单一盐溶液湿度控制下土体变形与土水特性试验装置的制作方法

本发明涉及一种单一盐溶液湿度控制下土体变形与土水特性试验装置。适用于水利工程测试装置领域。

背景技术：

1、众所周知，黏性土大多存在遇水膨胀失水收缩的变形特性，这一特性给岩土工程设计施工带来了极大困扰，变形离不开受力，导致复杂的变形机理反映出复杂的应力状态，如果可以准确测定土体脱吸湿过程中的体积改变，那么就为揭示土体胀缩变形及持水特性过程复杂的应力状态提供了一种有效途径。

2、近年来随着计算机技术和图像采集设备的不断发展，一些新的测试方法被应用到测试土体收缩变形中，比如数字图像处理技术，该方法不会对试样产生扰动，且测试精度高，技术成熟可靠，已经被广泛采用。

3、应用图像处理技术获得试样变形的关键是快速精确控制试样所处环境室的相对湿度，如何实现相对湿度稳定改变是试样变形测试精确与否的重要因素。

4、现有技术中利用相对湿度发生器向密闭容器中通入预先设置好的干湿混合气体，进而实现容器内相对湿度的控制。但该方法对相对湿度发生装置精度要求较高，且需要额外配置干燥气源如氮气或者二氧化碳，且当相对湿度较低时，环境室相对湿度容易出现波动，无法实现稳态控制，当相对湿度较高时，流量泵输送湿润气体流量增加，湿润空气温度较高，密闭容器内容易形成压力，顶部盖板容易生成水雾，影响测试结果，湿润空气冷却与降压操作较复杂，试验耗时较长；另外，精度较高的相对湿度发生装置费用昂贵，试验成本较高。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种单一盐溶液湿度控制下土体变形与土水特性试验装置。

2、本发明所采用的技术方案是：一种单一盐溶液湿度控制下土体变形与土水特性试验装置，包括环境室，环境室内下半部用于盛装盐溶液并设有电导率传感器，环境室内上半部经支架安装有置样平台，对应置样平台设有测取置样平台上试样数据的监测机构，环境室上接有补盐机构和补水机构；所述补盐机构、补水机构和电导率传感器电路连接数据采集与处理系统，数据采集与处理系统具有数据输入模块；

3、所述数据采集与处理系统被配置为：通过数据输入模块获取用户设定的目标相对湿度，基于目标相对湿度和相对湿度与盐溶液浓度关系函数得到目标盐溶液浓度；基于目标盐溶液浓度和电导率与盐溶液浓度关系函数得到目标电导率；通过电导率传感器获取环境室内盐溶液的实测电导率，并根据实测电导率和目标电导率比较结果控制补盐机构或补水机构调节环境室内盐溶液浓度，直至实测电导率与目标电导率的差值小于预设值。

4、通过上述技术手段，利用精度高且能及时响应的电导率传感器实时测取环境室内盐溶液的电导率，并基于实测电导率与目标电导率的关系控制补盐机构或补水机构调节环境室内盐溶液浓度，直至实时测取的电导率接近目标电导率，此时盐溶液浓度接近目标盐溶液浓度，进而利用盐溶液浓度影响环境室内湿度至目标相对湿度。

5、通过上述技术手段，利用电导率传感器、补盐机构和补水机构进行盐溶液电导率的闭环控制，实现对盐溶液电导率的高精度控制，从而实现对盐溶液浓度、环境室内相对湿度的高精度控制。

6、通过上述技术手段，利用电导率传感器能及时响应的特点，实时获取盐溶液电导率，并在盐溶液电导率发生变化时，及时控制补盐机构和补水机构补盐机构和补水机构进行调节，使盐溶液电导率稳定在目标电导率，进而使环境室内相对湿度稳定在目标相对湿度。

7、在一些实施例中，还包括：

8、温度传感器，所述温度传感器安装于所述环境室内，并与所述数据采集与处理系统电路连接，能用于测取环境室内温度；

9、温度调节机构，所述温度调节机构安装于所述环境室上，并与所述数据采集与处理系统电路连接，能与所述温度传感器配合调节环境室内温度。

10、通过上述技术手段，利用温度传感器和温度调节机构形成闭环控制，从而可使环境室内温度稳定在指定温度。

11、在一些实施例中，所述环境室侧壁内设有储水腔室；所述温度调节机构具有能将控温溶液加热至指定温度的恒温水槽，恒温水槽与所述储水腔室之间经输水管连通。

12、通过上述技术手段，将恒温水槽内加热至指定温度的控温溶液输送至环境室侧壁的储水腔室内，从而使环境室内温度稳定在指定稳定。

13、在一些实施例中，所述补盐机构具有盛装盐溶液的过饱和盐溶液容器，该过饱和盐溶液容器经装有盐溶液流量控制阀的输水管连通所述环境室内的下半部，所述盐溶液流量控制阀电路连接所述数据采集与处理系统。

14、通过上述技术手段，利用盐溶液流量控制阀控制补盐机构注入环境室内的注入量，实现定量往环境室内补充饱和盐溶液。

15、在一些实施例中，对应所述过饱和盐溶液容器的出水口设有盐溶液滤网。

16、通过上述技术手段，过饱和盐溶液中存在析出的盐分结晶，为防止盐分结晶堵塞导管，在容器底部安装滤网，以过滤结晶盐份。

17、在一些实施例中，所述补水机构具有盛装蒸馏水的蒸馏水容器，该蒸馏水容器经装有蒸馏水流量控制阀的输水管连通所述环境室内的下半部，所述蒸馏水流量控制阀电路连接所述数据采集与处理系统。

18、通过上述技术手段，利用蒸馏水流量控制阀控制补水机构注入环境室内的注入量，实现定量往环境室内补充蒸馏水。

19、在一些实施例中，所述监测机构包括作为所述置样平台并用于测取试样重量的电子天平，以及多台围绕所述置样平台布置的、用于采集置样平台上试样图像的高精度相机。

20、在一些实施例中，所述环境室内底部装有搅拌器，搅拌器电路连接所述数据采集与处理系统。

21、通过上述技术手段，利用搅拌器使注入环境室内的盐溶液、蒸馏水快速实现均匀混合。

22、在一些实施例中，所述支架为带孔隔板，该带孔隔板将所述环境室内部分隔成上下两部分。

23、通过上述技术手段，可在带孔隔板上方设置置样平台，带孔隔板上的隔板孔能用于盐溶液形成的相对湿度空气流通，使隔板上下空气湿度保持一致。

24、在一些实施例中，当所述盐溶液采用溴化锂盐溶液时，所述相对湿度与盐溶液浓度关系函数为：

25、 rh= 107.89 n3 - 260.78 n2 + 7.5096 n + 98.559

26、式中， rh为环境室内的相对湿度， n为盐溶液浓度。

27、通过上述技术手段，以准确反映相对湿度与盐溶液浓度之间的数值关系。

28、在一些实施例中，当所述盐溶液采用溴化锂盐溶液时，所述电导率与盐溶液浓度关系函数为：

29、 σ= -547.57 n3 - 289.6 n2 + 621.4 n + 17.605

30、式中， σ为盐溶液电导率， n为盐溶液浓度。

31、通过上述技术手段，以准确反映电导率与盐溶液浓度之间的数值关系。

32、在一些实施例中，所述环境室内上半部设有相对湿度传感器，所述数据采集与处理系统还被配置为：

33、控制补盐机构和补水机构各自注入环境室的注入量，以在环境室内形成指定浓度的盐溶液；通过电导率传感器获取环境室内盐溶液的电导率，通过相对湿度传感器获取环境室内的相对湿度；基于多组不同浓度盐溶液与相应的电导率数据，绘制电导率与盐溶液浓度关系曲线，并基于电导率与盐溶液浓度关系曲线拟合得到电导率与盐溶液浓度关系函数；基于多组不同浓度盐溶液与相应的相对湿度数据，绘制相对湿度与盐溶液浓度关系曲线，并基于相对湿度与盐溶液浓度关系曲线拟合得到相对湿度与盐溶液浓度关系函数。

34、通过上述技术手段，通过控制补盐机构和补水机构注入环境室的注入量，以在环境室内形成多种不同浓度的盐溶液，获取各不同浓度盐溶液对应的电导率和环境室内相对湿度，进而简单快速的得到试验所用盐溶液的电导率与盐溶液浓度关系函数、相对湿度与盐溶液浓度关系函数。

35、本发明的有益效果是：本发明通过电导率传感器配合补盐机构和补水机构实现对环境室内盐溶液电导率的闭环控制，进而实现对环境室内盐溶液浓度和环境室内相对湿度的控制，结构简单，操作方便，节省试验时间，控制精度高。

36、由于本发明利用盐溶液调节环境室内相对湿度，在调整环境室内盐溶液浓度后，环境室内相对湿度并不能及时作出反映，需在一定时间后环境室内相对湿度才会变为与盐溶液浓度对应的湿度。如直接利用相对湿度传感器配合补盐机构和补水机构进行环境室内相对湿度的闭环控制，则在补盐机构和补水机构动作后，环境室内相对湿度需一定时候后才能稳定，由于补盐机构和补水机构一次动作很难将相对湿度调节到目标相对湿度，需在相对湿度稳定后根据相对湿度传感器测取的数值再次进行动作，故控制相对湿度到目标相对湿度可能需要多次等待环境室内相对湿度稳定，严重影响闭环控制的效率。而本发明中利用电导率传感器进行闭环控制，可在环境室内相对湿度逐渐稳定的过程中，通过补盐机构和补水机构实时完成电导率的闭环控制，使电导率稳定在目标电导率，进而可使相对湿度一次性稳定在目标相对湿度，整个过程仅需等待一次环境室内相对湿度稳定。

37、本发明通过在环境室内设置单一盐溶液，利用盐溶液调节环境室内相对湿度，由于不同的盐溶液浓度会使环境室内产生不同的相对湿度，本发明通过改变环境室内盐溶液浓度实现环境室内相对湿度的稳定改变。

38、本发明通过盐溶液控制相对湿度，克服了相对发生器法在较高相对湿度时高温气体冷凝易产生水雾，影响图像数据采集的缺陷，可实现广吸力范围土体脱吸湿变形和土水特性连续测试，并且可获得考虑体变的土水特征曲线。

39、本发明基于试验获得相对湿度、盐溶液电导率与盐溶液浓度的关系，建立相对湿度、电导率与盐溶液浓度之间的函数关系，通过给定环境室内目标相对湿度，计算得到目标盐溶液浓度，进而根据目标盐溶液浓度计算得到盐溶液的目标电导率，利用盐溶液电导率实测值与目标电导率获得当前盐溶液浓度与目标盐溶液浓度之间的差异，进而自动调节流量控制阀向环境室内注入蒸馏水或饱和盐溶液，以使环境室内盐溶液电导率、浓度和环境室内相对湿度均达到目标值。

40、本发明通过测量盐溶液电导率，及时调整盐溶液浓度，以准确控制环境室相对湿度。土样脱湿过程中有水分蒸发，增加环境相对湿度，多余水分会进入到盐溶液中并改变盐溶液浓度，进而影响环境室相对湿度；吸湿过程中土样吸收水分，导致环境室相对湿度降低，由于电导率对溶液浓度变化十分敏感，试样蒸发和吸收的水分一旦引起盐溶液浓度细微改变，电导率会及时响应，进而及时调节盐溶液浓度，稳定精准控制环境室相对湿度。

41、本发明中相对湿度范围可根据选取的不同盐溶液进行控制，溴化锂盐溶液相对湿度范围可控制在7.75%~100%，在获得较低相对湿度的盐溶液中其成本较相对发生器显著降低，除了相对湿度范围较广外，还可获得7.75%~100%中任意相对湿度值，精度可控制在0.1%，采用传统不同种类盐溶液法无法实现该效果。

42、本发明采用数字图像处理技术，可获得试样脱吸湿过程变形数据，避免接触式测量方法对试样及环境室相对湿度的扰动，测试精度高。环境室采用亚克力板材并预留外部线路接入通道，解决环境室密封性；采用单一盐溶液控制相对湿度，避免了相对湿度发生器通入的混合气体增加环境室内部压力，影响测试精度。本发明所占据的空间小，可直接放置在试验台上，构件可拆卸，构造简单，易于组装，操作方便。