一种土工试验温控干燥空气生成、传输及监控的试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程试验的技术领域，具体涉及一种土工试验温控干燥空气生成、传输及监控的试验装置。

背景技术

土石坝具有地形适应性强、就地取材、施工技术简单等优点，是大坝建设中常见坝型之一。自上世纪八十年代以来，中国土石坝建设发展迅速。实际工程建设和运行期间，坝体和心墙处于复杂环境条件下，存在温度、湿度与应力条件耦合作用，温度、湿度的变化对筑坝材料的强度、变形均有一定影响。因此，在准确控制温度、湿度变化的前提下，探讨筑坝材料在这种复杂耦合作用下的应力应变特性，提高坝体和心墙变形的预测精度，对土石坝安全运行具有重要意义。

现有的常规的土工力学试验设备一般不具有对试验材料联合控温控湿的能力，一些设备能通过控制压力室内液体温度的方法调控试样温度，不能同时调控湿度，且温度调控效率较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种土工试验中温度控制的干燥空气生成、传输及监控的试验装置，直接置换试样内空气，以解决现有常规的土工力学试验设备不具有对试验材料联合控温控湿的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种土工试验温控干燥空气生成、传输及监控的试验装置，其包括鼓风抽气系统、湿度控制系统、温度控制系统和采集控制系统；鼓风抽气系统、湿度控制系统、温度控制系统均与采集控制系统电性相连；

湿度控制系统包括湿度控制器以及并联设置的除湿控制箱A和除湿控制箱B；除湿控制箱A和除湿控制箱B的进气口通过鼓风泵与外界空气连通，除湿控制箱A和除湿控制箱B的出气口与温度控制系统连通；

温度控制系统包括温度控制箱，温度控制箱内壁安装螺旋铜管和温度传感器，制冷压缩机通过风扇与温度控制箱相连，温度控制箱与出气管连通；

鼓风抽气系统包括设置于装置箱体进气管端的鼓风泵，和在装置箱体出气管端设置的抽气泵。

进一步地，出气口的管道上和出气管上均安装温度传感器和湿度传感器。

进一步地，除湿控制箱A和除湿控制箱B之间的管路上安装电磁阀。

进一步地，除湿控制箱A和除湿控制箱B均为相同的长方体结构，顶面设置进气口，长方体结构的一侧面底端设置出气口，另一侧面设置干燥剂更换口。

进一步地，除湿控制箱A和除湿控制箱B的上层设置折叠式闭合器，下层设置与折叠式闭合器连通的干燥剂层。

进一步地，干燥剂层内置湿度传感器。

进一步地，进气口的管道与调节杆活动连接，调节杆通过滚珠丝杠与伺服电机连接，调节杆推动进气口以调节空气经过干燥剂层的长度。

进一步地，采集控制系统包括控制计算机，控制计算机分别与温度传感器和湿度传感器信号连接。

本发明提供的土工试验温控干燥空气生成、传输及监控的试验装置，具有以下有益效果：

本发明可对任意类型的土工力学试验(如三轴压缩试验、侧限压缩试验、流变试验等)的试样提供控温控湿的干燥空气，改变试样的温度和湿度条件，且本控温控湿的干燥空气直接作用于试样，具有较高的控制精度，进而获得复杂耦合作用下筑坝材料的应力应变特性；除此，本试验装置可为土石材料在温度、湿度与应力条件耦合作用下的变形及强度变化规律研究提供一种有效的试验手段。

附图说明

图1为土工试验温控干燥空气生成、传输及监控的试验装置的实验装置图。

图2为土工试验温控干燥空气生成、传输及监控的试验装置的除湿控制箱的结构示意图。

其中，1、伺服电机；2、滚珠丝杠；3、调节杆；4、鼓风泵；5、进气管；6、温度传感器；7、湿度传感器；8、除湿控制箱A；9、进气口；10、除湿控制箱B；11、温度传感器；12、湿度传感器；13、温度控制箱；14、螺旋铜管；15、制冷压缩机；16、风扇；17、温度传感器；18、湿度传感器；19、出气管；20、抽气泵；21、温度传感器；22、湿度传感器；23、控制计算机；24、试验装置箱体；25、干燥剂更换口；26、干燥剂层；27、湿度传感器；28、出气口；29、折叠式闭合器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1和图2，本方案的土工试验温控干燥空气生成、传输及监控的试验装置，包括鼓风抽气系统、湿度控制系统、温度控制系统以及采集控制系统。

鼓风抽气系统、湿度控制系统、温度控制系统均与采集控制系统相连，采集控制系统可对其他系统的监测数据进行采集，并根据采集数据对其他系统进行反馈控制。

以下将对上述各个系统进行详细描述；

鼓风抽气系统

鼓风抽气系统包括鼓风泵4和抽气泵20，鼓风泵4安装于装置箱体24进气管5端的管道上。抽气泵20在装置箱体24出气管19端的管道上。

鼓风泵4可选择正、反双向连接，正向连接时可使试样中孔隙气流入温湿度控制装置，用于为试样提供干燥空气；反向连接时可使温湿度控制装置内的空气流入试样，用于试验准备工作时对试验装置内部的除湿。

湿度控制系统

湿度控制系统包括以并联方式连接的除湿控制箱A8和除湿控制箱B10，以及安装于温度控制系统的温度控制箱13内的湿度控制器18。

除湿控制箱A8和除湿控制箱B10为相同的长方体结构，其顶面设置进气口9，一侧面底端设置出气口28，另一侧面设置干燥剂更换口25。除湿控制箱A、B(8，10)通过上层的折叠式闭合器29，为下层的干燥剂层26提供密闭条件。

进气口9穿过折叠式闭合器29到达干燥剂层26，同时，通过伺服电机1带动滚珠丝杠2可精确控制调节杆3的位置，调节杆3推动进气口9以控制空气经过干燥剂层26的长度，进而控制一级除湿的除湿效率。

温度控制系统

温度控制系统包括温度控制箱13，温度控制箱13内壁安装螺旋铜管14和温度传感器17，制冷压缩机15通过风扇16与温度控制箱13相连，温度控制箱13与出气管19连通。

采集控制系统

采集控制系统包括采集控制计算机23，以及安装在管路、湿度控制系统、温度控制系统内的湿度传感器(7，12，22，27)和温度传感器(6，11，17，21)，采集控制系统可实时采集传感器的读数，控制鼓风抽气系统、湿度控制系统、温度控制系统等。

外界空气通过鼓风泵4由进气口9流入除湿控制箱A8或除湿控制箱B10，空气经除湿控制箱)内由干燥剂层26除湿后成为一级除湿后的干燥空气，并由出气口28流出；一级除湿后的干燥空气流入温度控制箱13进行空气温度调节，并经温度控制箱13内的湿度控制器18进行二级除湿，由抽气泵20将生成的控温控湿的干燥空气通过出气管19提供给所需试样。

试验过程中可选择其中一个除湿控制箱A8进行除湿。干燥剂层26内置湿度传感器27，当除湿控制箱A8内干燥剂层26的相对湿度达到一定数值时，关闭该侧电磁阀，打开除湿控制箱B10侧的电磁阀，使用除湿控制箱B10进行除湿。同时，采集控制计算机提出更换除湿控制箱A8干燥剂层26的提示，此时可通过干燥剂更换口25将除湿控制箱A8内的干燥剂层26进行更换。

本发明湿度控制系统采用了除湿控制箱、湿度控制器18进行二级除湿，先通过除湿控制箱将空气的相对湿度调整至某一范围，然后通过湿度控制器18进一步调整相对湿度，提高湿度控制精度。

并根据温度传感器17测定的温度控制箱13内的实时温度，由采集控制计算机23进行反馈控制，通过加热螺旋铜管14和制冷压缩机15联合调节温度控制箱23内的温度。本发明的试验装置可为任意类型的土工力学试验的试样提供控温控湿的干燥空气。

进气管5位于本发明试验装置的试样上部，出气管19位于试样底部。

根据本申请的一个实施例，本方案的工作原理为：

本发明试验装置可与大型三轴流变仪相连，将出气管19与流变仪底盘的透水板相连，为三轴流变试验提供控温控湿的干燥空气；将进气管5与应力变形试验设备试样顶部的压头内空间连接，抽出试样中多余气体，保持试样中孔隙气压不变。通过上述途径改变试样的温湿度，研究在这种复杂条件下的试验材料流变特性。

试验前，设定温度控制箱13内的温度为100℃，当温度控制箱13达到设定值后，关闭出气管5端的电磁阀，将鼓风泵4反向连接，以消除试验装置内部可能存在的水汽。之后，将鼓风泵4正向连接，打开出气管5端的电磁阀。检查除湿控制箱A8、和除湿控制箱B10内的湿度传感器27数值，如果相对湿度较高，则更换干燥剂层26。

按照试验预设方案，设置湿度传感器12、湿度控制器18、温度传感器17的目标值。

按照试验要求开展三轴流变试验，当流变试验进行到一定阶段需要调控试样温度和湿度时，开始通过本试验系统从试样底部提供控温控湿的干燥空气，并从试样顶部抽出不一定满足温湿度控制目标的空气，抽出空气进入调控装置进行循环处理，亦通过鼓入、抽出孔隙气过程保持试样内孔隙气压力不变。

试验过程中，采集控制计算机通过湿度传感器12的数值以及目标值，控制调节杆3的具体位置，当湿度传感器12的数值大于目标值时，伺服电机1带动滚珠丝杠2使调节杆3后退，由进气口9流入的空气将经过更长的干燥剂层26进行除湿，当湿度传感器12的数值小于目标值时，伺服电机1带动滚珠丝杠2使调节杆3前进，则由进气口9流入的空气将经过较短的干燥剂层26进行除湿。控制计算机23通过湿度控制器18的数值及目标，进一步调节空气湿度。控制计算机23通过温度传感器17的数值及目标，调节温度控制箱13内的温度。当温度控制箱13内的温度大于目标值时，降低螺旋铜管14的温度，同时，开启制冷压缩机15，通过风扇16将冷空气鼓入温度控制箱13。当温度控制箱13内的温度低于目标值时，提高螺旋铜管14的温度。

当试样上排水管处的温湿度与试验设定的温湿度相同时，认为试样干燥过程完成。通过三轴流变仪采集试样干燥过程中的变形数值，用于研究温湿度对试样变形特性的影响。

本发明可对任意类型的土工力学试验(如三轴压缩试验、侧限压缩试验、流变试验等)的试样提供控温控湿的干燥空气，改变试样的温度和湿度条件，且本控温控湿的干燥空气直接作用于试样，具有较高的控制精度，进而获得复杂耦合作用下筑坝材料的应力应变特性；除此，本试验装置可为土石材料在温度、湿度与应力条件耦合作用下的变形及强度变化规律研究提供一种有效的试验手段。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。