые частицы и связанные с ними силами электростатического притяжения, могут образовывать пробки, перекрывающие поровые каналы в некоторых сечениях и затрудняющие движение свободной воды. Действительная скорость движения воды в разных сечениях грунта может быть различной и, строго говоря, будет неопределенной, поэтому математическое описание фильтрации воды в грунте связано со схематизацией этого процесса и основывается на результатах экспериментов.

Для оценки водопроницаемости бетонных сооружений известны различные устройства и комплексы, обеспечивающие измерение объема расхода жидкости, представленные, например, в следующем источнике информации https://www.researchgate.net/profile/Jose-Milla/publication/350736286_Methods_of_Test_for_Concrete_Permeability_A_Critical_Review/links/62cec5635dc7555897cf3c45/Methods-of-Test-for-Concrete-Permeability-A-Critical-Review.pdf.

Также, для измерения интенсивности миграции влаги через бетон с трещинами может быть использовано устройство по патенту РФ №43652, которое включает камеру, заполненную фильтрующей средой, контактирующей с поверхностью образца и мерный сборник фильтрата для измерения его количества. Устройство содержит приспособление для создания регулируемых температурных перепадов у противоположных сторон образца бетона с трещиной, а при использовании в качестве фильтрующей среды водо-воздушной смеси в камере дополнительно предусмотрена установка регулятора влажности.

Недостатком данной конструкции является необходимость выполнения замеров вручную, что затруднительно при большом количестве длительных опытов и значительно усложняет процесс измерения. Определение сверхмалых расходов сопряжено с большими временными затратами и необходимостью постоянного контроля состояния измерительного устройства.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих вышеприведенным аналогам за счет создания простого в использовании устройства, обеспечивающего подачу раствора с заданным давлением, составом, температурой и автономное измерение этих характеристик и объемного расхода сверхмалых потоков жидкости, в том числе, одновременно для разных типов материалов.

Раскрытие изобретения

Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении возможности автоматической подачи и регистрации значений объемного сверхмалого расхода (до 10^-2–10^-5 и менее см³/мин) жидкости. Преимущество заявляемого изобретения заключается в автономной подаче раствора с заданным давлением, составом, температурой с последующим автоматическим измерением данных характеристик и параметров фильтрующейся жидкости, а именно электрического сопротивления и значений объемного сверхмалого расхода (до 10^-2–10^-5 и менее см³/мин) жидкости при её фильтрации через испытуемый образец (или несколько образцов одновременно). Результаты таких измерений могут быть использованы для оценки проницаемости лабораторных образцов пористых материалов (бетонов, грунтов и др.) для определения: изменения проницаемости в процессе фильтрации, значений начального градиента при котором возможна фильтрация, изменения компонентов состава фильтрующейся жидкости.

Заявленный технический результат достигается тем, что автоматизированный фильтрационный комплекс включает блок подачи жидкости и обеспечения ее давления в потоке, соединенный со входом, по меньшей мере, одной емкости, предназначенной для размещения исследуемого образца, по меньшей мере один расходомер сверхмалых потоков жидкости, и блок управления. Выход из каждой емкости для размещения образца соединен с соответствующим расходомером сверхмалых потоков жидкости. Расходомер содержит приемную камеру, снабженную входным отверстием для подачи фильтрата из емкости для размещения образца, и выходным отверстием, соединенным с измерительной трубкой с открытым концом, снабженной двумя парами электродов, установленными во внутреннем объеме измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга, и соединенных с блоком управления, продувочный клапан, установленный перед выходным отверстием приемной камеры, блок управления включает, по меньшей мере, один контроллер, выполненный с возможностью регистрации сопротивления на парах электродов при их замыкании фильтратом, поступающим в соответствующий расходомер из соответствующей емкости для размещения образца. Блок подачи жидкости и обеспечения ее давления в фильтрационном комплексе включает по меньшей мере один источник жидкости, представляющий собой проточный источник или емкость, снабженную выходным отверстием, и средство обеспечения давления жидкости. В качестве средства обеспечения давления используют гидравлический насос. Между блоком подачи жидкости и обеспечения ее давления и емкостью для размещения образца установлен температурный регулятор, соединенный с блоком управления, при этом в качестве температурного регулятора может быть использован электронагреватель или средства водяного охлаждения с датчиком температуры и терморегулятором. В расходомере электроды одной пары предпочтительно размещены в трубке диаметрально противоположно, а пары электродов установлены на расстоянии 0.2–10 мм друг от друга. В расходомере диаметр измерительной трубки составляет 0.5–8 мм. Продувочный клапан расположен соосно измерительной трубке. Измерительная трубка выполнена съемной. Дополнительно комплекс может включать датчики давления и датчики температуры, установленные в емкости с образцом, раствором и на терморегуляторе.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами и изображениями, где

на фиг. 1–2 представлены графики изменения температурных условий, атмосферного давления, расхода фильтрации через образец и заданного градиента напора при реализации примера конкретного выполнения;

на фиг. 3 и 4 схематично представлен заявляемый фильтрационный комплекс, при этом:

на фиг. 3 схематично представлен вариант выполнения заявляемого комплекса с несколькими емкостями для размещения образцов и несколькими емкостями в блоке подачи жидкости;

на фиг. 4 представлена принципиальная схема измерительной части фильтрационного комплекса;

на фиг. 5а и 5б схематично представлены варианты размещения соответственно сыпучего и твердого (с применением герметизирующей мастики на стенках) образцов в емкостях, на фиг. 5в представлена емкость для размещения твердого образца с возможностью обжатия образца давлением воды;

на фиг. 6 представлены графики изменения общей минерализации и pH раствора полученные кондуктометрическим способом.

Позициями на фигурах обозначены:

1. Подача воздуха и воды постоянного давления в комплексе.

2. Температурный регулятор.

3. Компрессор с ресивером.

4. Регулятор давления воздуха со сборником конденсата.

5. Колба с водой (раствором) заданного давления и температуры.

6. Расходомер сверхмалых потоков.

7. Источник подачи воды (водопровод, емкость под давлением, ниппельный или вакуумный сосуд).

8. Регулятор давления воды.

9. Приемная камера расходомера.

10. Измерительная трубка.

11. Продувочный клапан.

12. Компрессор.

13. Плата с контроллером.

14. Термоизоляция.

15. Датчик температуры раствора.

16. Датчик давления раствора.

17. Датчик атмосферного давления и температуры.

18. Герметичная емкость с испытуемым образцом.

19. Вход первой пары электродов через потенциометрический датчик.

20. Вход второй пары электродов через потенциометрический датчик.

21. Управляемое питание малогабаритного компрессора.

22. Персональный компьютер или дисплей с модулем памяти.

23. Вход для подвода фильтрата.

24. Обратный клапан для обратного осмоса.

25. Сыпучий материал заданной плотности.

26. Прозрачный полимерный корпус емкости для образца (оргстекло, полипропилен и др.).

27. Резьбовая заглушка (например, полипропилен).

28. Уплотнительное кольцо (например, силикон или резина).

29. Фитинг угловой с резьбой для фильтрационной трубки (например, полипропилен).

30. Твердый пористый фильтр (например, полипропилен).

31. Проставки ограничивающие высоту образца (например, полипропилен).

32. Жидкость.

33. Образец твердого материала.

34. Корпус емкости образца (например, сварной полипропилен).

35. Стальная гильза.

36. Герметизирующая мастика (например, эпоксидный клей).

37. Фитинг угловой с резьбой для создания бокового обжатия (полипропилен и др.).

38. Эластичная мембрана (например, латекс и др.).

Осуществление изобретения

Заявляемый комплекс представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих подачу жидкости с заданными параметрами (температура, давление, химический состав) через испытываемый образец (бетон, образец грунта и т. д.) и регистрацию в автоматическом режиме температур, давлений раствора и атмосферного воздуха, а также объемного расхода полученного фильтрата. Комплекс включает блок подачи жидкости, содержащий источник жидкости (например, емкость или проточный источник) и средство обеспечения давления ее потока. Блок подачи жидкости может быть реализован различными средствами и методами и функционально предназначен для создания давления в фильтрационном комплексе, и может быть выполнен с использованием любых известных средств и не является предметом изобретения. Средство обеспечения давления потока жидкости содержит в общем случае воздушный компрессор с ресивером 3, регулятор давления воздуха со сборником конденсата 4, колбу с воздухом и водой (раствором) заданного давления и опционально – температурой 5, соединенную с регулятором давления воздуха через обратный клапан для обратного осмоса 24, и опционально – температурный регулятор жидкости 2.

Так, например, на фиг. 3 представлен блок, принципиально выполненный по элементам схемы, представленной в ГОСТ 12730.5–2018. Средство обеспечения давления в данном варианте включает безмасляный компрессор и ресивер (например, https://zubr-russia.ru/pnevmatika/kompressory/kompressory-bezmaslyanye/kompressor-vozdushnyj-zubr-zkp-180-6-11-n3-seriya-master/); регулятор давления воздуха со сбросом конденсата (таким как https://berkutstore.ru/product/filtr-regulyator-davleniya-camozzi-n104-d00-sern-14-25mkm). В качестве источника жидкости в таком случае используют по меньшей мере один стационарный резервуар (емкость) из химически стойких материалов (например https://msk.shop.geizer.com/catalog/korpusa_1/korpus_geyzer_10bb_prozrachnyy/), в который из баллона с газом (или ресивера компрессора) нагнетается воздушный поток, в результате чего выходящий из резервуара поток жидкости приобретает необходимое давление.

Блок подачи жидкости может включать более одной емкости для жидкости, при этом все емкости соединены с одним средством обеспечения давления. В качестве такого средства обеспечения давления может быть использован баллон с газом (или ресивер компрессора), соединенный с резервуарами через регулятор давления воздуха, при этом для исключения газообмена между резервуарами с жидкостью используется обратный клапан (например для обратного осмоса такой как https://barrier-ural.ru/catalog/komplektuyushchie_tovary/obratnyy_klapan_k_osmos/), при необходимости дополненный воздушным фильтром и отдельными регуляторами давления воздуха.

Таким образом обеспечивается подача воды (или иной жидкости) и исключается влияние материалов и конденсата на минерализацию и химический состав при проведении исследований. Устройство обеспечивает постоянное давление воды (или иного раствора) в интервале от единиц до 400–500 кПа и более, что позволяет оценивать коэффициент фильтрации в диапазоне от единиц до 10^–10 и менее м/сут, расход и изменение химического состава жидкости на выходе из емкости с образцом.

Средство обеспечения давления также может представлять собой, например, железный баллон с воздухом (ресивер), воздух в который подкачивается «безмасляным» насосом, когда давление в ресивере падает меньше установленного. Установленное в ресивере давление обычно составляет 0.5–1 МПа и должно превышать давление в емкости с жидкостью для обеспечения равномерной подачи в неё воздуха через регулятор давления, взамен вытесняемого раствора. Регулировка давления в емкости происходит посредством вращения ручки редуктора давления, который при этом оснащен емкостью для задержки конденсата, предотвращающего его попадание в колбу с раствором. Воздух попадает в верхнюю часть колбы с раствором, а в нижней части емкости установлена трубка для вытеснения раствора со дна колбы в емкость с образцом испытываемого материала или в несколько емкостей с образцами одновременно. Все линии передачи воздуха и раствора выполнены из гибких пластмассовых (например, полиэтилен низкой плотности и др.) трубок.

В качестве источника давления может быть использован гидравлический насос (например https://teplomirkr.ru/nasos-vodotok-yy-50a-plunzhernyy-nasos-vysokogo-davleniya/?ysclid=lo5r3zlrtq244819826), соединенный с емкостью раствора через регулятор давления.

Выход из емкости с жидкостью блока подачи и обеспечения давления посредством трубопровода соединен по меньшей мере с одной емкостью для размещения образца. Таких емкостей может быть несколько – например, для проведения исследований образцов разных типов или образцов одного типа, но различных характеристик. Исследуемые образцы представляют собой твердые или сыпучие материалы, оценка проницаемости которых проводится с использованием заявляемого комплекса. При этом в составе комплекса каждая емкость с образцом соединена с отдельным расходомером и контроллером блока управления, а управление продувкой расходомера контроллер реализует через открытие электромагнитного крана на линии от баллона с воздухом (ресивера компрессора). Емкость для образца в общем случае представляет собой резервуар, снабженный входом от блока подачи жидкости для подачи жидкости под заданным давлением и выходом для фильтрата, получившегося в результате проникновения жидкости через образец. Опционально комплекс может быть снабжен температурным регулятором, расположенным между емкостью с образцом и емкостью с водой.

На фиг. 5а представлена ёмкость для размещения сыпучего образца. Вход и выход жидкости 29 расположены симметрично и представляют из себя полимерные угловые фитинги с резьбой для фильтрационной трубки (такие как https://yuuks.ru/catalog/vodosnabzhenie_i_gazosnabzhenie/filtry/fiting_uglovoy_1_4_1_8_trubka_rezba_me0402_art_44244/), установленные в полимерную резьбовую заглушку 27 (например, такую как https://stroymir74.ru/upload/iblock/b5f/ry2k8ynwq7gvpjwkqvp7akkr34n5fbf0.jpeg), установленную в прозрачный полимерный корпус емкости для образца 26, изготовленный из оргстекла, полипропилена или другого прозрачного полимерного материала через уплотнительное кольцо 28 (например, силикон или резина как https://main-cdn.sbermegamarket.ru/hlr-system/607/067/211/516/205/100049028670b0.jpg). При этом образец 25, при его размещении в емкости, ограничивается внутри емкости с двух сторон твердыми пористыми фильтрами 30, изготовленными из полимерного материала (полипропилен, фторопласт и др.) зафиксированными трубкой-проставкой 31 (из полипропилена или иных полимеров), ограничивающей высоту образца, что создает свободную емкость жидкости 32 для площадной фильтрации воды через образец. Ликвидация пристеночной фильтрации через большинство сыпучих образцов нецелесообразна, так как такие грунты и материалы обладают большой проницаемостью, в иных случаях выполняется герметизация пристеночного пространства (эпоксидные и др. составы).

На фиг. 5б представлена ёмкость для размещения твердого образца 33, пристеночная фильтрация в которой ликвидируется путем применения герметизирующей мастики 36 (эпоксидные и др. составы) между образцом и корпусом емкости образца 34, изготовленной из сварного полимерного материала (например полипропилена https://leroymerlin.ru/product/mufta-50-mm-polipropilen-82571537/?utm_medium=performance_cpc&utm_source=yandex_direct_1&utm_campaign=ag1_Yandex_Tovarnaya-galereya_Desktop_B2C_Full-feed-1p_Msk_CPA_st|%D1%81id_79814859&utm_term=phid_2993031|&utm_content=cid_79814859|gid_5059206209|adid_12950109960|crt_0|pst_premium|ps_2|srct_search|src_none|devt_ desktop|ret_2993031|geo_213|7745058&yclid=2923679076418584575&utm_referrer=https%3A%2F%2Fya.ru%2F и https://tavago.ru/truby-i-fitingi/truby-iz-polipropilena/zaglushki/zaglushka-politek-50-belaya.html?calltouch_tm=yd_c:70666871_gb:4804796891_ad:11664212635_ph:2127313_st:search_pt:premium_p:6_s:none_dt:desktop_reg:213_ret:2127313_apt:none&utm_source=yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=70666871&utm_content=11664212635&utm_term=&yclid=6905570362807549951). При этом фильтрация жидкости 32 осуществляется посредством её подачи через полимерные угловые фитинги 29 с резьбой для фильтрационной трубки (такие как https://yuuks.ru/catalog/vodosnabzhenie_i_gazosnabzhenie/filtry/fiting_uglovoy_1_4_1_8_trubka_rezba_me0402_art_44244/), для предотвращения возможности деформации корпуса 34 при больших давлениях может применяться внешняя стальная гильза 35.

Для испытания твердых материалов, в качестве камеры, обеспечивающей отсутствие пристеночной фильтрации на контакте камеры и образца, может быть использована камера, конструктивно выполненная как камера трехосного сжатия (https://matest.ru/index.php?newsid=327&ysclid=lo5jzsul23123694646), в которой все компоненты выполнены из коррозионно-стойких полимерных материалов, так на фиг.5в представлен твердый образец 25 ограниченный с двух сторон твердыми пористыми фильтрами 30, изготовленными из полимерного материала (полипропилен, фторопласт и др.) на проставках 31. Пристеночная фильтрация через образец ликвидируется путем подачи через полимерный угловой фитинг 37 с резьбой для фильтрационной трубки (такой как https://yuuks.ru/catalog/vodosnabzhenie_i_gazosnabzhenie/filtry/fiting_uglovoy_1_4_1_8_trubka_rezba_me0402_art_44244/) воды для создания бокового обжатия при давлении большем чем давление фильтрации через образец. Боковое обжатие образца осуществляется посредством применения эластичной мембраны 38 (например, латекс и др.) закрепленной уплотнительным кольцом 28 (например, силикон или резина как https://main-cdn.sbermegamarket.ru/hlr-system/607/067/211/516/205/100049028670b0.jpg), фильтрация осуществляется через вход и выход жидкости 29 расположенные симметрично полимерные угловые фитинги с резьбой для фильтрационной трубки (такие как https://yuuks.ru/catalog/vodosnabzhenie_i_gazosnabzhenie/filtry/fiting_uglovoy_1_4_1_8_trubka_rezba_me0402_art_44244/), установленные в полимерную резьбовую заглушку 27 (такую как https://stroymir74.ru/upload/iblock/b5f/ry2k8ynwq7gvpjwkqvp7akkr34n5fbf0.jpeg), установленную в прозрачный полимерный корпус емкости для образца 26 изготовленный из оргстекла, полипропилена или другого прозрачного полимерного материала через уплотнительное кольцо 28 (например, силикон или резина как https://main-cdn.sbermegamarket.ru/hlr-system/607/067/211/516/205/100049028670b0.jpg).

В конце измерительной линии фильтрационного комплекса расположен по меньшей мере один расходомер, который обеспечивает регистрацию электрического сопротивления и малых скоростей фильтрации в диапазоне от нескольких десятков до сотых (и менее) кубического сантиметра в сутки. Измерения расхода фильтрации используются для оценки проницаемости различных по составу образцов, например, слабопроницаемых горных пород и строительных материалов. Расходомер может быть адаптирован для регистрации изменения электрического сопротивления на контактах, что может быть использовано для оценки изменения компонентов химического состава фильтрата. Так, например, на фиг. 6 представлены графики изменения pH и общей минерализации, полученные с помощью кондуктометрических датчиков (https://xn----7sbabfc9cl.xn--p1ai/tds-metry-solemery-izmeriteli-ppm/171-hm-digital-tds-3?cm_id=76747045_4981714209_12487584362_2710566_2710566_none_search_type3_no_desktop_premium_213&roistat=direct3_search_12487584362_%D0%92%D1%81%D0%B5%20%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%80%D1%8B&roistat_referrer=none&roistat_pos=premium_1&yclid=14475091079254507519), (https://www.citilink.ru/product/cifrovoi-ph-metr-deko-065-0285-1882389/?mrkt=msk_cl&utm_source=yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=cities-srch-cat-dsa_fid_test_tov-crr&utm_term=&utm_content=%7Cc%3A77044683%7Cg%3A49877398 31%7Cb%3A12520453300%7Ck%3A3169254%7Cst%3Asearch%7Ca%3Ano%7Cs%3Anone %7Ct%3Apremium%7Cp%3A1%7Cr%3A3169254%7Cdev%3Adesktop|cgci:10693988&utm _param1=crr&yclid=8351103904619429887).

При реализации методики оценки проницаемости образец выдерживают до установления стабильного расхода фильтрации [Элбакидзе М.Г., 1988 г., с.20, 43]. Так, например, проницаемость барьерной глины может быть различной по отношению к фильтрату с определенным составом и температурой [В. М. Гольдберг, Н. П. Скворцов, 1986 г., с.90, 99], то же относится и к строительным материалам. Фильтрационные свойства глин и различных по составу смесей учитываются при возведении инженерных сооружений и противофильтрационных экранов для выбора материала с необходимыми противофильтрационными свойствами.

Расходомер включает приемную камеру 9, снабженную входом для подвода фильтрата 23 от емкости с образцом и соединенную через выходное отверстие с измерительной трубкой 10. Приемная камера обеспечивает возможность продувки расходомера после каждого измерения. Приемная камера может быть любой удобной формы, например, цилиндрической. С целью обеспечения возможности продувки в нижней части приемной камеры по центру установлен продувочный клапан 11, выход которого направлен в сторону измерительной трубки. Продувочный клапан может быть размещен непосредственно внутри приемной камеры или подключен извне, в зависимости от его габаритов. Продувочный клапан предназначен, в том числе, для предотвращения попадания фильтрата в трубку компрессора расходомера, и может быть выполнен, например, из мягкого пластика, преимущественно, конической формы со щелевой вершиной, плотно сомкнутой за счет упругости и формы материала, и раскрывающейся в результате повышения давления воздуха с обратной стороны клапана (изнутри конуса) при продувке. Предпочтительно соосное размещение продувочного клапана и выходного отверстия приемной камеры. Подача воздуха в продувочный клапан обеспечивается через соединенный с ним компрессор 12, включение и выключение которого обеспечивает контроллер блока управления через питание 21 управляемое посредством установленного на нем реле. Компрессор обеспечивает нагнетание воздуха через продувочный клапан в приемную камеру после завершения измерительного процесса. Размер приемной камеры не влияет на качество измерений расхода, но может быть уменьшен для реализации задач регистрации изменения сопротивления раствора. При регистрации расхода, после продувки больший объем приемной камеры остается заполненным в случае расположения выхода продувочного клапана перед входом в измерительную трубку с небольшим зазором для возможности фильтрации жидкости.

Измерительная трубка установлена в верхней части приемной камеры и имеет постоянный заданный объем между двумя парами подведенных к её внутреннему объему электродов 19 и 20, регистрирующих электрическое сопротивление и поток фильтрата. Вход измерительной трубки сопряжен с выходным отверстием приемной камеры, а выход выполнен открытым для свободного удаления фильтрата после окончания измерения посредством продувки. Измерительная трубка с предустановленными электродами представляет собой готовый к использованию заменяемый, в случае необходимости, элемент. Могут быть изготовлены разные измерительные трубки, характеризующиеся различными объемами регистрации в зависимости от диапазона скорости фильтрации, что обеспечивается различными диаметрами измерительной трубки и размещением измерительных пар электродов на определенном расстоянии друг от друга по высоте измерительной трубки. Способ измерения расхода является объемным, поэтому для детальной записи изменения значений расхода емкость измерительной трубки выбирается, исходя из условия ее заполнения в течение не менее 20 с и не более 1 часа. Для замеров с длительностью более 1 часа требуется учет испарения, такие замеры являются менее представительными в отношении динамики изменения расходов во времени, но позволяют производить оценку меньших величин расхода. На измерительной трубке может быть нанесена шкала для визуального контроля расхода.

Диаметр отверстия для входа фильтрата в приемную камеру расходомера в общем случае составляет не менее диаметра измерительной трубки. Внутри измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга установлены две пары электродов. Электроды выполнены из коррозионностойких материалов, таких как графит, золото, платина. Оптимальный диаметр проволоки электрода составляет до 0.8 мм и не более радиуса измерительной трубки. Расположение электродов в паре предпочтительно друг напротив друга на максимальном удалении (по линии диаметра измерительной трубки), допустимо смещение электродов одной пары в измерительной трубке по высоте на расстоянии 0.5–1.5 диаметра электрода. То есть, электроды одной пары расположены в плоскости, перпендикулярной оси измерительной трубки, диаметрально противоположно с небольшой погрешностью 0.5–1.5 диаметра электрода.

Блок управления комплексом выполнен на основе микроконтроллера, соединенного отдельными каналами с парами электродов расходомера через потенциометрические датчики влажности, с контактом питания компрессора расходомера через управляющее реле, с температурным регулятором и блоком подачи жидкости. Блок управления также включает датчик давления воды, размещенный на входе в емкость с исследуемым образцом (естественные грунты, искусственные материалы), датчик давления на выходе из данной емкости, датчики температуры воды (раствора) и воздуха. Таким образом, все составные элементы фильтрационной линии, соединены с контроллером блока управления. Контроллер полностью реализует регистрацию значений измеряемых параметров в фильтрационном комплексе, с возможностью вывода на отдельный дисплей или экран подключаемого компьютера зарегистрированных данных, а также их сохранение на отдельный носитель или в блок памяти внешнего компьютера. Информация может быть выведена на отдельный дисплей или на цифровой носитель, размещаемые внешним образом или скомплектованные с блоком управления в единый корпус. В качестве такого контроллера может быть использован, например, блок следующего типа https://niiet.ru/23_03_23/. Регистрация наличия воды на электродах реализована посредством подключения обоих пар электродов к микроконтроллеру через датчики влажности, функционирующие в цифровом режиме регистрации сопротивления и имеющие потенциометр, позволяющий производить регулировку от ложного срабатывания за счет повышенной влажности в трубке. Для опытного образца расходомера фильтрационного комплекса в качестве примера были использованы два датчика FC-28 (https://lrob.ru/vse_dlya_arduino/datchiki/datchik_vlazhnosti_pochvy_gigrometr_fc_28). К микроконтроллеру также подключен управляющий контакт для открытия/закрытия реле, которое включает компрессор после каждого замыкания фильтратом второй пары контактов (цикл измерения времени фильтрации). Может быть использовано реле следующего типа (https://www.elcomp.ru/product_info.php/releinyi-modul-5vdc-nizkii-uroven-signala-p-21006). Плата микроконтроллера помимо контактов ввода/вывода информации содержит также разъёмы для подключения питания и заземления, модуль памяти для реализации заранее записанной программы.

Заявляемый комплекс обеспечивает постоянное или переменное давление воды фильтрационной линии в интервале от единиц до 400–500 кПа и более, что позволяет оценивать коэффициент фильтрации в диапазоне от единиц до 10^–10 м/сут и менее и работает следующим образом.

Заявляемый фильтрационный комплекс работает следующим образом. Предварительно, перед первым применением, расходомер комплекса тарируют посредством оценки объема измерительной трубки, ограниченного плоскостями размещения пар электродов, для чего в измерительную трубку подают жидкость (например, посредством вливания точной градуированной пипеткой), пары электродов поочередно замыкаются и производится оценка объема налитой жидкости, после чего дополнительно на точных весах сверяют объем вытекшей из измерительной трубки воды. Вместе с этим, перед измерениями, выполняют корректировку чувствительности замыкания обоих пар электродов путем регулировки колеса потенциометра, расположенного на датчиках влажности, подключенных к микроконтроллеру. Описанные регулировки выполняются один раз и не производятся далее при незначительном изменении минерализации и состава фильтрующихся растворов.

В емкость с водой блока подачи посредством компрессора нагнетают воздух, создавая избыточное давление жидкости на выходе из емкости. Под действием давления вода (или иная принятая в конкретном исследовании жидкость) направляется в емкость с исследуемым образцом, где пропитывает его естественным образом. На выходе из данной емкости образуется фильтрат – жидкость, которая может содержать компоненты состава образца. В качестве исследуемых материалов могут быть использованы как твердые, так и сыпучие образцы. Подготовка образцов к исследованию обеспечивается в соответствии с ГОСТ 12730.5–2018 (п. 5.2). Образцы герметизируют в соответствующей емкости согласно схеме на с.9 Приложения Б ГОСТ 12730.5–2018. На практике для герметизации слабопроницаемых образцов части используют эпоксидные клеи, вязкость которых не позволяет впитываться клею глубоко в образец, обеспечивающие влагостойкость соединения на контакте с образцом и стенками герметичной емкости с испытуемым образцом.

Таким образом, фильтрат подают в приемную камеру расходомера при постоянном или переменном давлении, значение которого регулируется посредством блока подачи и поддерживается выше давления на открытом конце измерительной трубки. При этом наличие фильтрации и, как следствие, значения объемного расхода определяется наличием разности давлений. После заполнения фильтратом приемной камеры, через определенное время фильтрат попадает в измерительную трубку, где поочередно замыкает две пары электродов (первого и второго каналов). Блок управления в постоянном режиме регистрирует сопротивление на первом канале, соединенным с первой парой электродов и, при наличии воды на её контактах, переходит к отсчету времени до регистрации сопротивления на втором канале, соответствующем появлению на нем воды (скачок сопротивления означает наличие воды на регистрируемом канале). Известный объем измерительной трубки, заключенный между парами замыкающих электродов, а также время, прошедшее от замыкания первой пары электродов до замыкания второй пары, позволяют определить объемный расход фильтрата согласно формуле:

q = v/t, где:

q – расход фильтрации, вычисляемый программой контроллера [см³/мин].

v – известный после тарировки объем измерительной трубки между замыкающими электродами [см³].

t – время фильтрации, вычисляемое программой контроллера [мин].

Блок управления регистрирует изменение сопротивления последовательно на двух парах электродов при их замыкании поступающим фильтратом и фиксирует временной диапазон от первого изменения до второго, и определяет расход фильтрации объемным способом.

При замыкании первой пары электродов расходомера порцией фильтрата начинается отсчет времени. После замыкания контактов второй пары электродов программа микроконтроллера замыкает контакты реле компрессора расходомера на заданное время (0,5-1 мин), достаточное для выдувания фильтрата из измерительной трубки с использованием продувочного клапана, при этом блок управления регистрирует измерения всех датчиков фильтрационного комплекса, формируя систему информации для каждого момента измерения расхода, после чего устройство готово к следующему измерению в соответствии с циклом программы контроллера.

Пример конкретного выполнения

В качестве обеспечения примера работы фильтрационного комплекса был подготовлен пробный образец бетона, приготовленный на глиноземистом цементе с добавкой бентонитовой глины. Такой состав обеспечивает изменение фильтрационных свойств при фильтрации, что может быть зарегистрировано расходомером в ходе опыта при постоянном давлении воды на входе в образец. Для оценки проницаемости такого образца необходимо обеспечить возможность регистрации малых объемов жидкости, протекающих сквозь бетонный образец. В емкость с образцом бетона подавали водопроводную воду из колбы с заданным давлением. В емкость с водой предварительно нагнетали воздух от компрессора для создания заданного давления воды на выходе из емкости 250 кПа. Воду под указанным давлением направляли в емкость с образцом, которая протекала сквозь образец в течение определенного времени. На выходе из емкости с образцом образовался фильтрат, который направляли в приемную камеру расходомера для определения величины объемного расхода. Приемная камера экспериментального устройства имеет цилиндрическую форму диаметром 10 мм и высотой 17 мм, выполнена из прозрачного пластика. С боковой стороны выполнен вход для фильтрата с диаметром канала 2 мм. Внутри приемной камеры в ее нижней части расположен продувочный клапан высотой 13 мм диаметром 8 мм на входе и со щелевым отверстием на выходе. В качестве продувочного клапана с приемной камерой для экспериментального устройства был использован следующий образец (https://zoonorka.ru/wa-data/public/shop/products/90/99/39990/images/55084/55084.750.jpg). С противоположного относительно продувочного клапана торца приемной камеры установлена измерительная трубка диаметром 2 мм, высотой 15 мм, в которую введены две пары электродов, размещенных диаметрально противоположно. Расстояние между парами электродов составило 10 мм. В опытном образце устройства использован контроллер типа ATmega328P на плате (http://wiki.amperka.ru/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%8B:arduino-nano). После протекания сквозь бетонный образец вода в качестве фильтрата попадает в приемную камеру и затем в измерительную трубку, где поочередно замыкает пары электродов. Программа контроллера фиксирует поочередное замыкание пар контактов и вычисляет время от одного замыкания до другого, что позволяет определить объемный расход жидкости при фильтрации в образце бетона. Результаты записи объемного расхода фильтрата на опытном образце приведены на фиг.1, при этом режим фильтрации с постоянным напором на торцах образца фиксировался соответствующими значениями градиента напора. Пример окончания измерений путем регистрации сопротивления на первой и второй паре контактов показал время заполнения объема измерительной трубки 1 328.84 с, что с учетом значения ее объема, равного примерно 0.03 см³, позволило оценить расход фильтрата, собранного по прохождении через бетонный образец со значением 1.4*10^-3 см³/мин. В ходе фильтрации с условно постоянным градиентом давления через образец выявлено постепенное снижение расхода, связанное с возрастающим фильтрационным сопротивлением в процессе фильтрации из-за набухания глинистых минералов в составе смеси или же с кольматацией порового пространства. Безразмерный параметр (I) определен как отношение разности давлений фильтрата и воздуха к длине пути фильтрата через образец и характеризует гидродинамическую (фильтрационную) силу потока в образце и определяет расход фильтрации, поэтому контроль (I) необходим для оценки проницаемости (фильтрационного сопротивления) образца.

Таким образом, заявляемое устройство характеризуется простотой использования и, вместе с тем, позволяет регистрировать изменения объемного расхода сверхмалых потоков жидкости без применения сложных технологических средств в автономном режиме. С учетом того, что измерения сверхмалых потоков, как правило, длятся значительное время, автономность устройства и автоматический режим проведения эксперимента является важным преимуществом при исследованиях.

Заявляемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике, обеспечивающей возможность проведения испытаний различных по составу образцов слабопроницаемых горных пород и строительных материалов, в том числе для оценки их проницаемости. Автоматизированный фильтрационный комплекс включает блок подачи жидкости и обеспечения ее давления в потоке, соединенный со входом по меньшей мере одной емкости, предназначенной для размещения исследуемого образца, по меньшей мере один расходомер сверхмалых потоков жидкости. Выход из емкости для размещения образца соединен с соответствующим расходомером сверхмалых потоков жидкости. Также комплекс содержит блок управления. Расходомер содержит приемную камеру, снабженную входным отверстием для подачи фильтрата из емкости для размещения образца, и выходным отверстием, соединенным с измерительной трубкой с открытым концом. Измерительная трубка снабжена двумя парами электродов, установленными во внутреннем объеме измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга и соединенными с блоком управления. Перед выходным отверстием приемной камеры установлен продувочный клапан. Блок управления включает по меньшей мере один контроллер, выполненный с возможностью регистрации сопротивления на парах электродов при их замыкании фильтратом, поступающим в соответствующий расходомер из соответствующей емкости для размещения образца. При реализации изобретения обеспечивается возможность автоматической подачи и регистрации значений объемного сверхмалого расхода (до 10^-2-10^-5 и менее см³/мин) жидкости. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Автоматизированный фильтрационный комплекс, включающий блок подачи жидкости и обеспечения ее давления в потоке, соединенный со входом по меньшей мере одной емкости, предназначенной для размещения исследуемого образца, по меньшей мере один расходомер сверхмалых потоков жидкости, при этом выход из емкости для размещения образца соединен с соответствующим расходомером сверхмалых потоков жидкости, и блок управления, при этом расходомер содержит приемную камеру, снабженную входным отверстием для подачи фильтрата из емкости для размещения образца и выходным отверстием, соединенным с измерительной трубкой с открытым концом, снабженной двумя парами электродов, установленными во внутреннем объеме измерительной трубки на определенном расстоянии друг от друга, и соединенных с блоком управления, продувочный клапан, установленный перед выходным отверстием приемной камеры, а блок управления включает по меньшей мере один контроллер, выполненный с возможностью регистрации сопротивления на парах электродов при их замыкании фильтратом, поступающим в соответствующий расходомер из соответствующей емкости для размещения образца.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что блок подачи жидкости и обеспечения ее давления в фильтрационном комплексе включает по меньшей мере один источник жидкости, представляющий собой проточный источник или емкость, снабженную выходным отверстием, и средство обеспечения давления жидкости.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что в качестве средства обеспечения давления используют гидравлический насос.

4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что между блоком подачи жидкости и обеспечения ее давления и емкостью для размещения образца установлен температурный регулятор, соединенный с блоком управления, при этом в качестве температурного регулятора может быть использован электронагреватель или средства водяного охлаждения с датчиком температуры и терморегулятором.

5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что в расходомере электроды одной пары размещены в трубке диаметрально противоположно.

6. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что в расходомере пары электродов установлены на расстоянии 0,2-10 мм друг от друга.

7. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что в расходомере диаметр измерительной трубки составляет 0,5-8 мм.

8. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что продувочный клапан расположен соосно измерительной трубке.

9. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что измерительная трубка выполнена съемной.

10. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает датчики давления и датчики температуры, установленные в емкости с образцом, раствором и на терморегуляторе.