一种冻土样品的制备和测量装置及其方法与流程

本发明涉及冻土层研究技术领域，特别是涉及一种冻土样品的制备和测量装置及其方法。

背景技术：

冻土层的热学、渗透参数是评价冻土区天热气水合物成藏的关键参数。但是现场直接取得样品并进行测量十分困难，尤其对于青藏高原等高海拔极寒地带而言，海拔越高取样的难度越大，费时费力，成本很高，而且对冻土样品的保存困难，容易使测量结果存在较大的误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种冻土样品的制备和测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，使得该装置能够在室内制备冻土样品，还能够测量冻土样品的热学、渗透参数，避免了现场取样并进行测量的复杂过程，省时省力，降低成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种冻土样品的制备和测量装置，包括冻土样品制备单元、渗透参数测量单元、热学参数测量单元及电源，所述冻土样品制备单元包括样品筒、压力室及控温室，样品用于放置于所述样品筒内，所述样品筒位于所述压力室内的中间处，所述压力室设置于所述控温室内，所述样品筒和压力室之间构成围压加载腔，所述围压加载腔与恒速恒压泵连接；所述渗透参数测量单元包括进气口、出气口、气体流量计及压力传感器，所述进气口、出气口分别与所述压力室的进口、出口连通，所述进气口和出气口处均设置有所述气体流量计和压力传感器；所述热学参数测量单元包括加热器、温度传感器及温压传感器，所述加热器和温度传感器分别设置于所述样品筒内的前端和末端，所述温压传感器沿所述样品的长度分布；所述控温室的内侧壁上均布有多个帕尔贴，所述气体流量计、压力传感器、加热器、控温器、温度传感器、温压传感器、恒速恒压泵及帕尔贴均与所述电源连接。

可选的，所述围压加载腔内用于盛放防冻液体。

可选的，所述样品筒采用具有隔热效果的橡胶材料。

可选的，所述控温室为所述冻土样品的制备和测量装置的外围。

可选的，所述温度传感器在所述样品的端部截面呈环状分布，所述加热器是环状绕丝。

一种冻土样品的制备和测量方法，应用于上述的冻土样品的制备和测量装置，其特征在于：

包括以下步骤：

(1)制备样品

将样品沿样品筒内侧壁放置，并布置加热器和温度传感器，在围压加载腔内注入防冻液体，打开电源，利用恒速恒压泵加载围压，并通过控温室内侧壁上的帕尔贴对所述样品进行降温，持续工作1-2天，并记录温度数据；

(2)测量渗透参数

将与步骤(1)中温度相等的冷冻气体以指定压力从进气口注入样品筒内的样品上，通过压力传感器测量气体压力，从而及时进行压力调整，记录进出气口的压力和流量参数，同时观察温压传感器，获得压力扩展前锋数据，从而根据达西定律计算渗透率；

(3)测量热学参数

停止围压加载并抽空所述围压加载腔内的防冻液体，使所述样品隔热，然后开启加热器，控制加热温度高于所述样品温度且低于0℃，保证所述样品中的冰不受扰动，记录所述温度传感器的温度，同时观测温压传感器，获得温度扩展前锋数据，从而根据傅里叶热传导定律计算热传导系数和热扩散系数。

可选的，步骤(2)中的指定压力小于等于围压。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中冻土样品制备单元的设置，能够实现在室内制备冻土样品，避免了高海拔极寒地区取样的复杂过程，而且还不存在难以保存等问题；渗透参数测量单元及热学参数测量单元的设置，使得该装置能够分别进行测量冻土样品的热学、渗透参数，避免了现场取样并进行测量的复杂过程，省时省力，降低成本；其中控温室内设置的帕尔贴，即为半导体制冷片，其制冷速度快，且可制冷的温度较低，能够实现极寒地区冻土样品的制备，提高实验装置的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中冻土样品的制备和测量装置的整体结构示意图；

其中，1 帕尔贴；2 控温室；3 进气口；4 压力传感器；5 气体流量计；6 温压传感器；7 样品；8 温度传感器；9 出气口；10 压力室；11 样品筒；12 加热器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种冻土样品的制备和测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，使得该装置能够在室内制备冻土样品，还能够测量冻土样品的热学、渗透参数，避免了现场取样并进行测量的复杂过程，省时省力，降低成本。

该冻土样品的制备和测量装置包括冻土样品制备单元、渗透参数测量单元、热学参数测量单元及电源，冻土样品制备单元包括样品筒、压力室及控温室，样品用于放置于样品筒内，样品筒位于压力室内的中间处，压力室设置于控温室内，样品筒和压力室之间构成围压加载腔，围压加载腔与恒速恒压泵连接；渗透参数测量单元包括进气口、出气口、气体流量计及压力传感器，进气口、出气口分别与压力室的进口、出口连通，进气口和出气口处均设置有气体流量计和压力传感器；热学参数测量单元包括加热器、温度传感器及温压传感器，加热器和温度传感器分别设置于样品筒内的前端和末端，温压传感器沿样品的长度分布；控温室的内侧壁上均布有多个帕尔贴，气体流量计、压力传感器、加热器、控温器、温度传感器、温压传感器、恒速恒压泵及帕尔贴均与电源连接。

将样品沿样品筒内侧壁放置，并布置加热器和温度传感器，打开电源，利用恒速恒压泵与围压加载腔连接进行围压加载，并通过控温室内侧壁上的帕尔贴对所述样品进行降温，持续工作1-2天，并记录温度数据；

将与上述步骤中温度相等的冷冻气体以指定压力从进气口注入样品筒内的样品上，通过压力传感器测量气体压力，从而及时进行压力调整，记录进出气口的压力和流量参数，同时观察温压传感器，获得压力扩展前锋数据，从而根据达西定律计算渗透率；

停止围压加载，使所述样品隔热，然后开启加热器，控制加热温度高于所述样品温度且低于0℃，保证所述样品中的冰不受扰动，记录所述温度传感器的温度，同时观测温压传感器，获得温度扩展前锋数据，从而根据傅里叶热传导定律计算热传导系数和热扩散系数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种冻土样品的制备和测量装置，包括冻土样品制备单元、渗透参数测量单元、热学参数测量单元及电源，冻土样品制备单元包括样品筒11、压力室10及控温室2，样品7用于放置于样品筒11内，样品筒11位于压力室10内的中间处，压力室10设置于控温室2内，样品筒11和压力室10之间构成围压加载腔，围压加载腔与恒速恒压泵连接；渗透参数测量单元包括进气口3、出气口9、气体流量计5及压力传感器4，进气口3、出气口9分别与压力室10的进口、出口连通，进气口3和出气口9处均设置有气体流量计5和压力传感器4；热学参数测量单元包括加热器12、温度传感器8及温压传感器6，加热器12和温度传感器8分别设置于样品筒11内的前端和末端，温压传感器6沿样品7的长度分布；控温室2的内侧壁上均布有多个帕尔贴1，气体流量计5、压力传感器4、加热器12、控温器、温度传感器8、温压传感器6、恒速恒压泵及帕尔贴1均与电源连接。

其中，压力室10可承受最大压力为20MPa，作为冻土样品7合成的空间，可制备最大冻土样品7的长度为100cm、直径4cm，并可根据需要调整样品7的长度。控温室2为冻土样品的制备和测量装置的外围，设置于控温室2内侧壁上的帕尔贴1即为半导体制冷片，由于制冷速度快，且可制冷的温度较低，能够实现极寒地区冻土样品的制备，提高实验装置的适用范围

围压加载腔内用于盛放防冻液体。

样品筒11采用具有隔热效果的橡胶材料，用于隔离围压加载腔中的防冻液体与样品7，且有效加载围压。

温度传感器8在样品的端部截面呈环状分布，加热器12是环状绕丝；温度传感器8在样品7端部截面环状分布，用以检测截面温度分布的不均匀性，加热器12采用环状绕丝形式，保证样品7截面的温度相等。

本发明还提供一种冻土样品的制备和测量方法，针对上述的冻土样品的制备和测量装置，包括以下步骤：

(1)制备样品

将样品7沿样品筒11内侧壁放置，并布置加热器12和温度传感器8，在围压加载腔内注入防冻液体，打开电源，利用恒速恒压泵加载围压，并通过控温室2内侧壁上的帕尔贴1对样品进行降温，持续工作1-2天，并记录温度数据；

(2)测量渗透参数

将与步骤(1)中温度相等的冷冻气体以指定压力从进气口3注入样品筒11内的样品7上，该指定压力小于等于围压；通过压力传感器4测量气体压力，从而及时进行压力调整，记录进出气口9的压力和流量参数，同时观察温压传感器6，获得压力扩展前锋数据，从而根据达西定律计算渗透率；

(3)测量热学参数

停止围压加载并抽空围压加载腔内的防冻液体，使样品7隔热，然后开启加热器12，控制加热温度高于样品7温度且低于0℃，保证样品7中的冰不受扰动，记录温度传感器8的温度，同时观测温压传感器6，获得温度扩展前锋数据，从而根据傅里叶热传导定律计算热传导系数和热扩散系数。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。