Способ определения температуры завершения фазового перехода воды в лед Советский патент 1983 года по МПК G01N25/04 

4 ЭО

м

DO СП Изобретение относится к технической физике, например физике горных пород, и геологии, например мерзлото ведения и может быть использовано при изучении;, состояния воды в мерз лых горных породах,-в которых фазовый переход воды ъ лед растянут на интервал температур до нескольких десятков градусов Цельсия. известен способ определения температуры завершения фазового перехода воды в лед в мерзлых породах, основанный на применении ядерно-магНЙТНО.ГО резонанса. Этот. способ заключается в том, что образец мерзлой породы помещают в измерительную йчей ку, замораживают до температуры, гарантирующей завершение фазового перехода воды в лед в исследуемой породе, например для кварцевого песка до температуры ниже -30°С/ цовышают температуру образца и регифгтрируит изменение спектра ЯМР. По температурному изменению спектра ЯМР .определяют температуру .начала плавления льда, которая в цикле понижеНИН температуры соответствует температуре завершения фазового перехода воды в лед QI . Однако при изучении обЕ«зцов песчано-глинистых пород спектры ЯМР искажаются за счет взаимодействия ядер с ионами парс1Магнитных примесей, которые всегда.содержатся в реальных горных породах, и в этих случаях для вь1яснения .природы измене ния спектра ЯМР необходимы специальные дополнительные исследования, не всегда.дающие положительный результа а аппаратура для излучения спектров ЯМР весьма сложна и серийно нашей . промышленностью пока не выпускается. Наиболее близким к изобретению яв ляется способ одределен.ия температуры завершения (разового перехода воды в лед в дисперсных материалах, включающий нагрев предварительно замороженного образца, создание в нем пере менного электрома.гнитного пОля и измерение сигналов амплитудно-частотного спектра этого поля и температуры образца, по которым судят о температуре завершения фазового перехода 2j . Недостатком этого способа является дополнительный нагрев от воздейст-. ВИЯ на образец возбуждающего электро магнитного поля, который вносит боль шую поррешность в определение температурь; завершения фазового перехода воды в лед.. Цель изобретения - повышение точности определения температуры щавершения фазового .перехода воды s лед. Поставленная цель достигаевся тем, что согласно способу определени .теййёратуры завершения фазового перехода воды в лед переменн.ое .электромс1гнитное поле в образце возбуждают с помощью акустиче.ских волн, при температуре ниже фазового перехода измеряют амплитуду фоновых сигналов, затем нагревают, образец, измеряя спектр сигналов, а о температуре завершения фазового перехода судят по появлению сигналов с амплитудой, превышающей фоновое значение. Способ осуществляется следующим образом. Образец, исследуемой породы п(мещают в измерительную ячейку., например, в плоскопараллельный электрический конденсатор, и замораживают в холодильной камере до -температуры, гарантирующей завершение фазового пе рехода воды в лед в этой породе, например для кварцевого песка около -30 С, для каолина около -80°С. Затем повышают темпера уру образца . через , одновременно регистрируя ее с помощью термопары или термосопротивления. В исследуемом образце создают поле акустических волн, например, с петлощью стандартного пьезоэлектрического излучателя. С помощью стандартного измерительного прибора, например милл1шольтметра,на каждой температуре образца производят измерения разностей потенциалов между обкладкецци измерительного кон|денсатора, обусловненных возбужденн }электромагнитным полем. При измерениЯх на низких температурах спектра измеренных сигналов практически однородны и не различаются для различных температур, т.е. соответствуют фоно.вым значениям. Начиная с некоторой температуры в цикле .ее повышения в спектре измеренных-сигналов появляются участки с амплитудами, превышающими фоновые значения, что свидетельствует о начале развития фазового перехода льда в воду (или о завершении фазового перехода воды в лед в цикле понижения температуры) в исследуемом образце. Измерения в цикле повмиения, а не понижения температуры позволяют свести до 11«1инимума влияние перераспределения влаги в образце в процессе изменения его температуры. Таким образом, температуру завершения фазового перехода воды в лед определяют по появлению в регистрируемом спектрреучастков с амплитудами сигналов, превышающими фоновые значения. Предлагаемый способ позволяет свизить дополнительный нагрев от воздействия на образец возбуждающего поля. Благодаря этому повышаемся на точность определения температуры завершения фазового перехода воды в лед вМёрзлой породе/ опреде лямцего формирование основных фиэивеских и механических свойств таких пброд, т.е. параметров, которые необходимо знать при расчетах, производимых в строительном проект.ировании.

При строительстве часто используют способ предварительного.прсмора- живанвя разрабатываемых грунтов. При этом желательно производить пройрра- . живание рыхлого грунта до температу1 || завершения в нем перехо- ъ да воды в лед. Например, для отра- tO ботки вертикальной выработки глубиной

Юм и радиуссял. 3 м промораживание производится в зоне радиусом б м, т.е. объем промораживаемого грунта около 1100 м.. Если принять среднюю объемную плотность грунта за i .8.10 кг/м а удельную теплёГем- кость мерзлого грунта за, 1,1 кДж/кг Яс, то ошибка в Ic ff оценке ггемпературы згшершения фазовго перехода воды в лед в сторону ее занижения приводит к дополнительньм затратам энергии около 2,2 «10° кДж.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАВЕРШЕНИЯ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ВОДЫ В ЛЕД в дисперсных материалах, включающий нагрев предварительно ;замороженного образца создание в нем переменного электромагнитного поля и измерение сигналов амплитудИо-частОтногр спектра этого поля и температуры, по кошорьвл судят о тем- . пвратуре завершения фазового, переxof, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с иелью-повьш1ений точности определения, веременное электромагнитное поле-в образце возбуждают с помощью акустических волн, прИ тёмпераг туре ниже фазового: перехода измеряют амплнтуду фоновых сигналов, затем нагревают образец, измеряя спектр сигналов, а о температуре а;аверше- НИИ фазового перехода судят по появ(Л лению сигналов с амплитудой, превцша.кхцей Фоновое значение. .