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专利号: 2018109144942
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种不同含水量下分层土壤动态电阻特性试验方法,其特征在于,包括以下步骤第一步:搭建不同含水量下分层土壤动态电阻的测试系统:测试系统包括土壤动态电阻测试箱(06);土壤动态电阻测试箱(06)上壁设置有滴灌装置(09);土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁设置有左铜电极(05),右侧内壁设有右铜电极(07);左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘;土壤动态电阻测试箱(06)上面板设有螺钉(02);土壤动态电阻测试箱(06)内部含有一块以上平行于左铜电极(05)和右铜电极(07)表面的绝缘隔板(08);土壤动态电阻测试箱(06)的左上部、右上部、左下部和右下部分别设置有第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d);土壤动态电阻测试箱(06)以外的装置包括冲击电流发生器(12)、分压器(13)、接地装置(11)、水分分析仪(14)、数字控制器(15)、电流采集模块(16)、上位机(17)、高压电缆(18)、电缆接头(03)以及铜导线(19);

其中:第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)均连接到水分分析仪(14)的输入端,水分分析仪(14)的输出端分别连接到数字控制器(15)和上位机(17);数字控制器(15)连接到滴灌装置(09);冲击电流发生器(12)输出端连接到分压器(13)的高压端,分压器(13)的高压端通过高压电缆(18)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05),左铜电极(05)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁;右铜电极(07)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)右侧内壁,并通过铜导线(19)连接到接地装置(11);冲击电流发生器(12)的接地端和分压器(13)的接地端均连接到接地装置(11),接地装置(11)接地;分压器(13)的通信端连接到上位机(17);电流采集模块(16)测量端连接到铜导线(19),电流采集模块(16)通信端连接到上位机(17);绝缘隔板(08)可竖直插入或抽出土壤动态电阻测试箱(06),当绝缘隔板(08)插入土壤动态电阻测试箱(06)时,将土壤动态电阻测试箱(06)从左至右分割为两个以上的空间;

第二步:进行土壤填充及含水量设定:拧开上面板螺钉(02),打开土壤动态电阻测试箱(06)的上面板,依据待测试分层土壤的实际厚度比,用绝缘隔板(08)将土壤动态电阻测试箱(06)分层,分层后依次填充对应土壤样品;撤去绝缘隔板(08),使土壤样品贴合在一起,盖住上面板,拧上螺钉(02);通过第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)监测箱内含水量;设定试验含水量为H,若所测含水量低于误差允许下限值Hmin,则数字控制器(15)控制滴灌装置(09)开启,向箱内均匀缓慢注入蒸馏水;若所测含水量达到误差允许上限值Hmax,则数字控制器(15)控制滴灌装置(09)关闭;控制土壤动态电阻测试箱(06)中土壤样品含水量在设定含水量H误差允许范围内;

第三步:测量土壤样品在当前含水量H时的电压与电流:当土壤样品所测含水量稳定在设定含水量H误差允许范围内时,开启冲击电流发生器(12),通过分压器(13)测量左铜电极(05)和右铜电极(07)间的电压并传输给上位机(17);通过电流采集模块(16)测量流经左铜电极(05)和右铜电极(07)的电流并传输给上位机(17);

第四步:评估土壤动态电阻特性:通过上位机得到的电压和电流,获取土壤动态电阻全时域R(t)波形曲线,并提取出电阻最小值R(t)min、电阻最大值R(t)max、有效电离时间Δt1以及有效恢复时间Δt2,计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k:式中,R(t)min为R(t)波形曲线中电阻最小值,R(t)max为R(t)波形曲线中电阻最大值,Δt1表示R(t)从电阻最大值R(t)max下降到电阻最小值R(t)min的时间间隔;

计算R(t)min与k的复合评判因子q1:

计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2:

近似计算最小曲率半径γ:

其中,

式中,tm∈[ta+0.1,tb),ta为R(t)max对应时刻,tb为R(t)min对应时刻;上式表示R(t)波形曲线在下降的时间段内,从ta+0.1时刻,每间隔0.1μs,计算各个时刻的曲率半径,由此可计算出其中最小的曲率半径;

结合小曲率半径γ计算考虑含水量的修正系数k1:

式中,H为当前试验含水量;

计算评判余项q3:

q3=0.01427log(0.477Δt1+0.504Δt2-38.47)-0.0513log(R(t)min+1.18)式中,Δt2表示R(t)从R(t)min上升至有效恢复电阻R(t)eff的时间间隔;其中:R(t)eff=R(t)min+0.8(R(t)max-R(t)min),R(t)eff表示R(t)从电阻最小值R(t)min逐渐恢复,当恢复量为80%最大下降差值(R(t)max-R(t)min)时所对应的电阻值;

综合上述计算,对土壤在该冲击电流与含水量下的动态电阻特性评判因数为:

q=k1(q1+q2)+q3

当q∈(0,0.25]时,表征土壤动态电阻特性较弱;当q∈(0.25,0.65]时,表征土壤动态电阻特性一般;当q∈(0.65,0.9]时,表征土壤动态电阻特性较强;当q∈(0.9,1]时,表征土壤动态电阻特性极强;

第五步:不同含水量下分层土壤动态电阻特性试验:根据试验要求,设置不同含水量,并重复第三步和第四步,进行不同含水量下分层土壤动态电阻特性评估。