Устройство для определения основной гидрофизической характеристики пористых материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к технической физике, в частности к устройствам, используемым для определения последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и равновесного вла- госодержания, образующими зависимость, называемую основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии, гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучений влагоперено- са в ненасыщенных горных породах и почвах.

Известно устройство для определения ОГХ на принципе повышения потенциала влаги в образце исследуемого пористого материала до уровня потенциала свободной

воды, покоящейся при атмосферном давлении, условно принимаемом равным .нулю (в практике исследований влагопереноса в ненасыщенных пористых материалах потенциал влаги и его составляющие принято выражать через эквивалентное давление всасывания, отсчитываемого от некоторого нормального атмосферного давления, условно принимаемого равным нулю). Устройство, называемое пластинным или мембранным прессом, содержит камеры высокого и атмосферного давления, разделенные тонкопористой пластиной или мембраной, причем камера высокого давления, в которую устанавливают исследуемый образец, снабжена герметически закрывающейся крышкой, ее внутренний объем с помощью трубки соединен с системой зада00

е

Jb

ния и поддержания избыточного давления газа, включающей датчик давления, балластную емкость и насос, отключаемый с помощью вентиля, а камера атмосферного давления заполнена водой и свободно сообщается с атмосферой.

Для автоматического поддержания заданного давления в мембранном прессе (а точнее - в камере высокого давления с установленным в ней образцом) в систему задания и поддержания избыточного давления газа рекомендуют встраивать дополнительно автоматический регулятор давления,

Определения проводят следующим образом. В рабочей камере создают и поддерживают избыточное давление газа, вызывающее перетекание воды через тонкопористую мембрану в направлении меньшего значения потенциала. Установившееся вла- госодержание образца, пересчитанное на его единичный объем, ставят в соответствие заданному в рабочей камере (камере высокого давления) избыточному давлению и принимают в качестве точки, принадлежащей искомой зависимости (ОГХ).

Затем давление газа в рабочей камере изменяют и определяют новое равновесное влагосодержание образца. Повторением подобной процедуры при однонаправленных изменениях давления газа в рабочей камере определяют ОГХ от нуля (образец насыщен водой) до некоторого, отрицательного значения потенциала, ограниченного давлением барботирования используемой тонкопористой пластины или мембраны,

Данное устройство обладает существенным недостатком, заключающимся в неопределенности величины потенциала влаги в исследуемом образце, вызываемой нестабильностью атмосферного давления при постоянном давлении газа в рабочей камере.

Известно также устройство для определения ОГХ на принципе выравнивания потенциалов влаги двух пористых тел, приведенных в контакт между собой. Данное устройство, называемое капилляримет- ром, содержит .камеры атмосферного и пониженного давления, разделенные водо- насыщенной тонкопористой пластиной или мембраной, причем камера атмосферного давления с образцом снабжена герметически закрывающейся крышкой и капилляром, соединяющим ее внутренний объем с атмосферой, а камера пониженного давления с помощью трубки соединена с вакуумной системой, включающей измерительную емкость, датчик давления, балластную емкость, вентиль и насос.

Определения проводят следующим образом. Водонасыщенный образец устанавливают в рабочую камеру (камеру атмосферного давления) и приводят в контакт с водонасыщенной тонкопористой мембраной. Для определения искомой точки ОГХ над уровнем воды, заполняющей камеру пониженного давления, создают разрежение газа, чем понижают потенциал

0 воды, насыщающей тонкопористую мембрану. Это вызывает перетекание части воды иг образца через тонкопористую мембрану, которое прекращается с установлением равенства потенциалов, а объем воды, вытек5 шей из образца, регистрируют по изменению объема воды в измерительной емкости.

Данное устройство обладает тем же недостатком, заключающимся в неопределен0 ности величины потенциала влаги в образце, что обусловлено нестабильностью давления газа в рабочей камере вследствие нестабильности атмосферного давления при постоянном давлении газа в вакуумной

5 системе устройства.

Указанный недостаток не устраняется и в известных устройствах..Двойного действия, называемых комбинированным капил- ляриметром - мембранным прессом,

0 поскольку их используют либо Срежиме работы капилляриметра, либо- в режиме мембранного пресса.

Цель изобретения - повышение точности за счет исключения погрешностей, обус5 ловленных нестабильностью атмосферного давления.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено жесткой термостатированной газонаполненной емкостью, внут 0 ренний объем которой изолирован от атмосферы и подсоединен к капилляру, а также дополнительным датчиком давления, встроенным в емкость.

На фиг.1 изображено устройство, об5 щий вид; на фиг,2 - зависимость влагосо- держания образца от давления.

Образец исследуемого пористого материала 1 установлен в рабочую камеру 2 и приведен в контакт с тонкопористой мемб0 раной 3. Подмембранная камера 4 с помощью трубки 5 соединена с измерительной емкостью 6 и вакуумной системой, содержащей датчик 7 давления, балластную емкость 8, вентиль 9 и насос 10. Рабочая камера

5 герметически закрывается крышкой 11, а из внутреннего объема рабочей камеры выведен капилляр 12 и подсоединен к дополнительной жесткой термостатированной газонаполненной емкости 13. Внутренний объем емкости 13 изолирован от атмосферы

и в него встроен дополнительный датчик 14 давления (например, барометр).

Для удобства работы оператора, как показано на фиг.1, к емкости 13 может быть подсоединено холостое плечо датчика 7 давления, что устраняет кажущиеся вариации давления в вакуумной системе устройства, обусловленные воздействием нестабильного атмосферного давления на показания датчика давления дифференциального типа. С той же целью дополнительная емкость с помощью трубки и вентиля может быть подсоединена к насосу 10.

Устройство работает следующим образом.

Подмембранную камеру заполняют водой, а в рабочую камеру устанавливают образец исследуемого пористого материала и приводят его в контакт с тонкопористой мембраной.

Для получения первой точки, принадлежащей искомой зависимости, задают начальную ступень разрежения газа в вакуумной системе капилляриметра, поддерживаемую до полного завершения перетекания воды через тон копористую мембрану, о чем судят по данным наблюдений за изменениями объема воды в измерительной емкости. Величину потенциала воды, насыщающей тонкопористую мембрану, к которой, релаксирует величина потенциала влаги образца исследуемого пористого материала, вычисляют по формуле

V P+/ogz-P0,

где ty- потенциал влаги образца; Р - абсолютное давление газа над уровнем воды в вакуумной системе капилляриметра; Ро - абсолютное давление газа в рабочей камере; р g z - гидростатическое давление в подмембранной камере.

Величина потенциала влажности образца принимается равной величине потенциала воды, насыщающей тонкопористую мембрану. При этом величина потенциала влажности определяется с погрешностью, равной гравитационной составляющей, .которая может быть вычислена как ifa р g h (здесь h - высота образца, в экспериментах не превышающая обычно 5 см).

Пример. Для оценки погрешностей, возникающих при определении ОГХ за счет

нестабильности атмосферного давления, выполнен эксперимент на образце природного пористого материала, представленного суглинком ненарушенного сложения 5 (место отбора Волгодонский участок, шурф 4/3, глубина 3,1 м); размеры образца; высота 30 мм, диаметр 80 мм.

Эксперимент проведен следующим образом. Величина потенциала воды, насыща0 ющей тонкопористую мембрану капилляриметра, регулировалась последовательным ступенчатым понижением давления газа в вакуумной системе устройства по отношению к опорному давлению, принято5 му равным 100 кПа. На каждой ступени разрежения газа в вакуумной системе устройства определено по четыре равновесных значения влагосодержания образца (фиг.2), соответствовавших величинам дав0 ления газа в рабочей камере: 100 кПа (кривая 15); 97,3 кПа (кривая 16); 102,7 кПа (кривая 17) и атмосферному (кривая 18).

Таким образом, при вариациях атмосферного давления 97,3-102.7 кПа (т.е. от 730

5 до 770 мм ртутного столба) неопределенность искомой зависимости (ОГХ) в интервале значений потенциала влажности от 0 до - 20 кПа составляет 30% суммарной водоотдачи образца на том же интервале изме0 нений потенциала влажности.

Формула изобретения Устройство для определения основной гидрофизической характеристики пористых

5 материалов, содержащее рабочую камеру с

герметически закрывающейся крышкой и

встроенным капилляром, смонтированную

на тонкопористой мембране, и подмембранную камеру, подсоединенную с по0 мощью трубки к вакуумной системе с насосом, датчиком давления, балластной и измерительной емкостями, отличаю ще- е с я тем, что, с целью повышения точности определения за счет исключения погрешно5 стей, обусловленных нестабильностью атмосферного давления, оно снабжено жесткой термостатированной газонаполненной емкостью, внутренний объем которой изолирован от атмосферы и

0 подсоединен к капилляру, а также дополнительным датчиком давления, встроенным в емкость.

Изобретение относится к технической физике, в частности к устройствам для определения последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и рановесиого влагосодержания, образующими зависимость, называемую основной гидрофизической характеристикой исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии, .гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучении влэгопереноса в ненасыщенных горных породах и почвах. Известное устройство снабженр жесткой термостатированной газонаполненной емкостью, внутренний объем которой изолиро- ван от атмосферы и подсоединен к капилляру, выведенному из рабочей камеры, а также дополнительным датчиком давления, встроенным в емкость. 2 ил. Ё

Риг. 1

-во-40-SO

0,253300,.5

Вяагосодерхание, г/сн

Фиг. 2

Составитель В.Баранов Редактор С.Патрушева Техред М.МоргенталКорректор М.Пожо

Заказ 873ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская нзб.. 4/5

77

IB