CZ2010849A3 - Zarízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu - Google Patents

Zarízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu Download PDF

Info

Publication number
CZ2010849A3
CZ2010849A3 CZ20100849A CZ2010849A CZ2010849A3 CZ 2010849 A3 CZ2010849 A3 CZ 2010849A3 CZ 20100849 A CZ20100849 A CZ 20100849A CZ 2010849 A CZ2010849 A CZ 2010849A CZ 2010849 A3 CZ2010849 A3 CZ 2010849A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
sample
porous material
electrodes
soil
impedance
Prior art date
Application number
CZ20100849A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ306358B6 (cs
Inventor
Kulhavý@Zbynek
Vlcková@Martina
Benešová@Veronika
Pražák@Pavel
Original Assignee
Výzkumný ústav meliorací a ochrany pudy, v.v.i.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Výzkumný ústav meliorací a ochrany pudy, v.v.i. filed Critical Výzkumný ústav meliorací a ochrany pudy, v.v.i.
Priority to CZ2010-849A priority Critical patent/CZ306358B6/cs
Publication of CZ2010849A3 publication Critical patent/CZ2010849A3/cs
Publication of CZ306358B6 publication Critical patent/CZ306358B6/cs

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Rešení se týká zarízení (obr. 2) pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, které je prizpusobeno k merení casové závislosti zmeny impedance pórovitého materiálu (napríklad pudy) pri jeho sycení vodou a které je charakterizováno tím, že se skládá z alespon jednoho páru elektrod, které jsou umísteny na povrch nebo tesne pod povrch mereného alespon jednoho pudního vzorku (7), odebraného v odberném válecku (2) a vloženého do komor (4) a (5) pro nastavení potenciálu vlhkosti .FI..sub.1.n. a .FI..sub.2.n., pricemž je zarízení doplneno elektrickými vodici (8), propojujícími elektrody se vstupy multiplexoru (9) a jeho prostrednictvím se vstupy merícího mustku (11), kdy periodickou zmenu adresy kanálu (10) multiplexoru (9) generuje generátor (14) cyklické adresy, který je rízený casovým generátorem (15) a datalogger (13) monitoruje impedanci práve pripojeného páru elektrod i-tého mereného vzorku (7).

Description

Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu
Oblast techniky
Vynález se týká laboratorního zařízení, sloužícího k měření časové závislosti změny impedance pórovitého materiálu (například půdy) při jeho sycení vodou a z takto pořízených dat k následnému odvození charakteristik nenasycené hydraulické vodivosti.
Dosavadní stav techniky
Nenasycená hydraulická vodivost je vlastnost nenasyceného prostředí vést vodu, charakterizovaná součinitelem v Darcy-Buckinghamově rovnici. Je závislá na vlastnostech prostředí a jeho aktuální vlhkosti (Θ), resp. na vlhkostním potenciálu (Φ). Nejčastěji se nenasycená hydraulická vodivost (Kunsat.) uplatňuje ve vodohospodářské praxi při popisu vlastností půdního prostředí - půdy. Křivka vyjadřující hydraulickou vodivost půdy v závislosti na její vlhkosti Κ(θ) je vedle retenční křivky 9(h) důležitou charakteristikou, využívanou mimo jiné při numerickém modelování proudění vody a transportu chemických látek v proměnlivě nasyceném pórovitém prostředí.
Jelikož je měření křivek nenasycené hydraulické vodivosti časově náročné a obtížné, využívá se velmi často metoda numerického odvození z retenční čáry na základě teorie kapilárních modelů (van Genuchten, 1980). V terénu se nenasycená hydraulická vodivost měří podtlakovým diskovým infiltrometrem a rozvíjejí se metody odporového měření (geoelektrické metody). Pracovní postupy jsou časově i organizačně náročné a poskytují výsledek pro jedno měřené místo. Dosavadní metody se nedají uplatnit na odebraných neporušených vzorcích pórovitého materiálu a tudíž se nedají využívat v laboratoři, která obecně poskytuje standardní podmínky měření, zvyšuje efektivitu prací i nezávislost na povětrnostních podmínkách
4.
vyšetřovaného místa. Laboratorní metody (Klute, Dirksen, 1986), založené na dosažení podmínek ustáleného nenasyceného proudění nebo založené na aplikaci výparných metod (ISO 11275: 2004), vyžadují speciální aparaturu, náročnou přípravu vzorku a delší trvání zkoušky v řádu dní až týdnů.
Podstata vynálezu
Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se skládá z alespoň jednoho páru elektrod, které jsou umístěny na povrch nebo těsně pod povrch měřeného alespoň jednoho půdního vzorku, odebraného v odběrném válečku a vloženého do komor pro nastavení potenciálu vlhkosti Oj a Φ2. Zařízení podle vynálezu je doplněno elektrickými vodiči, propojujícími elektrody se vstupy multiplexoru a jeho prostřednictvím se vstupy měřícího můstku, kdy periodickou změnu adresy kanálu multiplexoru generuje generátor cyklické adresy a datalogger monitoruje impedanci právě připojeného páru elektrod i-tého měřeného půdního vzorku.
Zařízení podle vynálezu je charakterizováno tím, že je přizpůsobeno k měření časové závislosti změny impedance vzorku pórovitého materiálu při jeho sycení vodou.
Zařízení podle vynálezu je dále charakterizováno tím, že se skládá z tolika párů elektrod, kolik je měřených půdních vzorků.
Zařízení podle vynálezu umožňuje provádět laboratorní měření současně na několika vzorcích a ve srovnání s obdobnými aparaturami je konstrukčně i uživatelsky nenáročné a zkouška je ukončena během několika hodin podle druhu půdy. Toto zařízení zvyšuje efektivitu práce a umožňuje kontrolovat veškeré podmínky provádění zkoušky za situací, které odpovídají požadavkům zadavatele a které přitom není možné dosáhnout standardně v terénu (např. zohlednění vlivu teploty, výchozí vlhkosti, resp. gradientu vlhkosti atd.).
• * '» · . . .
• · <> 0 * ··· • · · »« o u 11 < ··· · ·
Zařízení podle vynálezu umožňuje měřit nenasycenou hydraulickou vodivost, což je vlastnost nenasyceného prostředí vést vodu, charakterizovaná součinitelem v Darcy-Buckinghamově rovnici. Je závislá na vlastnostech prostřed! a jeho aktuální vlhkosti (Θ), resp. na vlhkostním potenciálu (Φ). K jejímu stanovení zařízením podle vynálezu dochází za podmínek nestacionárního proudění.
Na rozdíl od odporových metod pro přímé stanovení vlhkosti pórovitého materiálu, je vynález založen na principu stanovení časů, které charakterizují změny měřené impedance elektrod při vyvolání nenasyceného proudění vody ve vzorku. První čas charakterizuje počáteční zaznamenanou odchylku impedance elektrod, druhý čas charakterizuje ustávání změny impedance elektrod na konci zkoušky.
Zařízení podle vynálezu umožňuje současné měření několika obdobně vystrojených vzorků půdy, kdy je každý vzorek půdy v odběrném válečku opatřen párem elektrod a vložen do komor pro nastavení zvoleného potenciálu vlhkosti. Podstata zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že páry elektrod jsou cyklicky přepínány párovým multiplexorem k měřícímu můstku, který měří impedanci mezi elektrodami a měřená data ukládá v dataloggeru, časově svázaná s momentálně nastavenou adresou zapnutého kanálu párového multiplexeru. V zařízení podle vynálezu jsou jednotlivé vzorky pórovitého materiálu zatíženy hydraulicky různými zápornými potenciály vlhkosti Φ na jedné a na druhé straně odběrného válečku Φί a Φ2, což vyvolá nenasycené proudění vody ve vzorku půdy směrem od vyššího potenciálu k nižšímu, přitom je průběžně prováděno měření impedance mezi páry elektrod, umístěnými na straně vzorku s nižším potenciálem vlhkosti Φ2, přičemž saturace měřené hodnoty impedance indikuje dosažení stavu rovnováhy, odpovídajícímu nastavenému potenciálu vlhkosti na jedné i druhé straně vzorku pórovitého materiálu Φ-ι a Φ2. Z délky sloupce pórovitého materiálu L a z nastavené diference hladin ÁHJtj. diference potenciálů vlhkosti u záporných tlaků) a z měřeného času dosažení rovnovážného stavu t2, kdy již nedochází
J ·····- j υ ou
...... 4> . 0 OV ιϊ '-J 11 > □ 0o (> 1 '>>' o ooo 11 o o 0 ,P ke zméné hodnot měřené impedance, je výpočtem stanovena nenasycená hydraulická vodivost, odpovídající ustálené vlhkosti Θ.
V případě měření několika vzorků půdy najednou je v zařízení podle vynálezu každý pár elektrod připevněn k povrchu vzorku nebo bezprostředně pod tento povrch a pomocí elektrických vodičů se připojuje přes multiplexor na měřící můstek nastavený pro měření impedance, přičemž se měří změna impedance v čase trvání zkoušky. Párový multiplexor cyklicky přepíná páry elektrických vodičů A, B vedoucích od elektrod vzorku na vstup měřícího můstku a cyklickou změnu adresy kanálu (určující číslo i-tého měřeného vystrojeného vzorku) zajišťuje generátor cyklické adresy, přitom data o čase nastavení adresy kanálu, generovaná časovým generátorem, jsou společně s daty, pořízenými měřícím můstkem, archivována v paměti dataloggeru .
Pracovní postup je přizpůsobován účelu měření a zvolenému konstrukčnímu řešení komor pro nastavení potenciálu vlhkosti Φ! a Φ2, což souvisí s orientací vzorku pórovitého materiálu (vodorovná nebo svislá orientace podélné středové osy) a požadovaným nastavením hodnot potenciálu (od sacích tlaků v řádu jednotek cm vodního sloupce až po sací tlaky velikosti desítek a stovek m vodního sloupce). Počet měřených vystrojených vzorků je třeba volit v závislosti na předpokládané době potřebné k dosažení ustálených podmínek ve vzorku (tj. na celkové době trvání zkoušky) a na době trvání jednoho opakovaného měření na jedné adrese kanálu, tj. na i-tém vzorku tak, aby byl k dispozici reprezentativní časový snímek každého měřeného vzorku (viz obr. 4).
Přednosti zařízení podle vynálezu lze shrnout takto:
- Univerzálnost zařízení pro širokou škálu volitelných nastavení diference vlhkostních potenciálů při měření a stím související možnost kompletního vykreslení závislosti KUNSAt. na hodnotě aktuální vlhkosti.
- Univerzálnost pro použití různých typů a rozměrů odběrných válečků.
- Efektivita práce, která je dána možností zpracovávat současně několik vzorků na jednom zařízení.
r
- Nezávislost na klimatických podmínkách, které omezují provádění polních zkoušek.
- Rychlost provádění zkoušky, automatizace měření a vytvoření standardních podmínek (např. teplota prostředí) pro srovnávání naměřených výsledků.
- Reprezentativnost výsledků pro popis hydrofyzikálních charakteristik vzorku.
Přehled obrázků na výkresech
Na přiložených výkresech je na obr. 1 schématicky znázorněn obecný princip podmínek měření KuNSAt. za nestacionárních podmínek. Vzorek s aktuální vlhkostí je do hydraulického systému zapojen v čase to (čas počátku zkoušky), kdy úrovně hladin jsou ve stejné výšce. V bezprostředně následujícím čase tj (tj v řádu sekund) dojde k pře na sta ve ní úrovní hladin na pozice H! a H2. Jsou tak vytvořeny podmínky nestacionárního proudění, kdy je zahájen nestacionární proces vyrovnávání vlhkosti vzorku.
Na obr. 2 je znázorněno blokové schéma zařízení podle vynálezu.
Na obr. 3 je fotodokumentace příkladu provedeni vystrojení měřeného vzorku v laboratoři Výzkumného ústavu meliorací a ochrany půdy, v.v.i., Praha - Zbraslav, CZ, při měření na keramické fritě s nastaveným sacím tlakem ¢^=-0,05 bar a Φ2>-30 bar (vlhkostní potenciál vzduchu v laboratoři při t [°C] a Φ [%DNa obr. 4 je graf vykreslení měřených dat dvou vzorků půdy, vyjadřující průběh časové změny impedance elektrod při sycení vzorku sprašové a hnědé půdy vodou při různé volbě diference potenciálu vlhkosti. Vzorek č. 210 je spraš; Vzorek č. 888 je hnědá půda
Následující příklady provedení zařízení podle vynálezu pouze dokládají, ale neomezují.
Příklady provedení
X e o
Příklad 1
Zařízení podle vynálezu bylo vyrobeno pro účely testování vzorků půdy, odebraných do tzv. Kopeckého válečků (objemu cca 100 ml) pro rozsahy diferencí vlhkostního potenciálu, odpovídající podmínkám stanovení retenční křivky na pískovém či kaolínovém boxu. Osa vzorku byla orientována vertikálně, přitom Φι odpovídá nastavenému sacímu tlaku ve vodní nádržce a Φ2 odpovídá potenciálu vlhkosti vzduchu v laboratoři při nezakryté vrchní straně vzorku (viz obr. 3).
Páry elektrod 3 mají průměr 1 mm a jsou vyrobeny z nerezového drátu, fixovaného v izolantu PVC destičky a jsou připájeny k elektrickým vodičům 8, vyrobeným z tenkého měděného lanka s bužírkou. PVC izolační destička je rozepřena v mosazném prstenci, který slouží jako zátěž pro vytvoření souvislého tlaku elektrod na povrch 16 vzorku 7 v průběhu zkoušky. Multiplexor 9 je vyroben ze šestice mechanických, dvoukontaktních, hermeticky uzavřených relé se spínacím napětím 12 V, kdy jednotlivá relé jsou spínána na základě adresace generátoru 14 adresy. Adresa se cyklicky mění od 1 do 6 s volitelnou frekvencí od cca 1 do 0,1 Hz. Jeden cyklus měření pak trvá cca 5 až 60 sec. Při výrobě prototypu byl ve funkci měřícího můstku 11 využit laboratorní LCR měřič MOTECH MT 4090. V dalších aplikacích se uvažuje s vybavením účelově konstruovaného měřiče impedance, jaký se používá např. pro měření vlhkosti půdy sádrovými bločky, s rozšířeným rozsahem (od 1 kQ do 200 ΜΩ). Měřená data jsou ukládána přes datový kabel RS232 na stolní PC společně s údajem pro identifikaci adresy kanálu 10 multiplexoru 9 (pro následné přiřazení dat měření i-tému měřenému vzorku 7). Pro identifikaci času jednotlivých měření je použito systémových hodin PC. Osobní počítač tak plní současně funkci dataloggeru 13 a časového generátoru 15.
Ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy, v.v.i., Praha Zbraslav, CZ, byly provedeny vletech 2009 a 2010 první praktické testy zařízení podle vynálezu svýše popsanou konfigurací. Vzorky byly podle časového harmonogramu zkoušky pokládány na keramickou fritu s filtračním £
í * · · a· • · · * » ·· · • · · ·· * » · ·* •·· · · · · · t*t papírem a syceny zespoda odvzdušněnou vodou při známém sacím tlaku. Výsledky měření vybraných typických vzorků půdy ukazuje obr. 4. Zpracování probíhá na PC v tabulkovém kalkulátoru. Před zkouškou a po jejím ukončení jsou stanoveny hydrofyzikální vlastnosti vzorku půdy (vlhkost gravimetricky, objemová hmotnost redukovaná).
Průmyslová využitelnost
Řešení se týká zařízení pro laboratorní stanovení časových změn impedance elektrod, připevněných ke vzorku a z těchto dat pro nepřímé odvozeni nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, která je využitelná při analytickém popisu charakteristik pórovitých materiálů (nejčastěji půd a zemin) ve vodním hospodářství, stavebnictví a životním prostředí při hydropedologickém a stavebním průzkumu. Zařízení lze průmyslově vyrábět.
Seznam použité literatury van Genuchten, Μ. T. (1980): A closed-form solution for predicting the conductivity of unsaturated soils, Soil Sci. Soc. Am. J., 44, 892- 898.
Klute, A., and C. Dirksen (1986): Hydraulic conductivity and diffusřvity: Laboratory methods, in Methods of Soil Analysis, part I, edited by A.KIute, pp. 687— 734, Am. Soc. of Agron., Madison, Wis.
ISO 11275: 2004 Soil quality - Determination of unsaturated hydraulic conductivity and water-retention characteristic; Winďs evaporation method

Claims (3)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    1. Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu, vyznačující se tím, že se skládá z alespoň jednoho páru elektrod (3), které jsou umístěny na povrch nebo těsně pod povrch (16) měřeného alespoň jednoho půdního vzorku (7), odebraného v odběrném válečku (2) a vloženého do komor (4) a (5) pro nastavení potenciálu vlhkosti Φι a 4*2, přičemž je zařízení doplněno elektrickými vodiči (8), propojujícími elektrody (3) se vstupy multiplexoru (9) a jeho prostřednictvím se vstupy měřícího můstku (11), kdy periodickou změnu adresy kanálu (10) multiplexoru (9) generuje generátor (14) cyklické adresy řízený časovým generátorem (15) a datalogger (13) monitoruje impedanci právě připojeného páru elektrod (3) itého měřeného vzorku (7).
  2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že je přizpůsobeno k měření časové závislosti změny impedance vzorku pórovitého materiálu (1) při jeho sycení vodou.
  3. 3. Zařízení podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že se skládá z tolika párů elektrod (3), kolik je měřených půdních vzorků (7).
CZ2010-849A 2010-11-18 2010-11-18 Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu CZ306358B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2010-849A CZ306358B6 (cs) 2010-11-18 2010-11-18 Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2010-849A CZ306358B6 (cs) 2010-11-18 2010-11-18 Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2010849A3 true CZ2010849A3 (cs) 2012-05-30
CZ306358B6 CZ306358B6 (cs) 2016-12-21

Family

ID=46124854

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2010-849A CZ306358B6 (cs) 2010-11-18 2010-11-18 Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ306358B6 (cs)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63298143A (ja) * 1987-05-29 1988-12-05 Nogyo Kenkyu Center Shocho 多重電極水分センサ−
US6986281B1 (en) * 2004-06-30 2006-01-17 Battelle Energy Alliance, Llc Exfiltrometer apparatus and method for measuring unsaturated hydrologic properties in soil

Also Published As

Publication number Publication date
CZ306358B6 (cs) 2016-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bristow et al. A small multi-needle probe for measuring soil thermal properties, water content and electrical conductivity
CN101576587B (zh) 一种混凝土电阻率测量方法及其装置
Prakash et al. Tracking cancer cell proliferation on a CMOS capacitance sensor chip
Derbal et al. A simple method for building materials thermophysical properties estimation
Lu et al. A generalized relationship between thermal conductivity and matric suction of soils
Castela et al. Influence of unsupported concrete media in corrosion assessment for steel reinforcing concrete by electrochemical impedance spectroscopy
KR101527805B1 (ko) 상대함수율에 따른 전기비저항 측정 장치
Li et al. Single-probe heat pulse method for soil water content determination: comparison of methods
Sophocleous et al. A novel thick-film electrical conductivity sensor suitable for liquid and soil conductivity measurements
JP2017534064A5 (cs)
Chakraborty et al. PMMA-coated capacitive type soil moisture sensor: Design, fabrication, and testing
Chanv et al. Structural health monitoring system using IOT and wireless technologies
Mathwig et al. Mass transport in electrochemical nanogap sensors
Wang et al. Imaging of unsaturated moisture flow inside cracked porous brick using electrical capacitance volume tomography
Hafsa et al. A mixed experimental–numerical electrical resistivity-based method for moisture content assessment in wood tested using the example of Douglas fir
Khajehnouri et al. Measuring electrical properties of mortar and concrete samples using the spectral induced polarization method: laboratory set-up
CN104048914A (zh) 一种监测金属在不同水泥事故中腐蚀的装置
Rukavina Hand-held unit for liquid-type recognition, based on interdigital capacitor
Pavlik et al. System for testing the hygrothermal performance of multi-layered building envelopes
Cacciotti et al. Innovative and easy-to-implement moisture monitoring system for brick units
Poursaee et al. An automated electrical monitoring system (AEMS) to assess property development in concrete
CN205826750U (zh) 一种变温下测量导体常温电阻率及电阻温度系数的装置
CZ2010849A3 (cs) Zarízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu
Akram et al. Evaluation of a cross-conductance sensor for cement paste hydration monitoring and setting time measurement
CZ23386U1 (cs) Zařízení pro laboratorní stanovení nenasycené hydraulické vodivosti pórovitého materiálu

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20101118