專利名稱：基于變?nèi)莸牟牧蠞B透系數(shù)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，尤其涉及一種快速、寬幅的基于變 容的材料滲透系數(shù)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
天然巖石的滲透系數(shù)分布范圍超過10個(gè)數(shù)量級。特別是，由于近年來油氣
田的開發(fā)、放射性物質(zhì)的地下處置以及溫室氣體的地質(zhì)封存等工程的安全性評價(jià) 和施工設(shè)計(jì)，迫切需要測量與這些工程相關(guān)的材料在外力、溫度和化學(xué)作用下， 其滲透性能的變化規(guī)律。在這種情況下，同一塊材料的滲透系數(shù)可能大幅度變化
達(dá)好幾個(gè)數(shù)量級一一從小于1 UD (達(dá)西)到1D。
目前，常用的各種滲透系數(shù)測量系統(tǒng)所能測量的范圍一般在2 3個(gè)數(shù)量級； 國內(nèi)外尚無采用變?nèi)輭毫γ}沖法測量滲透系數(shù)的系統(tǒng)；國際上主要用來測量低滲 材料滲透系數(shù)的測量方法(例如傳統(tǒng)壓力脈沖法、恒流泵法等)，其主要理論依 據(jù)和部分技術(shù)指標(biāo)與本發(fā)明相當(dāng)，但具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、求解方法和本發(fā)明不一樣， 且成本也非常昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了滿足測量上述材料在外力、溫度或化學(xué)作用下，其滲透 系數(shù)大幅度變化的要求，提供一種基于變?nèi)莸牟牧蠞B透系數(shù)測量系統(tǒng)。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一、設(shè)計(jì)思路
1、 利用試壓泵，通過合理控制閥門和壓力表，獲得設(shè)計(jì)所需要的壓力脈沖。
2、 設(shè)計(jì)有綜合壓縮性可以改變的變?nèi)菅b置，通過合理調(diào)節(jié)變?nèi)萑萜鲀?nèi)氣液 體積比，從而獲得跨越六個(gè)數(shù)量級以上的綜合壓縮性。
3、 設(shè)計(jì)有采集被測試件兩端的壓差-時(shí)間曲線的數(shù)據(jù)采集處理裝置。
4、 設(shè)計(jì)有針對本發(fā)明而編制的反分析計(jì)算軟件，擬和采集的壓差-時(shí)間曲線 圖，自動生成被測試件及系統(tǒng)各參數(shù)值。(另案申請國家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記)
二、設(shè)計(jì)方案
如圖1.1、 1.2，本發(fā)明由核心裝置(1000)和外圍裝置(2000)兩部分組
成
核心裝置(1000)，包括變?nèi)菅b置(1100)、巖芯夾持器(1200)、壓力計(jì)量 裝置(1300)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400);
外圍裝置(2000)包括注氣裝置(2100)、注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300) 和真空抽取裝置(2400)。
核心裝置(1000)與外圍裝置(2000)有兩種連接方式；
連接方式一如圖l.l，變?nèi)菅b置(1100)分別連接注氣裝置(2100)和注 液裝置(2200);巖芯夾持器(1200)分別連接注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300)、 真空抽取裝置(2400)和壓力計(jì)量裝置(1300);壓力計(jì)量裝置(1300)連接數(shù) 據(jù)采集處理裝置(1400);
連接方式二如圖1.2，變?nèi)菅b置(1100)分別連接注氣裝置(2100)、注 液裝置(2200)和真空抽取裝置(2400);巖芯夾持器(1200)分別連接注液裝 置(2200)、圍壓裝置(2300)和壓力計(jì)量裝置(1300);壓力計(jì)量裝置(1300) 連接數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)。
本發(fā)明的工作原理是
外圍裝置(2000)是建立起連接核心裝置(1000)的外圍輔助設(shè)備，通過施 加圍壓、注氣檢漏、抽取真空、注液加壓和釋放脈沖，做好測量準(zhǔn)備工作，然后 由核心裝置(1000)完成脈沖衰減、壓差-時(shí)間數(shù)據(jù)采集及處理等測量主要工作， 獲得最終測量結(jié)果。
本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)雙向測量，即壓力脈沖可從夾持器(1200)兩端中任意一端釋 放，可根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的具體情況來簡便操作，亦可提高測量的精度。
主要是設(shè)計(jì)被測試件(W)、變?nèi)菅b置(1100)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400) 之間的相互關(guān)系。變?nèi)菅b置(1100)可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，來改變其綜 合壓縮性(即容水量)的大小，關(guān)鍵是根據(jù)被測試件(W)，調(diào)節(jié)第l、 2變?nèi)萑?br> 器(llll、 1121)內(nèi)氣體體積的大小，達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)值進(jìn)行試驗(yàn)，再由數(shù)據(jù)采集 處理裝置(1400)自動生成被測試件(W)及系統(tǒng)各參數(shù)值。
本發(fā)明的核心裝置(1000)有以下特點(diǎn)
1、 設(shè)計(jì)精巧，結(jié)構(gòu)對稱，泄漏降到最低，誤差減到最小，如
(a) 利用高質(zhì)量鋼管、閥門、聯(lián)合接頭，獲得極低泄漏率、高穩(wěn)定性的極佳 效果；
(b) 采用結(jié)構(gòu)相同的第l、 2變?nèi)菅b置(1110、 1120)，對稱連接，保證了核 心裝置(1000)整體結(jié)構(gòu)的對稱性，以減小誤差；
(c) 利用彈性和密封性較好的天然膠乳材料制成的分隔膜來完成變?nèi)萑萜鲀?nèi) 氣液分隔的效果，自由改變氣液體積比，調(diào)節(jié)簡單，性能穩(wěn)定，效果好。
2、 自主設(shè)計(jì)變?nèi)菅b置(1100)，經(jīng)過嚴(yán)格推理計(jì)算，設(shè)計(jì)其尺寸、選材、加 工工藝以及裝配等，使其性能穩(wěn)定、效果可靠、操作方便，且保證了測量精度。
3、 自主設(shè)計(jì)優(yōu)化夾持器(1300)，將其改裝為己所用，確保試驗(yàn)的合理性， 盡可能多地減少誤差來源。
4、 所測量的壓力信號先經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(1410)采集成電壓信號，然后在終 端設(shè)備(1420)中進(jìn)行轉(zhuǎn)換成壓力信號，獲得壓差-時(shí)間曲線圖，再導(dǎo)入針對本 發(fā)明而編制的反分析計(jì)算軟件，自動生成本測量系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，即本系統(tǒng)所需 要的測量結(jié)果。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1、 由于是快速(小于30分鐘)、寬幅(6個(gè)量級)的室內(nèi)滲透系數(shù)測量系 統(tǒng)，本發(fā)明特別適用于測量在外力、溫度或化學(xué)作用下，其滲透系數(shù)大幅度變化 的材料?？焖贉y量可減少因長時(shí)間測量引起的系統(tǒng)泄漏或溫度波動引起的系統(tǒng)誤 差等；寬幅測量可擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，亦可減少試驗(yàn)過程中因需改換多套裝置而引 起的系統(tǒng)泄漏以及操作復(fù)雜等問題，亦可避免試驗(yàn)成本過于昂貴，因此本發(fā)明的 測量結(jié)果更精確，操作更方便，成本更低廉。
2、 整個(gè)系統(tǒng)中每一個(gè)裝置以及零部件的完美設(shè)計(jì)、精工制作、專業(yè)裝配等 特點(diǎn)，有利于減少誤差來源、降低誤差大小，以及對測量結(jié)果的高效處理，使得 本發(fā)明更具發(fā)展前途和其它潛在應(yīng)用前景。
3、 外圍裝置的部件均采用了市場成熟產(chǎn)品，且拆裝簡便、靈活。在其完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作之后，可拆卸作它用，降低成本，簡化系統(tǒng)，方便攜帶，為本發(fā)明 以后的自動化和市場化提供了有力的支持。
4、 本發(fā)明的測量精度和測程范圍，及其具有多種連接方式的結(jié)構(gòu)，已占據(jù) 國際同類產(chǎn)品的領(lǐng)先地位，更具有能夠?yàn)橛蜌馓锏拈_發(fā)、放射性物質(zhì)的地下處置 以及溫室氣體的地質(zhì)封存等工程的安全性評價(jià)和施工設(shè)計(jì)提供特殊測量手段和 便利服務(wù)。
5、 本發(fā)明開發(fā)出的大量程滲透儀已在試驗(yàn)室內(nèi)得到驗(yàn)證，為本發(fā)明的應(yīng)用
及推廣開辟了廣闊的天地。
總之，本發(fā)明因其成本低廉、操作簡單、測量速度快、測量范圍廣、且測量 精度高，使其具有重大的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用價(jià)值。
經(jīng)檢測，本發(fā)明具有以下基本性能指標(biāo)
1、 量程滲透系數(shù)1UD 1D;
2、 時(shí)間5 30分鐘；
3、 精度5%以內(nèi)。


圖1. 1是本發(fā)明連接方式一的結(jié)構(gòu)方框圖1. 2是本發(fā)明連接方式二的結(jié)構(gòu)方框圖2是變?nèi)菅b置結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的核心裝置結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明連接方式二的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
(圖中的實(shí)線代表管路，虛線代表電路。)
其中
IOOO—核心裝置， IIOO—變?nèi)菅b置，
1110—第1變?nèi)菅b置，
llll一第l變?nèi)萑萜鳎?112—第1分隔膜，1113—第1排液筒， 1120—第2變?nèi)菅b置，
1121—第2變?nèi)萑萜鳎?122—第2分隔膜，1123—第2排液筒；1200—夾持器；
1300—壓力計(jì)量裝置，
1310—差壓計(jì)，1321—第1壓力傳感器，1322—第2壓力傳感器； 1400—數(shù)據(jù)采集處理裝置，
1410—數(shù)據(jù)采集卡，1420—終端設(shè)備。 2000—外圍裝置，
2100—注氣裝置，2200—注液裝置，2300—圍壓裝置，2400—真空抽取裝置。 W—被測試件； F—閥門； P—壓力表。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在滲透系數(shù)1UD 1D的測量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速、寬幅的精確測量， 采用了綜合壓縮性可變的變?nèi)菅b置(1100)。
根據(jù)被測試件(W)滲透系數(shù)的不同，調(diào)節(jié)變?nèi)菅b置(1100)的綜合壓縮性， 確定合適的氣液體積比，用加壓和減壓功能靈活穩(wěn)定的試壓泵給系統(tǒng)施加初始基 壓和壓力脈沖，通過仔細(xì)、合理地加壓以達(dá)到所設(shè)計(jì)的壓力脈沖大小，使壓力計(jì) 量裝置(1300)采集到均衡可靠的電壓信號，再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理裝置(1400) 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，生成本發(fā)明及被測試件(W)的相關(guān)參數(shù)。數(shù)據(jù)采集卡輸出則 利用高頻來完成采集與壓差對應(yīng)的電壓信號，保證精確反映被測試件(W)兩端壓 差隨時(shí)間的變化規(guī)律，在終端設(shè)備上生成壓差-時(shí)間曲線圖，并嚴(yán)格記錄下各采 集時(shí)間點(diǎn)的壓力信號數(shù)據(jù)，獲得高準(zhǔn)確性、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果。視需要可接入 壓力傳感器記錄被測點(diǎn)各采集時(shí)刻的壓力值大小，以便生成更多試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)， 更加方便對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及討論。針對本發(fā)明編制的反分析計(jì)算軟件(另案申 請國家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，會對所測量的壓差-時(shí)間曲線 圖選擇合理的曲線段及配合誤差修正，確保試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對有關(guān)功能部件詳細(xì)說明
一、核心裝置(1000)
如圖l. 1、 1.2，核心裝置(1000)包括四個(gè)部分變?nèi)菅b置(1100)、夾持 器(1200)、壓力計(jì)量裝置(1300)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)。 1、變?nèi)菅b置(1100)
參見實(shí)用新型專利申請《基于流體綜合壓縮性可變的變?nèi)菟咳萜鳌?申請 人中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所；發(fā)明人李小春、王穎、魏寧；申請日 2007年10月18日,申請?zhí)?00720087599.2。)
如圖2，變?nèi)菅b置(1100)，自主設(shè)計(jì)、選材、定做、加工及裝配，使其綜 合壓縮性在一個(gè)寬幅范圍內(nèi)可以自由調(diào)節(jié)，以使第l、 2變?nèi)萑萜?1111、 1121) 內(nèi)流體綜合壓縮性達(dá)6個(gè)數(shù)量級。
變?nèi)菅b置(1100)包括結(jié)構(gòu)相同的第1變?nèi)菅b置(1110)和第2變?nèi)菅b置 (1120);
第1變?nèi)菅b置(1110)包括第1變?nèi)萑萜?1111)、第1分隔膜(1112)、第
1排液筒(1113);第1分隔膜(1112)夾在第1變?nèi)萑萜?1111)內(nèi)；第1排 液筒(1113)接收第l變?nèi)萑萜?1111)排出的液體；
變?nèi)菅b置(1100)連接注氣裝置(2100)和注液裝置(2200);
第l、 2變?nèi)萑萜?1111、 1121)內(nèi)分別通過第l、 2分隔膜(1112、 1122) 將氣液分隔開，第l、 2分隔膜(1112、 1122)可膨脹或收縮，以達(dá)到變?nèi)菽康模?且試驗(yàn)過程中，第l、 2分隔膜(1112、 1122)上下壓力保持平衡；
第l、 2分隔膜(1112、 1122)膨脹時(shí)，可分別將第l、 2變?nèi)萑萜?1111、 1121)內(nèi)液體排出，分別由第l、 2排液筒(1113、 1123)接收。
第l、 2變?nèi)萑萜?1111、 1121)內(nèi)流體綜合壓縮性的計(jì)量公式為-
& =(Cwx、+CrJ>;+Cg。/^ (1) ^=j>;+j/r+rg (2) 其中
c;一流體綜合壓縮系數(shù)；
C^一液體壓縮系數(shù)；
c,一分隔膜壓縮系數(shù)
Cg—?dú)怏w壓縮系數(shù)； R—容器體積；、一液體體積； ^一分隔膜體積；
^一氣體體積。
第l、 2變?nèi)萑萜?1111、 1121)體積己知，通過注氣排液，量測第l、 2排 液筒(1113、 1123)內(nèi)排出液體的質(zhì)量M一再按下列公式將Mw換算成注入氣
體的體積^即可
rg=Mw// w (3) 其中
^一第1、 2變?nèi)萑萜?1111、 1121)內(nèi)氣體體積； M,—第l、 2排液筒(1113、 1123)內(nèi)排出液體質(zhì)量； pw—液體密度。
2、 如圖3，壓力計(jì)量裝置(1300)包括差壓計(jì)(1310)和第l、 2壓力傳感 器(1321、 1322);
差壓計(jì)(1310)、第l、 2壓力傳感器(1321、 1322)為標(biāo)準(zhǔn)件，選用精度及采集 頻率較高的產(chǎn)品；系統(tǒng)中所用閥門(F)及壓力表(P)均為標(biāo)準(zhǔn)件；夾持器(1200) 為標(biāo)準(zhǔn)件改裝。
3、 核心裝置(1000)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄啟用了數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)， 所有的測試數(shù)據(jù)得以數(shù)字化，自行編制了專門用于變?nèi)輭毫γ}沖試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理 軟件。利用此反分析計(jì)算軟件來擬合試驗(yàn)所測得的壓差-時(shí)間曲線圖，自動生成 被測試件(W)及系統(tǒng)各相關(guān)參數(shù)值。
二、外圍裝置(2000)
1、 如圖l. 1、圖1.2，外圍裝置(2000)包括四個(gè)部分注氣裝置(2100)、 注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300)和真空抽取裝置(2400);外圍裝置(2000) 與核心裝置(1000)之間連接有兩種連接方式。
2、 如圖4，注氣裝置(2100)、注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300)、真空
抽取裝置(2400)均為標(biāo)準(zhǔn)件；
3、外圍裝置(2000)與核心裝置(1000)是分開工作的，時(shí)間上是前后工 作的；當(dāng)核心裝置(1000)開始試驗(yàn)時(shí)，外圍裝置(2000)可以全部拆卸下來， 用做它用，從而可以充分利用、節(jié)約成本。
權(quán)利要求
1、一種基于變?nèi)莸牟牧蠞B透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于由核心裝置(1000)和外圍裝置(2000)兩部分組成核心裝置(1000)，包括變?nèi)菅b置(1100)、巖芯夾持器(1200)、壓力計(jì)量裝置(1300)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)；外圍裝置(2000)包括注氣裝置(2100)、注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300)和真空抽取裝置(2400)；核心裝置(1000)與外圍裝置(2000)有兩種連接方式變?nèi)菅b置(1100)分別連接注氣裝置(2100)和注液裝置(2200)；巖芯夾持器(1200)分別連接注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300)、真空抽取裝置(2400)和壓力計(jì)量裝置(1300)；壓力計(jì)量裝置(1300)連接數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)；變?nèi)菅b置(1100)分別連接注氣裝置(2100)、注液裝置(2200)和真空抽取裝置(2400)；巖芯夾持器(1200)分別連接注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300)和壓力計(jì)量裝置(1300)；壓力計(jì)量裝置(1300)連接數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)。
2、 按權(quán)利要求1所述的基于變?nèi)莸牟牧蠞B透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于 變?nèi)菅b置(UOO)包括結(jié)構(gòu)相同的第1變?nèi)菅b置(1110)和第2變?nèi)菅b置(1120);第1變?nèi)菅b置(1110)包括第1變?nèi)萑萜?1111)、第1分隔膜(1112)、第1排液筒(1113);第1分隔膜(1112)夾在第1變?nèi)萑萜?1111)內(nèi)；第1排液筒(1113)接收第l變?nèi)萑萜?1111)排出的液體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于變?nèi)莸牟牧蠞B透系數(shù)測量系統(tǒng)，涉及一種材料滲透系數(shù)測量系統(tǒng)。本發(fā)明由核心裝置(1000)和外圍裝置(2000)兩部分組成核心裝置(1000)，包括變?nèi)菅b置(1100)、巖芯夾持器(1200)、壓力計(jì)量裝置(1300)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)；外圍裝置(2000)包括注氣裝置(2100)、注液裝置(2200)、圍壓裝置(2300)和真空抽取裝置(2400)。本發(fā)明因其成本低廉、操作簡單、測量速度快、測量范圍廣、且測量精度高，使其具有重大的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G01N7/00GK101196459SQ20071016908
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者李小春, 穎 王, 寧 魏 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所