【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種測定物質(zhì)熱特性的裝置、測定方法以及利用該裝置篩選隔熱材料的方法，特別涉及一種測定高寒地區(qū)土壤(草甸泥炭層、煤矸石)的熱特性的試驗裝置、測定方法以及利用該裝置篩選隔熱材料的方法，屬于生態(tài)環(huán)境保護領(lǐng)域的科研儀器領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
1、土體的熱特性主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、容積熱容量和熱擴散率。作為土體的基本物理性質(zhì)，其值的大小受到土壤質(zhì)地、土體成分、含水量、溫度等因素的影響。目前導(dǎo)熱系數(shù)等熱特性的常見測量方法包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法，其中非穩(wěn)態(tài)法是在非穩(wěn)態(tài)下的熱脈沖和熱探針技術(shù)。
2、非穩(wěn)態(tài)法測量的結(jié)果往往是相對不穩(wěn)定的，通常是通過多次測量求取平均值，數(shù)據(jù)處理和分析復(fù)雜，對實驗操作人員要求高，需要具備高度的精確性和重復(fù)性，任何微小的操作差異都可能導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差大，而且非穩(wěn)態(tài)法的測試設(shè)備復(fù)雜、成本高。
3、現(xiàn)有測量樣品導(dǎo)熱系數(shù)的方法多為穩(wěn)態(tài)法，測定裝置有平板熱導(dǎo)率儀、圓柱狀熱導(dǎo)率儀、熱量杯等，而且穩(wěn)態(tài)法立足于傅里葉定律，具有計算簡單、直觀易行的特點，是導(dǎo)熱系數(shù)等熱特性的常用測定方法，但是穩(wěn)態(tài)法測定過程中，達到熱平衡的時間長，測定環(huán)境要求高，存在明顯的邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致測定結(jié)果存在較大誤差，例如專利cn201710226098.6基于穩(wěn)態(tài)法提出了一種用于測定凍土各向?qū)嵯禂?shù)的裝置及其測試方法，但由于穩(wěn)態(tài)法中構(gòu)建穩(wěn)定溫度梯度較為困難，所以穩(wěn)態(tài)法的測試周期一般比較長。
4、穩(wěn)態(tài)平板法，通過在供試土樣的上平面安裝加熱銅板，下平面安裝散熱銅板，然后加熱供試土樣上方的加熱銅板，導(dǎo)致熱量從上向下傳遞，熱傳導(dǎo)過
5、而由于高寒地區(qū)海拔高、輻射強，光照和流動的風速對熱特性的影響十分顯著，且在野外進行監(jiān)測時，需要費時挖取土壤剖面，極易受到天氣氣候影響導(dǎo)致測量效果欠佳，現(xiàn)有的土壤水熱特性的實驗裝置非常不適合對高寒地區(qū)土體水熱特性的測定。
6、因此，針對上訴問題，本專利技術(shù)提供一種新型的室內(nèi)測定土壤熱參數(shù)的實驗裝置，用于模擬高寒地區(qū)的環(huán)境條件，并對高寒地區(qū)土體的熱特性進行測定以及利用該裝置對高寒地區(qū)土體進行生態(tài)修復(fù)中篩選隔熱材料的方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是針對現(xiàn)有測定土壤水熱特性的裝置、測定方法存在測定時長長、耗時費力，測定結(jié)果不穩(wěn)定、偏差大，測定方法的重復(fù)性、穩(wěn)定性差，且測試設(shè)備復(fù)雜、成本高；對野外測試人員的操作技術(shù)要求高等技術(shù)缺陷，提供一種測定土體熱特性的實驗裝置、測定方法以及利用該裝置在土體生態(tài)修復(fù)中篩選隔熱材料的方法，本專利技術(shù)裝置模擬待測土體所在地的自然環(huán)境條件，測定結(jié)果準確且與實際結(jié)果之間差異小，測定時間短，測定效率高，且裝置可以根據(jù)土體所在地的自然環(huán)境條件進行準確調(diào)控，模擬自然環(huán)境條件精確；裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便容易，測定結(jié)果準確，適用于模擬測定高寒地區(qū)泥炭土的水熱特性，為高寒地區(qū)生態(tài)修復(fù)提供可依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。
2、為實現(xiàn)本專利技術(shù)的目的，本專利技術(shù)一方面提供一種測定土體熱特性的實驗裝置，包括：
3、用于裝填待測土體的土柱容器；包裹在土柱容器外側(cè)的隔熱層；固定安裝在土柱容器頂端的、與土柱容器內(nèi)部連通的、用以模擬待測土體所在地自然氣象條件的熱量控制箱；以及
4、安裝在土柱容器內(nèi)的至少2組數(shù)據(jù)監(jiān)測器組，其中每組數(shù)據(jù)監(jiān)測器組包括至少1個土壤參數(shù)傳感器和至少1個熱通量傳感器。
5、其中，所述土壤參數(shù)傳感器為監(jiān)測裝填在土柱容器內(nèi)的待測定土體的溫度、含水率的土壤溫濕度傳感器；所述熱通量傳感器為監(jiān)測待測土體內(nèi)傳遞熱通量的傳感器，即測定穿過待測土體傳導(dǎo)的熱量。
6、所述土壤參數(shù)傳感器選擇土壤三參數(shù)傳感器(mt10?soil?moisture&temp?sensormt10)，用于測定土壤水分和溫度，所述熱通量傳感器選擇為熱通量板(美國hukseflux的土壤熱通量板，型號為hep01sc-05)。
7、特別是，還包括數(shù)據(jù)采集器，通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器的各傳感器相連接，將傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)輸入使用終端。
8、特別是，所述土體為任何特性的土體，優(yōu)選為高山草甸土、煤矸石或凍土；進一步優(yōu)選為高寒地區(qū)的高山草甸土、煤矸石土體。
9、其中，所述土柱容器的形狀為圓柱體型、直棱柱體型、長方體型，優(yōu)選為圓柱體型。
10、特別是，所述土柱容器采用透明有機玻璃制成。
11、特別是，所述土柱容器的高度≥13cm，優(yōu)選≥15cm。
12、特別是，在所述土柱容器的側(cè)壁上從上至下、在至少2個不同的軸向高度的側(cè)壁上開設(shè)數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔，即在土柱容器的側(cè)壁上開設(shè)至少2組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔，用于安裝的數(shù)據(jù)監(jiān)測器組的土壤參數(shù)傳感器、熱通量傳感器。
13、特別是，每組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔包括至少1個土壤參數(shù)傳感器孔、至少1個熱通量傳感器孔，分別對應(yīng)安裝所述數(shù)據(jù)監(jiān)測器組中的土壤參數(shù)傳感器、熱通量傳感器(又稱熱通量板)。
14、特別是，每一組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔設(shè)置在土柱容器的同一個徑向截面內(nèi)，設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的徑向截面稱為安裝孔截面。
15、特別是，所述土壤參數(shù)傳感器和熱通量傳感器固定設(shè)置在土柱容器內(nèi)的待測土體的至少2個不同高度的徑向截面內(nèi)，即設(shè)置在土體的至少2個垂直于土體剖面的水平面內(nèi)，所述垂直于土體剖面的水平面簡稱土體水平面。
16、每組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的開設(shè)高度不同，位于土柱容器的不同軸向高度的徑向截面圓周上，即數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔設(shè)置在土柱容器內(nèi)土體水平面與土柱容器側(cè)壁交匯的周邊上，而數(shù)據(jù)監(jiān)測器組安裝在土柱容器內(nèi)的土體水平面內(nèi)(徑向截面內(nèi))。
17、從上至下每組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的開設(shè)高度與對應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測器組的安裝高度相一致，即在同一高度的平面內(nèi)。
18、特別是，在土柱容器的側(cè)壁上從上至下、第一層設(shè)置有數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的徑向橫截面距離土柱頂部的距離為0-3cm，優(yōu)選為1-3cm，進一步優(yōu)選為2cm。
19、特別是，軸向高度上，上下相鄰兩層安裝數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的徑向橫截面(即安裝孔截面)之間的間距至少為3cm，優(yōu)選為3-7cm，進一步優(yōu)選為3-5cm。
20、特別是，土柱容器內(nèi)待裝填土體的高度≥13cm。
21、開設(shè)在土柱容器側(cè)壁上的最下方的數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的高度與土柱容器內(nèi)待測土體的底部向平齊或位于土體底部的上方。在土柱容器的側(cè)壁上從上至下開設(shè)的數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的高度與土柱內(nèi)待測土體的高度相適應(yīng)。
22、特別是，在所述土柱容器的側(cè)壁上從上至下、在不同軸向高度上優(yōu)選開設(shè)3組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔，即在3個不同的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種測定土體熱特性的實驗裝置，其特征是，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征是，所述土壤參數(shù)傳感器為監(jiān)測裝填在土柱容器內(nèi)的待測定土體的溫度、含水率的土壤溫濕度傳感器；所述熱通量傳感器為監(jiān)測待測土體內(nèi)傳遞熱通量的傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征是，所述隔熱層包裹在土柱容器上部，隔熱層的頂部與土柱容器的頂端平齊，隔熱層的高度與土柱容器內(nèi)裝填的待測土體的高度相匹配。
4.如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征是，在所述土柱容器的側(cè)壁上從上至下、在不同的軸向高度的側(cè)壁上開設(shè)至少2組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔，即在土柱容器的側(cè)壁上開設(shè)至少2組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔，用于安裝的數(shù)據(jù)監(jiān)測器組的土壤溫濕度傳感器、熱通量傳感器。
5.如權(quán)利要求4所述的實驗裝置，其特征是，每一組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔設(shè)置在土柱容器的同一個徑向截面所對應(yīng)的土柱容器側(cè)壁上，設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔的徑向截面稱為安裝孔截面。
6.如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征是，所述土壤參數(shù)傳感器和熱通量傳感器固定設(shè)置在土柱容器內(nèi)的待測土體的至少2個不同高度的徑向截面內(nèi)，即
7.一種利用如權(quán)利要求1-6任一所述的實驗裝置測定土體熱特征的方法，其特征是，包括如下步驟：
8.如權(quán)利要求7所述的測定方法，其特征是，步驟6)中按照公式(1)、(2)、(3)分別計算導(dǎo)熱系數(shù)、容積熱容量和熱擴散系數(shù)，其中公式(1)、(2)、(3)分別如下：
9.一種利用如權(quán)利要求1-6任一所述的實驗裝置篩選土體隔熱修復(fù)材料的方法，其特征是，包括如下步驟：
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，步驟2)中所述隔熱修復(fù)材料選擇植生毯、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石或陶粒，優(yōu)選為植生毯。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種測定土體熱特性的實驗裝置，其特征是，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征是，所述土壤參數(shù)傳感器為監(jiān)測裝填在土柱容器內(nèi)的待測定土體的溫度、含水率的土壤溫濕度傳感器；所述熱通量傳感器為監(jiān)測待測土體內(nèi)傳遞熱通量的傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征是，所述隔熱層包裹在土柱容器上部，隔熱層的頂部與土柱容器的頂端平齊，隔熱層的高度與土柱容器內(nèi)裝填的待測土體的高度相匹配。
4.如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征是，在所述土柱容器的側(cè)壁上從上至下、在不同的軸向高度的側(cè)壁上開設(shè)至少2組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔，即在土柱容器的側(cè)壁上開設(shè)至少2組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔，用于安裝的數(shù)據(jù)監(jiān)測器組的土壤溫濕度傳感器、熱通量傳感器。
5.如權(quán)利要求4所述的實驗裝置，其特征是，每一組數(shù)據(jù)監(jiān)測器安裝孔設(shè)置在土柱容器的同一個徑向截面所對應(yīng)的土柱容器側(cè)壁上，設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：賀康寧，鄒星晨，李川，馬小東，
申請(專利權(quán))人：北京林業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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