具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统及标定方法

1.本发明属于环境岩土工程技术领域，特别涉及具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统及标定方法。


背景技术：

2.有机污染土的热蒸驱替过程中，土体会在蒸汽作用下产生热湿固结从而产生土压力的变化。同时，随着热蒸过程的进行，土中的液相和有机物会产生气化，造成土中的孔隙水气压力的变化。在土压、孔压和高温的多重作用下，土中的待相变物质会存在临界状态，极大制约了有机污染土热蒸驱替机理的揭示。因此，有必要提供可靠的土压力和孔隙压力测试技术，以实现高温状态下土压力和土中孔隙压力的测量。常规的应变式传感器是将应变元件粘贴在膜片上，利用膜片的微变形和电信号之间的标定关系来确定土压力或者孔隙水压力。高温作用下，应变元件、膜片和传感器整体都承受着热变形的影响，再加之荷载作用下膜片的微变形；因而，高温作用下膜片的微变形无法区分是由温度引起还是荷载引起，也就无法通过微变形信号确定土压力或者孔隙水压力。同时，现有的耐高温力传感器测定的是荷载数值(kn)，而土的压力和孔隙压力是压强数值(kpa)，将荷载数值按照受力面积进行转化无法满足土体代表体元尺寸的要求。此外，部分具有温度补偿功能的压力传感器通过测量固体膜片的温度，用测定温度下的热应力读数值来消除热压力的影响，然而固体膜片内侧的空气热效应显著影响了温度测读准确性，特别是当传感器受力侧和非受力侧接触不同温度差时，其测试读数将会受到较大影响。一些带有散热模组的耐高温传感器仅仅解决了高温对传感器信号模块的影响，无法克服散热引起的受力侧和非受力侧的温度差对耐高温传感器测试结果的影响。
3.也即，在有机污染土热蒸驱替试验探究中，现有技术通过应变式传感器是将应变元件粘贴在膜片上，利用膜片的微变形和电信号之间的标定关系来确定土压力或者孔隙水压力，该方式会导致最终的温度数值测读不准确的技术弊端；
4.可见，对于有机污染土热蒸驱替试验探究技术而言，当传感器受力侧和非受力侧接触不同温度差时，如何克服散热引起的受力侧和非受力侧的温度差对耐高温传感器测试结果的影响，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供的一种具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统，以至少解决上述技术问题；
6.为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统，包括高温土压力传感器、高温土中孔隙压力传感器、耐温变送器、传感器标定系统；所述高温土压力传感器包括：弹性膜片组块、导压腔体、耐温变送器；所述弹性膜片组块为一体成型的圆形盖，其承载顶面为高弹性膜片，内侧设置有细牙螺纹；导压腔体由前端的外螺纹、安装螺纹和安装螺母头组成，导压腔体的中端设置有个内外贯通的螺纹孔道便
于在导压腔体内灌注耐温流体，所述个内外贯通的螺纹孔道分别用测温探头和堵头密封，导压腔体的尾端设置有耐温变送器螺纹孔位；所述导压腔体内部的导流舱与中端上部的2个螺纹孔道、尾端的螺纹孔位相连通；所述耐温变送器的上部设置有一个测温探头；将弹性膜片组块内侧的细牙螺纹与导压腔体前端的外螺纹相连接，将导压腔体尾端的螺纹孔位与耐温变送器相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道灌入导流舱中直至耐温流体从另一螺纹孔道流出；将测温探头拧入螺纹孔道并拧紧，将堵头拧入另一螺纹孔道并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头后从耐温流体内取出；所述高温土中孔隙压力传感器包括：孔压弹性膜片组块、导压腔体、耐温变送器；所述孔压弹性膜片组块的内侧设置有细牙螺纹，外侧设置有透水板安装位，且透水板安装位下方设置有高弹性膜片；所述透水板安装在透水板安装位上且保持透水板与高弹性膜片之间预留高度为1mm～2mm的孔隙；将孔压弹性膜片组块与导压腔体前端的外螺纹相连接，将导压腔体尾端的螺纹孔位与耐温变送器相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道灌入导压腔体的导流舱中直至耐温流体从另一螺纹孔道流出；将测温探头拧入螺纹孔道并拧紧，将堵头拧入另一螺纹孔道并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土中孔隙压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头后从耐温流体内取出；所述传感器标定系统包括：温压控制箱、对流散热控制箱、伺服压力发生器、恒温循环水浴、送风控温系统、回风控温系统和信号采集系统；所述温压控制箱和对流散热控制箱的外部设置有保温板，温压控制箱和对流散热控制箱通过安装螺纹孔相联通；所述温压控制箱内部设置有循环盘管并填充有耐温流体；所述温压控制箱的上部设置有快插接头口和排液口，以便于耐温流体通过快插接头口和排液口的循环装满温压控制箱；所述对流散热控制箱内上部和下部分别设置有控温送风口和回风口，其中控温送风口与外部的送风控温系统相连接，回风口与外部的回风控温系统相连接；所述耐温变送器和个测温探头的数据线通过对流散热控制箱箱体门的出线密封口与信号采集系统相连接；高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的安装螺纹与安装螺纹孔相连接，控制伺服压力发生器将耐温流体通过快插接头口灌入温压控制箱直至排液口连续排出耐温流体时关闭排液口，以关闭对流散热控制箱的箱体门。
7.第二方面，本发明提供了一种温度补偿功能的高温土压力传感器标定系统的标定方法，所述方法应用于上述具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统的标定系统，所述方法包括以下步骤：1)组装上述传感器标定系统；2)通过恒温循环水浴和循环盘管控制温压控制箱内的耐温流体温度ti，通过伺服压力发生器控制耐温流体的压力pj，通过送风控温系统和回风控温系统分别连接的控温送风口和回风口控制对流散热控制箱内的温度tk和对流散热量hn；3)待步骤2)的控制的ti、pj、tk、hn稳定后，记录传感器标定系统(5)所连接的高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的温度数值t
t
、to和信号数值sg；4)重复步骤2)、3)操作流程，开展不同ti、pj、tk、hn条件下的t
t
、to、sg的数值标定，并依据确定的ti、pj、tk、hn和读取的t
t
、to、sg，绘制步骤1)中所安装高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的标定信号表；5)依据步骤4)确定的标定信号表可确定该传感器在不同ti、pj、tk、hn的t
t
、to、sg数值，传感器使用过程中通过测定的t
t
、to、sg数值查询标定信号表即可确定土压力和土中的孔隙压力pj；依据公式(1)来进行土压力和土中孔隙压力的温度补偿，公式(1)为：
[0008][0009]
式(1)中，d
t1
、d
t2
分别为t1、t2温度下高弹性膜片和耐高温变送器膜片的弯曲刚度；b、c分别为常数参数；r1—高弹性膜片半径；r2—耐高温变送器膜片半径；p0为定温度下无压荷载时的采集应力；pc为定温度下有压荷载时的采集应力；ps为土压力或土中孔隙压力。
[0010]
有益效果：本发明提出了一种具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统及标定方法，采用三个测试仪器能够完整确定堆填场土工结构测点位置的三维应力状态、三维有效应力状态、三维位移状态、温度、含水率、电导率、ph值，基于不同测点的测试值能够提供用于堆填场土工结构稳定分析、瞬态变形分析、累计变形分析、温度场和水分场分析的数值，为堆填场土工结构的安全评价提供便利。
附图说明
[0011]
为了更清楚地说明本说明书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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]
图1为本发明的高温土压力传感器示意图；
[0013]
图2为本发明的高温土中孔隙压力传感器示意图；图3为本发明涉及的传感器标定系统示意图。
[0014]
附图标记说明：
[0015]
1.弹性膜片组块；
[0016]
2.导压腔体；
[0017]
3.耐温变送器；
[0018]
4.孔压弹性膜片组块；
[0019]
5.传感器标定系统；
[0020]
11.高弹性膜片；
[0021]
12.细牙螺纹；
[0022]
20.安装螺纹；
[0023]
21.外螺纹；
[0024]
22.安装螺母头；
[0025]
23.导流舱；
[0026]
24.螺纹孔道；
[0027]
25.螺纹孔位；
[0028]
26.测温探头；
[0029]
27.堵头；
[0030]
41.透水板安装位；
[0031]
42.透水板；
[0032]
50.保温板
[0033]
51.温压控制箱；
[0034]
52.对流散热控制箱；
[0035]
53.安装螺纹孔；
[0036]
54.快插接头口；
[0037]
55.伺服压力发生器；
[0038]
56.循环盘管；
[0039]
57.恒温循环水浴；
[0040]
58.控温送风口；
[0041]
59.送风控温系统；
[0042]
510.回风口；
[0043]
511.回风控温系统；
[0044]
512.箱体门
[0045]
513.出线密封口；
[0046]
514.信号采集系统；
[0047]
541.排液口。
具体实施方式
[0048]
下面将结合附图，对本发明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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
[0050]
实施例一：
[0051]
如图1-3所示，本实施例一提供了一种具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统的原理是：通过优化传感器受热和受力结构，依据监测温度、压力和压力差和信号读数之间的关系构建标定系数表，进而利用试验中的温度、温度场和信号读数确定土压力或土中孔隙压力。
[0052]
具体来说，本发明的一种具有温度补偿功能的高温土压力传感器系统，如图1、图2、图3所示。具体包括：包括高温土压力传感器、高温土中孔隙压力传感器、耐温变送器3、传感器标定系统5组成；高温土压力传感器包括：弹性膜片组块1、导压腔体2、耐温变送器3；弹性膜片组块1为一体成型的圆形盖，其承载顶面为高弹性膜片11，内侧设置有细牙螺纹12；导压腔体2由前端的外螺纹21、安装螺纹20和安装螺母头22组成，导压腔体2的中端设置有2个内外贯通的螺纹孔道24便于在导压腔体2内灌注耐温流体，2个内外贯通的螺纹孔道24分别用测温探头26和堵头27密封，导压腔体2的尾端设置有耐温变送器3螺纹孔位25；导压腔体2内部的导流舱23与中端上部的2个螺纹孔道24、尾端的螺纹孔位25相连通；耐温变送器3
的上部设置有一个测温探头26；将弹性膜片组块1内侧的细牙螺纹12与导压腔体2前端的外螺纹21相连接，将导压腔体2尾端的螺纹孔位25与耐温变送器3相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道24灌入导流舱23中直至耐温流体从另一螺纹孔道24流出；将测温探头26拧入螺纹孔道24并拧紧，将堵头27拧入另一螺纹孔道24并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头27后从耐温流体内取出，即形成的高温土压力传感器；
[0053]
高温土中孔隙压力传感器包括：孔压弹性膜片组块4、导压腔体2、耐温变送器3；孔压弹性膜片组块4的内侧设置有细牙螺纹12，外侧设置有透水板安装位41且透水板安装位下方设置有高弹性膜片11；将透水板42安装在透水板安装位41上且保持透水板42与高弹性膜片11之间预留高度为1mm～2mm的孔隙；将孔压弹性膜片组块4与导压腔体2前端的外螺纹21相连接，将导压腔体2尾端的螺纹孔位25与耐温变送器3相连接；将耐温流体通过一个螺纹孔道24灌入导压腔体2的导流舱23中直至耐温流体从另一螺纹孔道24流出；将测温探头26拧入螺纹孔道24并拧紧，将堵头27拧入另一螺纹孔道24并预留2～3丝的待拧紧空间，随后将该待完成的高温土中孔隙压力传感器沉入耐温流体内并拧紧堵头27后从耐温流体内取出，即形成的高温土压力传感器；
[0054]
传感器标定系统5包括：温压控制箱51、对流散热控制箱52、伺服压力发生器55、恒温循环水浴57、送风控温系统59、回风控温系统511和信号采集系统514；温压控制箱51和对流散热控制箱52的外部设置有保温板50，温压控制箱51和对流散热控制箱52通过安装螺纹孔53相联通；温压控制箱51内部设置有循环盘管56并填充有耐温流体；温压控制箱51的上部设置有快插接头口54和排液口541，以便于耐温流体通过快插接头口54和排液口541的循环装满温压控制箱51；对流散热控制箱52内上部和下部分别设置有控温送风口58和回风口510，其中控温送风口58与外部的送风控温系统59相连接，回风口510与外部的回风控温系统511相连接；耐温变送器3和2个测温探头26的数据线通过对流散热控制箱52箱体门512的出线密封口513与信号采集系统514相连接；将高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的安装螺纹20与安装螺纹孔53相连接，控制伺服压力发生器55将耐温流体通过快插接头口54灌入温压控制箱51直至排液口541连续排出耐温流体时关闭排液口541；关闭对流散热控制箱52的箱体门512；即形成的传感器标定系统5。
[0055]
实施例二：
[0056]
本发明的实施例二提出了该方法包括以下步骤：
[0057]
1)组装所述的传感器标定系统5；
[0058]
2)通过恒温循环水浴57和循环盘管56控制温压控制箱51内的耐温流体温度ti，通过伺服压力发生器55控制耐温流体的压力pj，通过送风控温系统59和回风控温系统511分别连接的控温送风口58和回风口510控制对流散热控制箱52内的温度tk和对流散热量hn；
[0059]
3)待步骤2)的控制的ti、pj、tk、hn稳定后，记录传感器标定系统5所连接的高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的温度数值t
t
、to和信号数值sg；
[0060]
4)重复步骤2)、3)操作流程，开展不同ti、pj、tk、hn条件下的t
t
、to、sg的数值标定，并依据确定的ti、pj、tk、hn和读取的t
t
、to、sg，绘制步骤1)中所安装高温土压力传感器或高温土中孔隙压力传感器的标定信号表；
[0061]
5)依据步骤4)确定的标定信号表可确定该传感器在不同ti、pj、tk、hn的t
t
、to、sg数
值，传感器使用过程中通过测定的t
t
、to、sg数值查询标定信号表即可确定土压力和土中的孔隙压力pj；
[0062]
另一种实施方法是：
[0063]
依据公式(1)来进行土压力和土中孔隙压力的温度补偿，公式(1)为：
[0064][0065]
式(1)中，d
t1
、d
t2
分别为定温度下高弹性膜片11和耐高温变送器3膜片的弯曲刚度；b、c分别为常数参数；r1为高弹性膜片11半径；r2为耐高温变送器3膜片半径；p0为定温度下无压荷载时的采集应力；pc为定温度下有压荷载时的采集应力；ps为土压力或土中孔隙压力。
[0066]
公式(1)的技术原理推导如下：
[0067]
基于传感器一体化的构造形式，考虑耐温流体热膨胀与可压缩以及高弹性膜片11和耐温变送器3膜片弯曲刚度随温度变化两种形式导致的电信号误差。耐温流体的热膨胀与压缩控制方程采用tiat方程，即：
[0068][0069]
其中，pc为定温度下有压荷载时的采集应力；p0为定温度下无土压荷载时的采集应力；b、c为定温度下的常数参数；dv为定温度下耐温流体饱和体积变化量。
[0070]
高弹性膜片11或耐温变送器3膜片均会受压产生变形，膜片的径向挠度变形为：
[0071][0072]
其中，p为高弹性膜片11或耐温变送器3膜片受到的轴向应力；d为高弹性膜片11和耐温变送器3膜片的弯曲刚度；r为高弹性膜片11或耐温变送器3膜片的总半径；r为挠度变形量处高弹性膜片11或耐温变送器3膜片的半径。
[0073]
温度会引起材料的泊松比和模量变化，特定温度下会具有相应的弯曲刚度d
t
；对式(3)沿半径积分，可得膜片变形的包络体积为：
[0074][0075]
特定温度下导压腔体2的总体积变化量为高弹性膜片11或耐温变送器3膜片的变形包络体积之和，即dv＝dv1+dv2；由式(4)可知，dv1和dv2分别为：
[0076][0077][0078]
其中，dv1为高弹性膜片11变形包络体积；dv2为耐温变送器3膜片变形包络体积；dt1
、d
t2
分别为定温度下高弹性膜片11和耐高温变送器3膜片的弯曲刚度；r1为高弹性膜片11半径；r2为耐高温变送器3膜片半径；p0为定温度下无压荷载时的采集应力；pc为定温度下有压荷载时的采集应力；ps为土压力或土中孔隙压力；
[0079]
将式(5)、(6)同时代入到式(2)，得出定温度下土压力或土中孔隙压力与信号数值的关系式，公式如下：
[0080][0081]
此外传感器也存在热对流的影响，进而可将公式(7)表示为：
[0082][0083]
此时，温度补偿范围囊括了随温度变化时耐温流体热膨胀与可压缩、金属膜片弯曲刚度、外环境热对流三种误差。
[0084]
总地来说，本实施例二的技术方案具有以下技术效果：1、提供的土压力和土中孔隙压力传感器能够分离温度及温度差产生的热应力对测试结果的影响；2、提供的导压腔体减小了气体传热较慢给温度应力补偿带来的误差；3、提供的标定装置量化了温度和温度差对传感器散热引起的不确定误差。
[0085]
由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
[0086]
最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
[0087]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。