УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ГАЗА ЧЕРЕЗ ГРУНТ
DEVICE FOR DETERMINING THE DIFFUSION COEFFICIENT OF GAS THROUGH THE SOIL

Изобретение относится к области измерительной техники и экспериментального изучения физико-химических свойств грунтов и может быть использовано для точного определения коэффициента диффузии газа через грунты.
Коэффициент диффузии газа через грунт определяют с помощью диффузиметров [Смагин А.В. Газовая фаза почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 301 с.]. Этот подход служит для изучения идеальных образцов грунтов без учета их плоскослоистой структуры, пор, трещин.
По принципу диффузиметров разработаны устройства для исследования неповрежденных и переупакованных грунтов, обзор которых представлен в [Allaire, Suzanne & Lafond, Jonathan & Cabral, Alexandre & Lange, S.F. (2008). Measurement of gas diffusion through soils: Comparison of laboratory methods. Journal of environmental monitoring: JEM. 10. 1326-36. 10.1039/b809461f.]. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту из этого обзора является устройство LCR (длинная колонна в закрытой системе), которое включает трубу с грунтом, инжекционную камеру для подачи газа, выходную камеру с прошедшим через слой грунта газом, измерители температуры, давления.
Недостатком этого устройства является низкая точность определения коэффициента диффузии газа из-за перепадов давления в системе при многократной импульсной подаче газа в инжекционную камеру, а также низкая информативность из-за периодического отбора проб грунтов только в некоторых точках по длине трубы с грунтом.
Технический результат изобретения - повышение точности и информативности определения коэффициента диффузии газа через грунт.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для определения коэффициента диффузии газа через грунт, включающем трубу с грунтом, инжекционную камеру, выходную камеру, датчик температуры, согласно изобретению в инжекционной камере установлены герметичная задвижка, регулятор давления и первый газоанализатор непрерывного действия, а в выходной камере - второй газоанализатор непрерывного действия, а также блок обработки и отображения результатов измерений, при этом выходы первого и второго газоанализатора соединены соответственно с первым и вторым входом блока обработки и отображения результатов измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что в инжекционной камере установлены герметичная задвижка, регулятор давления и первый газоанализатор непрерывного действия, а в выходной камере - второй газоанализатор непрерывного действия, а также блок обработки и отображения результатов измерений, при этом выходы первого и второго газоанализатора соединены соответственно с первым и вторым входом блока обработки и отображения результатов измерений.
В известном устройстве из-за периодической импульсной подачи газа в инжекционную камеру происходит перепад давления во всей системе, при этом газ принудительно «продавливают» через цилиндр с грунтом, что приводит к снижению точности определения коэффициента диффузии [Allaire, Suzanne & Lafond, Jonathan & Cabral, Alexandre & Lange, S.F. (2008). Measurement of gas diffusion through soils: Comparison of laboratory methods. Journal of environmental monitoring: JEM. 10.1326-36.10.1039/b809461f]. Кроме того при высоком давлении может нарушаться целостность исследуемого керна, под действием давления в грунте возникают трещины и поры, что также влияет на точность определения коэффициента диффузии. Поэтому предложено обеспечивать постоянство давления газа в системе с помощью установленного в инжекционной камере регулятора давления с клапаном, автоматически открывающимся при превышении заданного давления в камере, например, электронного пропорционального регулятора давления «Burkert» [www.burkert.com, https://nkn.team/reguliruushaya-armatura/klapany-s-elektroprivodom-regulimushaya-armatura/klapany-s-elektroprivodom-burkert/reguliruyushhie-klapany/tip-3360/].
0
Инжекционная и выходная камеры оснащены газоанализаторами непрерывного действия, например, пьезосенсорными [Патент на изобретение RU 2302627 С1. Газоанализатор с открытым входом на основе пьезосенсоров. Кучменко Т.А., Кочетова Ж.Ю., Силина Ю.Е. Заявка №2006102742/28. Заявл. 31.01.2006. Опубл. 10.07.2007]. Оснащение устройства газоанализаторами позволяет непрерывно измерять концентрацию прошедшего через слой грунта газа без многократного периодического его пробоотбора из системы. Точность анализа при этом повышается за счет исключения перепадов давления в системе при многочисленных этапах пробоотбора газа по высоте трубы с грунтом, а также за счет снижения погрешности при отборе газа пробоотборником и определении его концентрации на отдельном измерительном устройстве. Выходы первого и второго газоанализатора соединены соответственно с первым и вторым входом блока обработки и отображения результатов измерений, как указано в [Патент на изобретение RU 2632997. Пьезосенсорный датчик для определения относительной влажности воздуха Кочетова Ж.Ю., Базарский О.В., Кучменко Т.А. [и др.]. Заявка №2016120159. Заявл. 24.05.2016. Опубл. 11.10.2017]. Информация непрерывно отображается на экране компьютера в виде базовой линии, соответствующей С, и зависимости изменения концентрации газа в выходной камере от времени ΔС=ƒ(τ), которая по сути является графическим отображением коэффициента диффузии газа через грунт. Такой подход позволяет определять коэффициент диффузии в любой момент времени; в различных слоях грунта, а также при полном насыщении всего грунта в трубе газом, что повышает информативность определения коэффициента диффузии газа через грунт.
Схема устройства для определения коэффициента диффузии газа через грунт представлена на фигуре 1. На фигуре обозначено: 1 - труба с грунтом, 2 - инжекционная камера, 3 - задвижка, 4 - датчик температуры, 5 - первый газоанализатор, 6 - регулятор давления, 7 - выходная камера, 8 - второй газоанализатор, 9 - блок обработки и отображения результатов.
Задвижка 3 между диффузионной камерой 2 и трубой с грунтом 1 предназначена для обеспечения постоянного давления газа в инжекционной камере. Она открывается после того, как в камере устанавливается заданное постоянное давление, отображаемое на регуляторе давления 6. Это давление должно обеспечивать диффузию газа через плотные слои грунта и при этом незначительно влиять на диффузионные характеристики газа в слоях грунта. Экспериментально установлено, что величина давления нагнетаемого газа не должна составлять более 15% от атмосферного. При дальнейшем повышении давления точность определения коэффициента диффузии снижается из-за образования в грунте трещин, пор. Перепады давления в инжекционной камере возникают при прохождении газа через слои грунта с разными плотностями (например, глина / песок). Чтобы не происходило принудительное «продавливание» газа через плотные слои грунта под повышенным давлением, а также не образовывались в грунте трещины и поры, избыточный газ автоматически стравливается в инжекционной камере через клапан регулятора давления 6.
0
0
cp
3
3
Первый газоанализатор 5 в инжекционной камере 2 предназначен для измерения концентрации нагнетаемого в систему газа (C=const, моль/м). Второй газоанализатор 8 в выходной камере 7 измеряет приращение концентрации прошедшего через грунт газа (ΔС, моль/м) от начала подачи газа до полного газонасыщения грунта, когда С=ΔС. Полное газонасыщение грунта соответствует состоянию равновесия газа в системе, когда его концентрации в инжекционной и выходной камерах становятся равными. Коэффициент диффузии газа D через грунт при его полном газонасыщении рассчитывают по формуле:
равн
0
равн
где ΔС - приращение концентрации газа в выходной камере при достижении равновесия в системе, равное С; Δτ - время установления равновесия в системе.
Блок 9 предназначен для обработки и отображения информации. В качестве блока 9 можно использовать персональный компьютер с установленной программой, фиксирующей изменение концентрации газа в выходной камере с течением времени и выводящей на экран зависимость ΔС=ƒ(τ) [Патент на изобретение RU 2632997. Пьезосенсорный датчик для определения относительной влажности воздуха Кочетова Ж.Ю., Базарский О.В., Кучменко Т.А. [и др.]. Заявка №2016120159. Заявл. 24.05.2016. Опубл. 11.10.2017].
атм
изб
0
0
3
Устройство для определения коэффициента диффузии газа через грунт работает следующим образом. Герметично закрепляют трубу с грунтом 1 между инжекционной 2 и потоковой 7 камерами. В качестве образца исследуют, например, грунт, состоящий из слоев глины (~12% объемн. от общей массы образца); суглинистого песка с преобладанием песка (~70% объемн.); слоя чернозема (~18% объемн). Закрывают задвижку инжекционной камеры 3. Инжекционную камеру 2 продувают исследуемым газом (например, метаном) для вытеснения из нее воздуха, затем измеряют температуру в камере измерителем 4 (например, Т=293 К) и устанавливают на контролере давления 6 допустимое давление в инжекционной камере. Оно составляет Р+Р (например, 101325+15198=116523 Па=1,2 бар). Уменьшают давление газа в линии подачи до тех пор, пока в камере 2 не будет создано давление, близкое к заданному. Включают первый газоанализатор 5, подключенный через первый выход к блоку обработки и отображения результатов измерения концентраций газа 9. После того, как на экране монитора блока 9 отобразится постоянное значение С, равное в примере при заданных условиях 47,9±2,5 моль/м, включают второй газоанализатор 8, подсоединенный через второй выход к блоку обработки и отображения информации 9, и открывают задвижку 3. Измерения проводят до установления равновесия в системе, когда С=ΔС. После строят зависимость ΔС=ƒ(τ).
Пример полученной зависимости приращения концентрации газа в выходной камере от времени его диффузии через грунт приведен на фигуре 2, где 1 - скачкообразное изменение концентрации газа в выходной камере, прошедшего через слои грунта до установления равновесия в системе; 2 - линия тренда 1; 3 - линия базовой концентрации газа в инжекционной камере; I и II - прямолинейные участки зависимости 1 для определения коэффициента диффузии в заданный момент времени. По зависимости на фигуре 2 рассчитывают:
cp
3
2
1) средний коэффициент диффузии в соответствии с уравнением (1) - D=47,9/7=6,8 моль/(м⋅ч) при R=0,92. Отклонение от линейности полученной зависимости тем выше, чем выше неоднородность и влажность исследуемого грунта;
3
2
3
2
2) коэффициент диффузии в определенные интервалы времени для участка I: D/=(14,9-11,8)/0,9=3,1 моль/(м⋅ч) при R=0,99; для участка II: (40,1-14,9)/2,2=11,5 моль/(м⋅ч) при R=0,99.
Устройство для определения коэффициента диффузии газа через грунт позволяет повысить точность благодаря поддержанию постоянного давления в системе; информативность измерений за счет непрерывного считывания информации с газонанализаторов от момента начала диффузии до установления полного газонасыщения слоев грунта.