一种冻土冻结温度和土壤电阻率的测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及电气工程测试技术领域，尤其是一种冻土冻结温度和土壤电阻率的测量装置。


背景技术：

2.冻结温度是地层土壤开始冻结时的温度，标准状态下纯水冻结温度为0℃，然而在实际工程中，地层中水分结冰受到的矿物成分、颗粒级配、含水率、水分含盐量、压力以及孔隙分布等因素影响。试样冻结过程需要经历：过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段，每个阶段持续的时间各不相同，试验时地层冻结过程中地层温度首先降到冻结温度之下，称为过冷阶段；当温度达到冰点试样中水分开始大量结冰，并释放大量潜热，使得试样温度突然升高，出现跳跃阶段；试样中水分结冰速度趋于稳定，试样内部温度趋于稳定；当地层完全冻结时，地层温度不断下降。恒定阶段的温度即为冻结温度。
3.土壤到达冻结温度时，土壤中的水开始凝结成冰，未冻水含量下降，而冰的导电能力远弱于水，从而导致土壤电阻率大幅跳升。冻土区域的土壤电阻率升高，为电网接地系统建设带来许多问题。当电力系统发生接地故障时，由于接地电阻变大，故障电流通过接地网就会产生很大的电压降，即对地电位明显升高，从而导致变电站内的接触电压和跨步电压等参数超过限值标准，严重危及人身和设备安全。因此，为保证高寒冻土地区电网接地系统安全稳定的运行，有必要研究一种冻土冻结温度和土壤电阻率的测量装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种能够自动完成冻土冻结温度和土壤电阻率的测试任务并输出试验数据，测量精度高、结构简单、测量方便快捷的冻土冻结温度和土壤电阻率的测量装置。
5.为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种冻土冻结温度和土壤电阻率的测量装置，包括测量盒，测量盒内装满试验土样，测量盒内的两端分别安装铜极板，两个铜极板之间串联电源和采样电阻r0，两根测量铜棒插入测量盒内的土样中，测量盒内的土样内设有温度传感器；用于测量两根测量铜棒之间电压u
i1
的第一电压传感器的输出端与数字采集装置的第一信号输入端相连，用于测量采样电阻r0两端电压u
i2
的第二电压传感器的输出端与数字采集装置的第二信号输入端相连，所述温度传感器的输出端与数字采集装置的第三信号输入端相连，所述数字采集装置的第一信号输出端输出电压u
i1
至电阻率计算电路的第一输入端，所述数字采集装置的第二信号输出端输出电压u
i2
至电阻率计算电路的第二输入端，电阻率计算电路的输出端与数字采集装置的第四信号输入端相连。
6.所述测量盒位于低温循环冷浴装置内，所述低温循环冷浴装置包括管路，管路内流通酒精。
7.所述测量盒位于低温循环冷浴装置内，所述低温循环冷浴装置采用小型冷藏冰箱。
8.所述测量盒的盒体为圆柱形玻璃容器。
9.所述电阻率计算电路包括运放u1，其正相输入端通过接地电阻r
′
接地，其反相输入端通过电阻r1接电压u
i1
，其反相输入端通过反馈电阻r2接模拟乘法器的输出端，模拟乘法器的第一输入端接电压u
i2
，模拟乘法器的第二输入端与运放u1的输出端相连。
10.所述采样电阻r0＝4kω。
11.所述电阻r1＝1kω，反馈电阻r2＝1kω，接地电阻r
′
＝1kω。
12.由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果为：第一，本实用新型能够完成冻土冻结温度的测试任务；第二，本实用新型能够对土壤电阻率进行实时监测；第三，本实用新型自动输出土壤温度和电阻率随时间的变化曲线；第四，本实用新型具有测量精度高、结构简单、方便快捷等特点。
附图说明
13.图1为本实用新型的结构图；
14.图2为图1中电阻率计算电路的电路原理图。
具体实施方式
15.如图1所示，一种冻土冻结温度和土壤电阻率的测量装置，包括测量盒2，测量盒2内装满试验土样，测量盒2内的两端分别安装铜极板5，两个铜极板5之间串联电源和采样电阻r0，两根测量铜棒4插入测量盒2内的土样中，测量盒2内的土样内设有温度传感器3；用于测量两根测量铜棒4之间电压u
i1
的第一电压传感器6的输出端与数字采集装置的第一信号输入端即c端相连，用于测量采样电阻r0两端电压u
i2
的第二电压传感器7的输出端与数字采集装置的第二信号输入端即d端相连，所述温度传感器3的输出端与数字采集装置的第三信号输入端即a端相连，所述数字采集装置的第一信号输出端即a端输出电压u
i1
至电阻率计算电路的第一输入端，所述数字采集装置的第二信号输出端即b端输出电压u
i2
至电阻率计算电路的第二输入端，电阻率计算电路的输出端与数字采集装置的第四信号输入端即b端相连。所述采样电阻r0＝4kω。
16.所述测量盒2位于低温循环冷浴装置1内，所述低温循环冷浴装置1包括管路，管路内流通酒精。所述低温循环冷浴装置1采用机械形式制冷的低温液体循环设备，用于对置于其中的测量盒2提供低温水浴，使其降低至所需温度。在实际应用中，低温循环冷浴装置1可以采用小型的冷藏冰箱。所述测量盒2的盒体为圆柱形玻璃容器。
17.如图2所示，所述电阻率计算电路包括运放u1，其正相输入端通过接地电阻r
′
接地，其反相输入端通过电阻r1接电压u
i1
，其反相输入端通过反馈电阻r2接模拟乘法器8的输出端，模拟乘法器8的第一输入端接电压u
i2
，模拟乘法器8的第二输入端与运放u1的输出端相连。所述电阻r1＝1kω，反馈电阻r2＝1kω，接地电阻r
′
＝1kω。
18.以下结合图1、2对本实用新型作进一步的说明。
19.步骤1，测量盒2的组装：
20.将两片铜极板5分别固定在测量盒2盒体的两端，在测量盒2内装满试验土样，并将温度传感器3埋于土样中，装填完成后将两根测量铜棒5插入测量盒2内的土样中。
21.步骤2，电路搭建：
22.按照图1、2搭建电路，数据采集装置每隔5s采集一次土样温度；
23.步骤3，低温冷却：
24.步骤2中连线完成的测量盒2置于低温循环冷浴装置1中，将循环冷浴初始温度设置为-3℃，然后分级降温。
25.步骤4，数据输出：
26.1)利用步骤3中的数据采集装置输入通道a记录的温度，建立温度随时间变化的冷却曲线，试验曲线由过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段组成，得到恒定阶段的数值即为土样的冻结温度。
27.2)电阻率计算电路输出端所输出的电压uo在数值上与土壤电阻率相同，记为ρ，电阻率计算电路完成下式的计算：
[0028][0029]
式中，k为模拟乘法器8的增益，选取k＝l/sr0，其中s为测量盒2的底面积，l为两测量铜棒4之间的距离。
[0030]
数据采集装置对电阻率计算电路的输出端进行采集，输出电阻率随时间的变化曲线。
[0031]
综上所述，本实用新型综合考虑了土壤冻结温度、土壤电阻率等物理量的测量，自动完成冻土冻结温度和土壤电阻率的测试任务，输出试验数据，以此来做好电网接地系统的土壤电阻率和起动温度在线监测，保障作业人员和电网的安全。