一种研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统

摘要

本发明涉及岩土工程中的电渗试验技术领域，公开了一种研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统。该系统是为解决目前研究电渗电极转换遇到的试验系统功能局限问题、对电极转换时间影响因素研究的局限性而研制的，其主要包括了电极转换装置、电渗试验模型装置、直流电源、计算机系统，使得电极转换实现了全自动和半自动的结合使用，其中全自动控制电极功能包括以电流、时间、排水量、pH值为控制对象的自动电极转换，而半自动则意味着人工手动操作电极转换也可以在此系统中得到实现。当电渗过程中的电极转换时间周期规律的研究得出成果，该发明中的相关功能还可以用于实际工地的电渗操作，以节约人力、时间、能耗以及成本。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程中的电渗试验技术领域，可用于电极转换时间影响因素的研究及工程中运用电极转换的方法进行软土的电渗处理。

背景技术

在中国东部沿海地区广泛分布着一种高含水率、高孔隙比、高压缩性、低渗透性、低承载能力的软土。由于东部土地的匮乏，当下岩土工程领域的工作者们正着力于探求一种新的处理这种软土地基的方法来拓宽可用土地面积。电渗法于是应运而生，其高效、省时、省力的特点吸引了众多科研人员的目光。但是目前运用电渗法对软土地基处理还存在一些难以攻克的问题，譬如电渗过程中的高能耗、电渗后期效率降低较大、电渗结束土体强度分布不均等，都严重影响到电渗的推广应用。

于是，针对电渗后期效率降低较大、电渗结束土体强度分布不均的问题，人们想到一种通过电极转换的方式来缓解，但是对于电极转换时间周期的选择却又成了一项需要攻克的难关，因为电极转换时间周期的选择很大意义上决定了电渗处理的效率、效果以及能耗，如果控制不当，将会导致工时延长、成本增加、处理效果差等后果。从短短几秒到几个小时，甚至一天的时间，这之中的任何一个时间段都可以被选取作为电极转换的时间周期来供人们研究，因此可以选取的时间段长短难以掌握，但还是有不少科研工作者致力于通过选取不同时间段来进行电极转换时间的研究，工作量之大、科研成本之高可想而见。

除此以外，之前也有不少关于电渗电极转换试验装置的发明专利被应用于电极转换时间周期的研究，譬如CN101319612A、CN102393404A先后公开了两种电渗处理软土地基的发明装置或系统，但前者局限于通过观测电流减小到一定值再转换电极，而后者局限于观测排水量达到一定值再转换电极，这些值的选取其实和前文所述的选取不同长度时间段来进行电极转换的时间周期研究试验类似。并且这两种试验系统不能获取土体内部各参数随电渗时间的进行而产生的变化及各参数随空间的分布情况，因此科研者难以对电渗进行更深入的分析以解决诸多问题，譬如影响电渗效率的pH值（pH小于3时极大限制电渗效率）、离子浓度、含水率等变化量随时间及空间位置的变化。电渗方面的其他研究装置或系统也存在类似的问题，限制了科研的进展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统，包括直流电源、计算机系统，电极转换装置、电渗试验模型装置，所述的电极转换装置包括电极自动转换控制器、控制面板、电极手动转换阀、阳极pH控制器、排水量控制器、电极转换装置—计算机连接端口、4个电流输入/输出端口，其中控制面板与电极自动转换控制器、阳极pH控制器、排水量控制器相连接，电极转换装置—计算机连接端口与阳极pH控制器、排水量控制器、电极自动转换控制器相连接，并且阳极pH控制器、排水量控制器均与电极自动转换控制器连接，4个电流输入/输出端口直接与电极自动转换控制器、电极手动转换阀相连接；电渗试验模型装置包括pH/离子浓度及含水率传感仪、电渗模型槽、电极、土工布、贮水容器、排水量传感仪、支架，其中电渗模型槽由有机玻璃制得，于底部长向两端开口，使电极穿过，并在电极周围包裹一层土工布，防止土体从开口缝隙流出；pH/离子浓度及含水率传感仪等距插于电渗模型槽内土体中，且与计算机连接，以传输量测的数据；贮水容器放置于电渗模型槽两极下方，以收集两极排出的水；排水量传感仪插在贮水容器中，并连接至计算机；整个电渗模型槽放置在钢支架上。

所述的电极自动转换控制器包含一个显示面板、一个可编程控制器，其中显示面板的程序结构分为三级，第一级包括“试验通电总时间”、“一次电极转换已用时间”、“一极排水量”、“阳极pH值”、“模式”，第二级由“模式”进入，包括“函数控制电极转换”、“阳极pH值控制电极转换”、“排水量控制电极转换”、“手动电极转换”，第三级由“函数控制电极转换”进入，包括“手动输入”、“计算机输入”。

所述的手动电极转换阀为双刀双掷开关模式阀门，用于人工操作电极的转换。

根据以上技术方案，本发明可以实现的有益效果是：

（1）包括了以时间、电流、排水量、pH值为控制对象的电极转换时间周期的研究方法，可设定时间函数、电流函数控制电极转换，也可设定阳极pH值、一极的排水量控制电极转换。前人在探究电极转换时间周期时多是达到设定的等时间周期（即前后几次转换电极的时间间距相等）或根据随电渗进行达到某种效果而转换电极，如排水减少到一定程度、电流减小到一定程度，理论上前者不可取，而后者全凭试验者主观判断，难以控制。

（2）电极转换实现了全自动和半自动的结合。其自动化的效果是减少了人力和时间，降低了科研成本；而半自动效果在于可以在试验过程中即时观测试验进展的同时能够手动调节，对试验过程进行调整和完善，达到计算机无法实现的人工操作目的。

（3）实现了对电渗过程中多因素对电极转换时间周期影响的研究，能够获取相关数据信息，为电渗理论研究提供了依据。

（4）当电渗过程中的电极转换时间周期规律的研究得出成果，该发明中的相关功能可以用于实际工地的电渗操作，可以节约人力、时间、能耗以及成本。

附图说明

图1是本发明电极转换装置的显示面板程序结构分级表示图。

图2是本发明所述的研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统中电极转换装置主要部分之间的相互控制关系图。

图3是本发明所述的研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统结构示意图。

图中：1、电极自动转换控制器；2、显示面板；3、控制面板；4、电极手动转换阀；5、阳极pH控制器；6、排水量控制器；7、电流输入/输出端口；8、电极转换装置—电脑连接端口；9、直流电源；10、计算机系统；11、pH/离子浓度及含水率传感仪；12、电渗模型槽；13、电极；14、土工布；15、贮水容器；16、排水量传感仪；17、支架。

具体实施方式

       下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1、2所示，本发明所述的研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统中电极转换装置的显示面板（2）程序结构分级表示图及电极转换装置主要部分之间的相互控制关系图。试验开始之前选择模式，选取要研究控制电极转换的对象。若选择“函数控制电极转换”，还须进入下一级选择“手动输入”或“计算机输入”，选择“手动输入”可以输入简单的电极转换时间周期，譬如每10分钟转换一次电极，选择“计算机输入”则需要计算机导入电极转换控制函数，可以是时间控制函数，也可以是电流控制函数；若选择“阳极pH值控制电极转换”，则直接输入控制电极转换的阳极pH值，如“5”，即阳极pH达到5时自动转换电极；若选择“排水量控制电极转换”，则直接输入控制电极转换的阴极的排水量，如“10ml”，即阴极排水量达到10ml时自动转换电极；若选择“手动电极转换”，则可以手动操作阀门控制电极转换。

如图3所示，本发明所述的研究电极转换时间影响因素的电渗试验系统结构示意图，包括直流电源（9）、计算机系统（10），而其特征在于包括电极转换装置、电渗试验模型装置，所述的电极转换装置包括电极自动转换控制器（1）、显示面板（2）、控制面板（3）、电极手动转换阀（4）、阳极pH控制器（5）、排水量控制器（6）、4个电流输入/输出端口（7）、电极转换装置—计算机连接端口（8）；而所述的电渗试验模型装置包括pH/离子浓度及含水率传感仪（11）、电渗模型槽（12）、电极（13）、土工布（14）、贮水容器（15）、排水量传感仪（16）、支架（17）。

所述的控制面板（3）与电极自动转换控制器（1）、阳极pH控制器（5）、排水量控制器（6）相连接，电极转换装置—计算机连接端口（8）与阳极pH控制器（5）、排水量控制器（6）、电极自动转换控制器（1）相连接，并且阳极pH控制器（5）、排水量控制器（6）均与电极自动转换控制器（1）连接，4个电流输入/输出端口（7）直接与电极自动转换控制器（1）、电极手动转换阀（4）相连接；电渗试验模型装置包括pH/离子浓度及含水率传感仪（11）、电渗模型槽（12）、电极（13）、土工布（14）、贮水容器（15）、排水量传感仪（16）、支架（17），其中电渗模型槽（12）由有机玻璃制得，于底部长向两端开口，使电极（13）穿过，并在电极（13）周围包裹一层土工布（14），防止土体从开口缝隙流出；pH/离子浓度及含水率传感仪（11）等距插于电渗模型槽（12）内土体中，且与计算机连接，以传输量测的数据；贮水容器（15）放置于电渗模型槽（12）两极下方，以收集两极排出的水；排水量传感仪（16）插在贮水容器（15）中，并连接至计算机；整个电渗模型槽（12）放置在钢支架（17）上。

所述的电极自动转换控制器（1）包含一个外部显示面板（2）、一个内部可编程控制器，其中显示面板（2）的程序结构分为三级，第一级包括“试验通电总时间”、“一次电极转换已用时间”、“一极排水量”、“阳极pH值”、“模式”，第二级由“模式”进入，包括“函数控制电极转换”、“阳极pH值控制电极转换”、“排水量控制电极转换”、“手动电极转换”，第三级由“函数控制电极转换”进入，包括“手动输入”、“计算机输入”。以上程序的选择由控制面板（3）控制，控制面板（3）按键包括“模式选择”、“取消/退出”、“确认/开始”以及9个数字输入键。

所述的阳极pH控制器（5）功能是判断阳极pH值是否达到试验设计pH，试验设计阳极pH值由控制面板（3）输入。

所述的排水量控制器（6）功能是判断阴极排水量是否达到试验设计排水量，试验设计阴极排水量由控制面板（3）输入。

所述的电极转换装置—计算机连接端口（8）功能包括输入计算机传输的已编程的电极转换函数控制程序、阳极pH数值、阴极排水量数值，并且由电极自动转换控制器（1）向计算机输出手动电极转换或阳极pH数值控制电极转换或阴极排水量控制电极转换的时间。

该装置具备如下几种功能：

（1）量测pH值、某些离子浓度、含水率、两极排水量

量测pH值、某些离子浓度、含水率的pH/离子浓度及含水率传感仪（11）的传感探头均匀布置在两电极（13）之间，并且在两极附近及外侧也分别布置传感探头，pH/离子浓度及含水率传感仪（11）与计算机相连接，可以将数据传输到计算机中存储，并可将阳极附近pH值通过电极转换装置—计算机连接端口（8）传送到阳极pH控制器（5）。传感探头布置越密集，则对pH值、某离子浓度、含水率在空间上的分布量测得更为连续，使结果更为精确。pH/离子浓度及含水率传感仪（11）在土体中布置深度决定了量测点的高程，可以通过调节pH/离子浓度及含水率传感仪（11）的高程来测量不同深度处的pH值、某离子浓度、含水率。两极排水量由排水量传感仪（16）量测而得，并通过连接线将数据传输到计算机中存储，并可通过电极转换装置—计算机连接端口（8）传送到排水量控制器（6）。

（2） 三种自动控制电极转换方式

a、计算机输入函数控制电极转换：

调节控制面板（3）的模式为“函数控制电极转换”，运用计算机进行编程，设置电极转换时间周期随电渗总时间变化的函数或电极转换时间周期随电流变化的函数，函数程序通过电极转换装置—计算机连接端口（8）传送到电极自动转换控制器（1），按“确认/开始”使电极自动转换控制器（1）调为运用输入的函数自动判断是否进行电极转换，并开始通电；

b、阳极pH控制电极转换：

调节控制面板（3）的模式，使电极自动转换控制器（1）调为运用阳极pH控制自动判断是否进行电极转换，并输入设计转换电极（13）时的阳极pH值，譬如设计阳极pH值为5时转换电极（13），则调节控制面板（3）的模式为“阳极pH控制电极转换”，并输入设计转换电极（13）时的阳极pH值为“5”，按“确认/开始”使电极自动转换控制器（1）调为运用阳极pH控制器（5）自动判断是否进行电极转换，并开始通电。

c、排水量控制电极转换：

调节控制面板（3）的模式，使电极自动转换控制器（1）调为运用排水量控制自动判断是否进行电极转换，并输入设计一次转换电极时间内排水量，譬如设计一次转换电极时间内排水量为10mL时转换电极（13），则调节控制面板（3）的模式为“排水量控制电极转换”，并输入设计一次转换电极时间内排水量为“10”mL，按“确认/开始”使电极自动转换控制器（1）调为运用排水量控制器（6）自动判断是否进行电极转换，并开始通电。

（3）手动控制电极转换

调节控制面板（3）的模式，使电极自动转换控制器（1）调为运用手动控制电极转换，此时电极自动转换控制器（1）处于关闭、通路状态，完全由操作人员自行控制电极手动转换阀（4）进行电极转换。