一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置及方法与流程

本发明创造属于冰层厚度测量技术领域，尤其涉及一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置及方法。

背景技术：

冰冻是寒区普遍存在的自然现象，其中，河冰在全球气候系统中扮演着重要角色，极地海冰是全球气候变化的指示剂。冰层厚度是冰科学和冰工程研究中最关键的物理指标之一，是描述河冰、海冰、水库冰状态的基本参数，也是冰冻对水工建筑物作用力的关键指标之一。

一直以来，冰厚都被普遍认为是海冰或淡水冰最难检测的物理指标，人工钻孔测量是测量冰厚最普遍的检测手段。该方法需要在冰面钻孔并用直尺测量，不宜观察到冰层底面交汇位置，误差较大，此外，其低效能难以满足定点冰厚连续检测的需要。

目前国内外已经发展了多种自动化冰厚观测技术，系泊声呐和超声探测技术的应用实现了定点冰厚变化的自动化监测，但其测量精度易受监测环境和冰水物理性质的影响，此外，声呐和超声探测技术一次性投入较大，大范围布设冰厚观测装置受观测经费制约，限制了冰工程向精细化发展。

技术实现要素：

本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，设计一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置及方法，利用水体液固相变所产生的体积变化来实时反应观测点处冰层冻结厚度，本发明结构简单，在极寒环境下工作性能稳定可靠，操作简易方便，安装后可在不破坏冰层前提下进行冰层厚度连续观测，实现了节省人工、降低劳动强度的目的。

本发明创造的技术方案是这样实现的：一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置由有机玻璃管2与钢管1通过防水螺纹连接6固装；所述有机玻璃管2外固装有保护套筒8，在有机玻璃管2上安装有可折叠的三脚架5，有机玻璃管2上刻印有刻度尺3；所述刻度尺3的零刻度与钢管1末端的外表面平齐；在有机玻璃管2顶端安装有可翻转的顶盖4；所述钢管1的末端固装有球阀7，钢管1的半径大于有机玻璃管2的半径，且在钢管1及有机玻璃管2中需注入油液及测量地点的水体。保护套筒8由形变层11、抗浮层10及保温层9构成；所述形变层11在极寒环境下不失弹性，抗浮层10为高密度材料制成。

一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置的测量方法，包括如下步骤：

s1：在冰面冻结约10cm时，在监测点冰面凿出工作洞，打开球阀7将上述装置垂直放入水中，水体通过球阀7进入钢管1，待流入管内水体液面稳定不变后，通过顶盖4向有机玻璃管2注入一定体积的油液，待油液液面稳定不再下降后，关闭球阀7，记下此时油液液面在刻度尺3处的数值，记为h初；

s2：使得钢管1末端接触冰层底部，固定三脚架5并读取冰层上表面在刻度尺3上的数值，记为l冰初；

s3：测量冰层厚度时，读取实时油液液面在刻度尺3处的数值，记为h末，则该时刻的冰层厚度h为：

其中，r为有机玻璃管半径；r为钢管半径。

本发明创造结构新颖、合理、简单，在固定监测站点方便周期性观测所需，避免了长期监测中多次开凿冰孔所带来人力和资源的浪费，达到了安装拆卸操作简易方便，节省操作人员，劳动强度低，作业运行稳定可靠的效果。此外，该设备应用水体液固相变体积变化所引起的液位差来测定冰厚，精度可达毫米级，可以满足科研和工程所需。

附图说明

图1是一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置结构示意图；

图2是保护套筒结构剖视图。

图中件号说明：

1、钢管、2、有机玻璃管、3、刻度尺、4、顶盖、5、三脚架、6、防水螺纹连接、7、球阀、8、保护套筒、9、保温层、10、抗浮层、11、形变层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置由有机玻璃管2与钢管1通过防水螺纹连接6固装；所述有机玻璃管2外固装有保护套筒8，在有机玻璃管2上安装有可折叠的三脚架5，有机玻璃管2上刻印有刻度尺3；所述刻度尺3的零刻度与钢管1末端的外表面平齐；在有机玻璃管2顶端安装有可翻转的顶盖4；所述钢管1的末端固装有球阀7，钢管1的半径大于有机玻璃管2的半径，且在钢管1及有机玻璃管2中需注入油液及测量地点的水体。保护套筒8由形变层11、抗浮层10及保温层9构成；所述形变层11在极寒环境下不失弹性，抗浮层10为高密度材料制成。

在作业使用时，在冰面上开凿工作洞后，开打球阀7，将上述装置放入水中，水体通过球阀7进入钢管1，待水体液面在有机玻璃管2中稳定后，通过顶盖4向有机玻璃管2中注入定量油液，在油液重力作用下，钢管1中的水从球阀7出排出，待有机玻璃管2处的油液液面稳定后，记录此刻油液液面在刻度尺3的读数，记为h初。关闭球阀7，将钢管1末端紧贴冰面下层，此时，撑开三脚架5固定支撑，并记录冰面上层在刻度尺3上的读数，记为l冰初。随着水体的向下冻结，在钢管1良好的热传导效应下，钢管1内的水体与外侧水体保持相同速度向下冻结，由此保证钢管1内外水体的冻结厚度相同。钢管1内的水体冻结，体积膨胀，迫使油液受压，油液液面沿着有机玻璃管2上升。此后，每当需要观测冰厚时，读取油液液面在刻度尺3处的读数即可，记为h末，则该时刻的冰层厚度h为：

其中，r为有机玻璃管半径；r为钢管半径。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于水体液固相变体积变化原理的冰厚监测装置及方法。该装置由有机玻璃管与钢管通过防水螺纹连接固装；有机玻璃管外固装有保护套筒，在有机玻璃管上刻印有刻度尺并安装有可折叠的三脚架；在有机玻璃管顶端安装有可翻转的顶盖；钢管的末端固装有球阀；保护套筒由保温层、极寒环境下不失弹性的形变层及高密度材料制成的抗浮层构成；监测方法包括：凿冰孔放入设备，注入水体，液面稳定后注入油液；将钢管末端接触冰层底部，固定三脚架；监测时读数并计算冰层厚度。本发明结构简单，极寒气候下作业运行稳定可靠，节省劳力，方便固定监测站点周期性观测。

技术研发人员：韩红卫;王炳峰;陈书超;李梦瑶;蔡露瑶;杨美莹;汪恩良
受保护的技术使用者：东北农业大学
技术研发日：2018.11.30
技术公布日：2019.02.15