一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置与方法

本发明涉及多孔介质孔径分布测量技术邻域，具体为一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置与方法。

背景技术：

1、天然多孔材料广泛存在于沉积岩、火山岩、植物以及任何形式的有机物中，在地球科学，化学，生物和医学领域有着普遍的应用和研究。多孔材料的孔隙尺寸分布直接影响其渗透特性，从而对污染物在土壤中的迁移和扩散、土壤渗流稳定性、石油开采效益、化学反应器离子交换效率甚至人体器官假体适用性等各个方面产生显著影响。因此多孔材料孔径分布的测量对各类生产实践具有重要意义。

2、目前常用的孔径分布测定方法有压汞法、气体吸附法和热孔隙度法等，这些方法的原理是分别基于注入汞压力、吸附质液态体积和液体相变阈值来测定孔隙尺寸，均不同程度地存在测定时间过长、样品有破坏风险、仪器成本高以及污染环境等缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种安全高效且能够准确测量多孔介质孔径分布的装置及方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置，包括试样与流体储存容器，所述试样与流体储存容器包括上游室1和下游室4，所述上游室1和下游室4之间放置被测试样5，所述上游室1和下游室4分别连接压力传感器34的两个检测端，所述上游室1和下游室4之间还设置有与压力传感器34并联的阀门28，还包括连接所述上游室1的谐波分析构件9，所述谐波分析构件9包括信号施加系统和位移传感器，所述位移传感器和所述压力传感器分别连接两台独立的传递函数分析仪44。

4、所述上游室1和下游室4中储存牛顿流体。

5、所述谐波分析构件9包括测量孔径大于500的孔隙尺寸分布的低频谐波分析构件和/或用于测量大于30的小孔径孔隙尺寸分布的高频谐波分析构件。

6、所述谐波分析构件9采用lvdt29或光电二极管42作为位移传感器，所述lvdt29或光电二极管42与所述压力传感器34分别连接两台相同但独立的传递函数分析仪44。

7、所述低频谐波分析构件包括固定在固定座上的凸轮机构25、连杆支撑16、连杆轴18、连杆17、活塞6、活塞导板11、弹簧14和适配器7，所述连杆17通过设置在顶部的连杆轴18可摆动固定在连杆支撑16上，所述凸轮机构25与连杆17底部接触传动，所述连杆17通过连杆轴18固定在连杆支撑16上，所述连杆17中部一侧与活塞6相连，另一侧与lvdt29相连，所述活塞6通过活塞导板11与弹簧14连接，所述弹簧14通过适配器7与上游室1连接。

8、所述高频谐波分析构件包括固定在固定座上的振动锅35、方形支架2、活塞37、照明灯43、光电二极管42和适配器7，所述方形支架2上固定有活塞37、照明灯43、光电二极管42及适配器7中的一种或几种，所述上游室和谐波分析构件分别固定在方形支架两侧。所述振动锅35可以带动活塞37移动，所述活塞37通过适配器7与上游室1连接，还设置有检测活塞37移动位移的照明灯43和光电二极管42作为位移传感器。

9、一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的方法，包括以下步骤：

10、步骤a：选择合适的装置部件，连接试样，对试样进行饱和并检查是否存在气泡，开启仪器；

11、步骤b：按照步骤a的方法先后连接两个直径不同的毛细管，调试仪器，利用传递函数分析仪将采集的压力和位移信号并进行fft分析，结合理论导纳计算获取测量导纳所需的传递函数；

12、步骤c：按照步骤a的方法连接多孔介质试样，按照步骤b的方法采集并处理测试过程中的压力和位移信号，计算多孔介质导纳，由此得到孔径分布。

13、所述步骤a中，要求实验装置在测试前从活塞与上游室连接处到出口孔都被流体充满，采用不同的谐波分析构件来测量不同孔径的孔隙尺寸分布。

14、所述步骤b具体包括以下步骤：

15、(1)先后连接两个直径不同的毛细管进行测试，开启仪器，利用执行器产生信号施加振荡流；

16、(2)对传感器进行校准；

17、(3)对两个直径不同的毛细管分别进行压力和位移信号采集，对信号进行谐波分析；

18、(4)将两组压力和位移信号的分析结果与两个被测毛细管的理论导纳代入导纳计算公式，反算出测量多孔介质导纳所需的传递函数，由两个毛细管测得的应相同。

19、所述步骤c具体包括以下步骤：

20、(1)连接多孔介质，开启仪器，利用执行器产生信号施加振荡流；

21、(2)对多孔介质进行压力和位移信号采集，对信号进行谐波分析；

22、(3)将多孔介质压力和位移信号的分析结果与步骤b所测传递函数代入导纳计算公式，求得测量多孔介质总导纳，根据总导纳和基本毛细管理论导纳求得多孔介质孔径分布。

23、所述谐波分析构件为低频谐波分析构件时用于测量孔径大于500μm的孔隙尺寸分布，所述低频谐波分析构件采用凸轮机构构成执行器，所述凸轮机构与连杆接触，所述连杆通过连杆轴固定在连杆支撑上，所述连杆上部右侧与活塞相连，左侧与lvdt位移传感器相连，所述活塞通过活塞导板与弹簧连接，所述弹簧通过适配器与上游室连接。

24、所述谐波分析构件为高频谐波分析构件时可测量大于30μm的小孔径孔隙尺寸分布，所述高频谐波分析构件采用振动锅构成执行器，所述振动锅和方形支架之间连接活塞，所述活塞所处间隙处一侧设有照明灯，一侧设有光电二极管作为位移传感器，所述活塞通过适配器与上游室连接。

25、本发明的有益效果是：

26、克服了目前常见的孔径分布测量方法存在的仪器成本高、测定时间长、测定过程中样品发生破坏以及产生有毒物质等缺点，利用对多孔介质施加振荡流并对信号进行谐波分析的方法测定其孔径分布，安全高效并且能准确反映绝大多数孔隙的尺寸分布情况，对深入认识多孔介质孔隙结构、评估多孔介质渗透性具有非常重要的现实意义。

技术特征：

1.一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置，包括试样与流体储存容器，其特征在于：所述试样与流体储存容器包括上游室(1)和下游室(4)，所述上游室(1)和下游室(4)之间放置被测试样(5)，所述上游室(1)和下游室(4)分别连接压力传感器(34)的两个检测端，还包括连接所述上游室(1)的谐波分析构件(9)，所述谐波分析构件(9)包括信号施加系统和位移传感器，所述位移传感器和所述压力传感器分别连接两台独立的传递函数分析仪(44)。

2.根据权利要求1所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置，其特征在于：所述上游室(1)和下游室(4)中储存牛顿流体。

3.根据权利要求1所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置，其特征在于：所述谐波分析构件(9)包括测量孔径大于500μm的孔隙尺寸分布的低频谐波分析构件和/或用于测量大于30μm的小孔径孔隙尺寸分布的高频谐波分析构件。

4.根据权利要求3所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置，其特征在于：所述谐波分析构件(9)采用lvdt(29)或光电二极管(42)作为位移传感器，所述lvdt(29)或光电二极管(42)与所述压力传感器(34)分别连接两台相同但独立的传递函数分析仪(44)。

5.根据权利要求4所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置，其特征在于：所述低频谐波分析构件包括固定在固定座上的凸轮机构(25)、连杆支撑(16)、连杆轴(18)、连杆(17)、活塞(6)、活塞导板(11)、弹簧(14)和适配器(7)，所述连杆(17)通过设置在顶部的连杆轴(18)可摆动固定在连杆支撑(16)上，所述凸轮机构(25)与连杆(17)底部接触传动，所述连杆(17)中部一侧与活塞(6)相连，另一侧与lvdt(29)相连，所述活塞(6)通过活塞导板(11)与弹簧(14)连接，所述弹簧(14)通过适配器(7)与上游室(1)连接。

6.根据权利要求4所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置，其特征在于：所述高频谐波分析构件包括固定在固定座上的振动锅(35)、方形支架(2)、活塞(37)、照明灯(43)、光电二极管(42)和适配器(7)，所述方形支架(2)上固定有活塞(37)、照明灯(43)、光电二极管(42)及适配器(7)中的一种或几种，所述振动锅(35)可以带动活塞(37)移动，所述活塞(37)通过适配器(7)与上游室(1)连接，还设置有检测活塞(37)移动位移的照明灯(43)和光电二极管(42)。

7.一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的方法，其特征在于：包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的方法，其特征在于：步骤a中，要求实验装置在测试前从活塞与上游室连接处到出口孔都被流体充满，采用不同的谐波分析构件来测量不同孔径的孔隙尺寸分布。

9.根据权利要求7所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的方法，其特征在于：所述步骤b具体包括以下步骤：

10.根据权利要求7所述的一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的方法，其特征在于：所述步骤c具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种通过谐波分析测量多孔介质孔径分布的装置与方法，装置包括信号施加系统、压力及位移测量仪器、信号处理仪器和试样与流体储存容器。本发明通过信号施加系统对试样施加振荡流，信号处理仪器采集压力及位移信号并对信号进行谐波分析，根据信号的谐波分析结果计算多孔介质导纳的频率响应，从而得到其孔径分布。具有低成本、无污染以及快捷准确的优点，对深入认识多孔介质孔隙结构具有重要意义。

技术研发人员：董辉,谭凤鸣,任佳展,高乾丰,徐平,王威
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14