專利名稱：一種基于變容的材料滲透系數(shù)測量儀器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種材料滲透系數(shù)測量儀器，尤其涉及一種快速、寬幅的基 于變容的材料滲透系數(shù)測量儀器。
背景技術：
天然巖石的滲透系數(shù)分布范圍超過10個數(shù)量級。特別是，由于近年來油氣
田的開發(fā)、放射性物質的地下處置以及溫室氣體的地質封存等工程的安全性評價 和施工設計，迫切需要測量與這些工程相關的材料在外力、溫度和化學作用下， 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
達好幾個數(shù)量級一一從小于1UD (達西)到1D。
目前，常用的各種滲透系數(shù)測量儀器所能測量的范圍一般在2 3個數(shù)量級； 國內外尚無采用變容壓力脈沖法測量滲透系數(shù)的儀器；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)和部分技術指標與本實用新型相當，但具體的儀器設計、求解方法和本實用新 型不一樣，且成本也非常昂貴。
發(fā)明內容
本實用新型的目的是為了滿足測量上述材料在外力、溫度或化學作用下，其 滲透系數(shù)大幅度變化的要求，提供一種基于變容的材料滲透系數(shù)測量儀器。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的 一、設計思路
1、 利用試壓泵，通過合理控制閥門和壓力表，獲得設計所需要的壓力脈沖。
2、 設計有綜合壓縮性可以改變的變容裝置，通過合理調節(jié)變容容器內氣液 體積比，從而獲得跨越六個數(shù)量級以上的綜合壓縮性。3、 設計有采集被測試件兩端的壓差-時間曲線的數(shù)據(jù)采集處理裝置。
4、 設計有針對本實用新型而編制的反分析計算軟件，擬和采集的壓差-時間 曲線圖，自動生成被測試件及儀器各參數(shù)值。(另案申請國家計算機軟件著作權 登記)
二、設計方案
如圖1.1、 1.2，本實用新型由核心裝置(1000)和外圍裝置(2000)兩部
分組成
核心裝置(1000)，包括變容裝置(1100)、巖芯夾持器(1200)、壓力計量 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，變容裝置(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)和壓力計量裝置(1300);壓力計量裝置(1300)連接數(shù) 據(jù)采集處理裝置(1400);
連接方式二如圖1.2，變容裝置(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)和壓力計量裝置(1300);壓力計量裝置(1300) 連接數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)。
本實用新型的工作原理是
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，做好測量準備工作，然后 由核心裝置(1000)完成脈沖衰減、壓差-時間數(shù)據(jù)采集及處理等測量主要工作， 獲得最終測量結果。
本實用新型可實現(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)試驗時的具體情況來簡便操作，亦可提高測量的精度。
主要是設計被測試件(W)、變容裝置(1100)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400) 之間的相互關系。變容裝置(1100)可在儀器設計范圍內自由調節(jié)，來改變其綜合壓縮性(即容水量)的大小，關鍵是根據(jù)被測試件(W)，調節(jié)第l、 2變容容 器(1111、 1121)內氣體體積的大小，達到試驗設計值進行試驗，再由數(shù)據(jù)采集 處理裝置(1400)自動生成被測試件(W)及儀器各參數(shù)值。 本實用新型的核心裝置(1000)有以下特點
1、 設計精巧，結構對稱，泄漏降到最低，誤差減到最小，如
(a) 利用高質量鋼管、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) 采用結構相同的第l、 2變容裝置(1110、 1120)，對稱連接，保證了核 心裝置(1000)整體結構的對稱性，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容容器內 氣液分隔的效果，自由改變氣液體積比，調節(jié)簡單，性能穩(wěn)定，效果好。
2、 自主設計變容裝置(1100)，經(jīng)過嚴格推理計算，設計其尺寸、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、 自主設計優(yōu)化夾持器(1300)，將其改裝為己所用，確保試驗的合理性， 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 端設備(1420)中進行轉換成壓力信號，獲得壓差-時間曲線圖，再導入針對本 實用新型而編制的反分析計算軟件，自動生成本測量儀器的相關參數(shù)，即本儀器 所需要的測量結果。
本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果-
1、 由于是快速(小于30分鐘)、寬幅(6個量級)的室內滲透系數(shù)測量儀 器，本實用新型特別適用于測量在外力、溫度或化學作用下，其滲透系數(shù)大幅度 變化的材料。快速測量可減少因長時間測量引起的儀器泄漏或溫度波動引起的系 統(tǒng)誤差等；寬幅測量可擴大其應用范圍，亦可減少試驗過程中因需改換多套裝置 而引起的系統(tǒng)泄漏以及操作復雜等問題，亦可避免試驗成本過于昂貴，因此本實 用新型的測量結果更精確，操作更方便，成本更低廉。
2、 整個儀器中每一個裝置以及零部件的完美設計、精工制作、專業(yè)裝配等 特點，有利于減少誤差來源、降低誤差大小，以及對測量結果的高效處理，使得 本實用新型更具發(fā)展前途和其它潛在應用前景。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 試驗準備工作之后，可拆卸作它用，降低成本，簡化儀器，方便攜帶，為本實用 新型以后的自動化和市場化提供了有力的支持。
4、 本實用新型的測量精度和測程范圍，及其具有多種連接方式的結構，已 占據(jù)國際同類產(chǎn)品的領先地位，更具有能夠為油氣田的開發(fā)、放射性物質的地下 處置以及溫室氣體的地質封存等工程的安全性評價和施工設計提供特殊測量手 段和便利服務。
5、 本實用新型開發(fā)出的大量程滲透儀己在試驗室內得到驗證，為本實用新 型的應用及推廣開辟了廣闊的天地。
總之，本實用新型因其成本低廉、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實驗和工程應用價值。 經(jīng)檢測，本實用新型具有以下基本性能指標
1、 量程滲透系數(shù)1UD 1D;
2、 時間5 30分鐘；
3、 精度5%以內。


圖1. 1是本實用新型連接方式一的結構方框圖1. 2是本實用新型連接方式二的結構方框圖2是變容裝置結構示意圖3是本實用新型的核心裝置結構示意圖4是本實用新型連接方式二的總體結構示意圖。
(圖中的實線代表管路，虛線代表電路。)
其中
IOOO—核心裝置，
IIOO—變容裝置，
1110—第1變容裝置，
llll一第l變容容器，1112—第1分隔膜，1113—第1排液筒， 1120—第2變容裝置，1121—第2變容容器，1122—第2分隔膜，1123—第2排液筒； 1200—夾持器； 1300—壓力計量裝置，
1310—差壓計，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。
具體實施方式
本實用新型在滲透系數(shù)1PD 1D的測量范圍內，實現(xiàn)快速、寬幅的精確測 量，采用了綜合壓縮性可變的變容裝置(1100)。
根據(jù)被測試件(W)滲透系數(shù)的不同，調節(jié)變容裝置(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)定的試壓泵給儀器施加初始基 壓和壓力脈沖，通過仔細、合理地加壓以達到所設計的壓力脈沖大小，使壓力計 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) 中進行轉換計算，生成本實用新型及被測試件(W)的相關參數(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的電壓信號，保證精確反映被測試件(W)兩 端壓差隨時間的變化規(guī)律，在終端設備上生成壓差-時間曲線圖，并嚴格記錄下 各采集時間點的壓力信號數(shù)據(jù)，獲得高準確性、高穩(wěn)定性的測量結果。視需要可 接入壓力傳感器記錄被測點各采集時刻的壓力值大小，以便生成更多試驗相關參 數(shù)，更加方便對試驗數(shù)據(jù)的處理及討論。針對本實用新型編制的反分析計算軟件 (另案申請國家計算機軟件著作權登記)進行數(shù)據(jù)處理時，會對所測量的壓差-時間曲線圖選擇合理的曲線段及配合誤差修正，確保試驗結果真實可靠。
以下結合附圖和實施例對有關功能部件詳細說明
一、核心裝置(1000)
如圖l. 1、 1.2，核心裝置(1000)包括四個部分變容裝置(1100)、夾持 器(1200)、壓力計量裝置(1300)和數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)。1、變容裝置(畫)
參見實用新型專利申請《基于流體綜合壓縮性可變的變容水量容器》(申請 人中國科學院武漢巖土力學研究所；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，變容裝置(1100)，自主設計、選材、定做、加工及裝配，使其綜 合壓縮性在一個寬幅范圍內可以自由調節(jié)，以使第l、 2變容容器(1111、 1121) 內流體綜合壓縮性達6個數(shù)量級。
變容裝置(1100)包括結構相同的第1變容裝置(1110)和第2變容裝置 (1120);
第1變容裝置(1110)包括第1變容容器(1111)、第1分隔膜(1112)、第
1排液筒(1113);第1分隔膜(1112)夾在第1變容容器(1111)內；第1排 液筒(1113)接收第l變容容器(1111)排出的液體；
變容裝置(1100)連接注氣裝置(2100)和注液裝置(2200);
第l、 2變容容器(1111、 1121)內分別通過第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，以達到變容目的， 且試驗過程中，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，可分別將第l、 2變容容器(1111、 1121)內液體排出，分別由第l、 2排液筒(1113、 1123)接收。
第l、 2變容容器(1111、 1121)內流體綜合壓縮性的計量公式為
Cf =(Cwx +Cr^+Cg。/J^ (1)
K《+K+J^ (2) 其中
C,一流體綜合壓縮系數(shù)；
(^一液體壓縮系數(shù)；
c,一分隔膜壓縮系數(shù)
Cg—氣體壓縮系數(shù)；^一容器體積； ^一液體體積； ^一分隔膜體積； ^一氣體體積。
第1、 2變容容器(1111、 1121)體積己知，通過注氣排液，量測第1、 2 排液筒(1113、 1123)內排出液體的質量M"再按下列公式將Mw換算成注入
氣體的體積J^即可
&=MW/VW (3)
其中
K一第l、 2變容容器(1111、 1121)內氣體體積； Mw—第l、 2排液筒(1113、 1123)內排出液體質量； pw —液體密度。
2、 如圖3，壓力計量裝置(1300)包括差壓計(1310)和第l、 2壓力傳感 器(1321、 1322);
差壓計(1310)、第l、 2壓力傳感器(1321、 1322)為標準件，選用精度及采集 頻率較高的產(chǎn)品；儀器中所用閥門(F)及壓力表(P)均為標準件；夾持器(1200) 為標準件改裝。
3、 核心裝置(1000)，試驗數(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容壓力脈沖試驗的數(shù)據(jù)處理 軟件。利用此反分析計算軟件來擬合試驗所測得的壓差-時間曲線圖，自動生成 被測試件(W)及儀器各相關參數(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)均為標準件；3、 外圍裝置(2000)與核心裝置(1000)是分開工作的，時間上是前后工作的；當核 心裝置(1000)開始試驗時，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。
權利要求1、一種基于變容的材料滲透系數(shù)測量儀器，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)，包括變容裝置(1100)、巖芯夾持器(1200)、壓力計量裝置(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)有兩種連接方式變容裝置(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)和壓力計量裝置(1300)；壓力計量裝置(1300)連接數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)；變容裝置(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)和壓力計量裝置(1300)；壓力計量裝置(1300)連接數(shù)據(jù)采集處理裝置(1400)。
2、 按權利要求1所述的基于變容的材料滲透系數(shù)測量儀器，其特征在于 變容裝置(1100)包括結構相同的第1變容裝置(1110)和第2變容裝置(1120);第1變容裝置(1110)包括第1變容容器(1111)、第1分隔膜(1112)、第1排液筒(1113);第1分隔膜(1112)夾在第1變容容器(1111)內；第1排 液筒(1113)接收第l變容容器(1111)排出的液體。
專利摘要本實用新型公開了一種基于變容的材料滲透系數(shù)測量儀器，涉及一種材料滲透系數(shù)測量儀器。本實用新型由核心裝置(1000)和外圍裝置(2000)兩部分組成核心裝置(1000)，包括變容裝置(1100)、巖芯夾持器(1200)、壓力計量裝置(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)。本實用新型因其成本低廉、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實驗和工程應用價值。
文檔編號G01N7/00GK201133888SQ20072030051
公開日2008年10月15日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權日2007年12月28日
發(fā)明者李小春, 穎 王, 寧 魏 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所