Устройство для определения основной гидрофизической характеристики пористых материалов

 

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 изолирован от атмосферы и подсоединен к капилляру, выведенному из рабочей камеры , а также дополнительным датчиком давления , встроенным в емкость. 2 ил. Ё

СОГОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з 6 01 N 15(08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4425677(25 (22) 19.05.88 (46) 07,03.92, Бюл. N. 9 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной reonorw (72) В.В. Бадов и А.А. Киселев (53) 550.822.2.05 (088.8) (56) Глобус А.М. Экспериментальная гидрофизика почв. — Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 158=1 78.

Глобус А.М, Экспериментальная гидрофизика почв. — Л.; Гидрометеоиздат, 1969, с.

144-158. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСНОВНОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к технической физике, в частности к устройствам для опреИзобретение относится к технической физике, в частности к устройствам, используемым для определения последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и равновесного влагосодержания, образующими зависимость, называемую основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии, гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучении влагопереноса 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

„„5V„„1718044 А1 деления последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и рановесного 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 влагопереноса в ненасыщенных горных породах и почвах.

Известное устройство снабженр жесткой термостатированной газонаполненной емкостью, внутренний объем которой изолирован от атмосферы и подсоединен к капилляру, выведенному из рабочей камеры, а также дополни гельным датчиком давления, встроенным в емкость. 2 ил. 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 зада30 чей камере определяют ОГX от нуля (образец насыщен водой} до некоторого, отрицательного значения потенциала, ограниченного давлением барботирования используемой тонкопористой пластины или 35 мембраны.

Данное устройство обладает существенным недостатком, заключающимся в неопределенности величины потенциала влаги в исследуемом образце, вызываемой 40 нестабильностью атмосферного давления при постоянном давлении газа в рабочей камере.

Известно также устройство для определения ОГХ на принципе выравнивания по- 45 тенциалов влаги двух пористых тел, приведенных в контакт между собой. Данное устройство, называемое капилляриметром, содержит камеры атмосферного и пониженного давления, разделенные водо- 50 насыщенной тонкопористой пластиной или мембраной, причем камера атмосферного давления с образцом снабжена герметически закрывающейся крышкой и капилляром, соединяющим ее внутренний объем с ат- 55 мосферой, а камера пониженного давления с помощью трубки соединена с вакуумной системой, включающей измерительную емкость, датчик давления, балластную емкость, вентиль и насос. 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 влагосодержание 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 рабо5

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 воды, насыщающей тонкопористую мембрану, Это вызывает перетекание части воды иэ образца через тонкопористую мембрану, которое прекращается с установлекием равенства потенциалов, а объем воды, вытекшей из образца, регистрируют по изменению объема воды в измерительной емкости.

Данное устройство обладает тем же недостатком, заключающимся в неопределенности величины потенциала влаги в образце, что сбусловлено нестабильностью давления газа в рабочей камере вследствие нестабильности атмосферного давления при постоянном давлении газа в вакуумной системе устройства.

Указанный недостаток не устраняется и в известных устройствах„„двойного действия, называемых комбинйрованным капилляриметром — мембранным прессом, поскольку их используют либо в.режиме работы капилляриметра, либо- в режиме мембранного пресса.

Цель изобретения — повышекие точности за счет исключения погрешностей, обусловленных нестабильностью атмосферного давления.

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

На фиг,1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 — зависимость влагосодержания образца от давления;

Образец исследуемого пористого материала 1 установлен в рабочую камеру 2 и приведен в контакт с тонкопористой мембраной 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 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

1718644

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

Для удобства работы оператора, как показано нв фиг.1, к емкости 13 может быть подсоединено холостое плечо датчика 7 давления, что устраняет кажущиеся вариации давления s 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 абразом.

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 тонкопористую мембрану, о чем судят по данным наблюдений за изменениями объема воды в измерительнойй емкости. Величину потен циала воды, насыщающей тонкопористую мембрану, к которой. релаксирует величина потенциала влаги образца исследуемого пористого материала, вычисляют по формуле ф = Р + P g Z — Ро. где ф- потенциал влаги образца; Р— абсолютное давление газа над уровнем воды в вакуумной системе капилляриметра; Po— абсолютное давление газа в рабочей камере; p 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 Q =р g.М (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 (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, насыща-ющей тон копористую мембрану капилляриметра, регулировалась последовательным ступенчатым понижением давления газа в вакуумной системе устройства по отношению к опорному давлению, принятому равным 100 кПа. На каждой ступени разрежения газа в вакуумной системе устройства определено по четыре равновесных значения влагосодержания образца (фиг,2), соответствовавших величинам давления 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 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 изменений потенциала влажности.

Формула изобретения

Устройство для определения основной гидрофизической характеристики пористых. материалов, содержащее рабочую камеру с герметически закрывающейся крышкой и встроенным капилляром, смонтированную на тонкопористой мембране, и подмембранную камеру, подсоединенную с помощью трубки к вакуумной системе с насосом, датчиком давления, балластной и измерительной емкостями, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности определения за счет исключения погрешностей, обусловленных нестабильностью атмосферного давления, оно снабжено жесткой термостатированной газонаполненной емкостью, внутренний объем которой изолирова н от атмосферы и подсоединен к капилляру, а также дополнительным датчиком давления, встроенным в емкость.

1718044

Рк/7а

-60 т

ping @+5 (40 0 цмагосодержание, Меа

025

Составитель B.Áàðàíîå

Техред М.Моргентал - Корректор M.Ïîæî

Редактор СЯатрушева

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 873 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5