一种土工试验的真空抽气装置及方法与流程

1.本发明涉及土工试验设备技术领域，尤其涉及一种土工试验的真空抽气装置及方法。


背景技术：

2.在土工测试和沉积物比重试验中，规范规定测试样品的粒径小于5mm的土或沉积物，通常用比重瓶法进行，当土粒或沉积物中含有易溶盐、亲水性胶体或有机质时，测定土粒或沉积物比重应用中性液体，用真空抽气法，排除土或沉积物中空气。抽气时真空度应该接近一个大气负压值(-98kpa)，抽气时间可为1-2小时，直至悬液内无气泡溢出时为止，在抽气过程中，悬液不能溢出瓶外。
3.实际上，在对土样或沉积物抽气过程中，由于样品中含有大量空气，会出现刚开始抽气时有大量气泡从样品悬液中抽出，不能及时破裂，而涌向比重瓶口，造成悬液随气泡溢出比重瓶外的现象，不能满足规范要求，在现有的试验中，试验人员为了不使悬液在抽气过程中溢出比重瓶外，在开始抽气初期，需要蹲守在抽气设备旁，不断观察悬液内抽出气泡的状况，需要频繁开启和关闭真空抽气泵，来避免悬液随气泡溢出比重瓶外，直至在真空抽气过程中，悬液内抽出的气泡能在比重瓶中自行爆裂，而不再溢出为止，在这过程中，需要耗费大量的人力和时间，并且在实验过程中为了保证实验的可靠性和完整性，会对测试样品进行同环境下的批量测试，由于是对样品的批量试验，多样品的摆放可能会出现试验人员在观察悬液内抽出气泡的状况时，出现部分样品悬液随气泡溢出比重瓶外未被发现的情况，造成试验数据不准确的情况。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种土工试验的真空抽气装置，其能解决土样或沉积物在抽气过程容易溢出样本容器的问题。
5.本发明的目的之二在于提供一种土工试验的真空抽气方法，其能解决土样或沉积物在抽气过程容易溢出样本容器的问题。
6.为了达到上述目的之一，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种土工试验的真空抽气装置，包括内部设置有真空腔的真空箱体、真空泵、抽气通道、排气通道、真空阀和控制器，所述真空箱体的一侧开设有与真空腔连通的开口，所述开口盖合有封闭门体，所述抽气通道的一端和排气通道的一端均通过真空阀与真空腔连接，所述抽气通道的另一端与真空泵连接，所述真空腔中沿高度方向设置有若干检测部，所述检查部内设置有若干检测单元，所述真空泵、检测单元和真空阀与控制器连接；
8.所述真空阀，用于驱使抽气通道和排气通道其中之一与真空腔连通；
9.所述检测部，用于摆放样本容器；
10.所述检测单元，用于检测样本在样本容器中的位置。
11.优选的，所述检测部的上端设置有层板，所述层板和真空腔的内壁之间连接有垂
直导轨，所述层板的的下端面与检测单元连接，所述垂直导轨与控制器连接。
12.优选的，还包括若干底板，所述底板设置在检测部的下端，所述底板和真空腔的内壁之间连接有水平导轨，所述底板的的上端面对应压力传感器设置有若干定位槽，所述水平导轨与控制器连接。
13.优选的，所述层板和底板均设置有若干气孔；所述气孔，用于连通任意两个沿真空腔的高度方向相邻设置的检测部。
14.优选的，所述定位槽的中心点与检测单元的中心点在水平面上的投影重合。
15.优选的，所述检测单元为压力传感器和液位传感器的其中一种。
16.优选的，所述封闭门体开设有可视窗口。
17.为了达到上述目的之二，本发明所采用的技术方案如下：
18.一种土工试验的真空抽气方法，应用于如上述的土工试验的真空抽气装置的控制器，包括以下步骤：
19.s1：将装有样本的样本容器放置在检测部中，驱使检测单元伸入样本容器中，关闭封闭门体；
20.s2：驱使真空阀处于状态一，并驱使真空泵通过抽气通道对真空腔抽气，其中，状态一为排气通道关闭，抽气通道导通；
21.s3：通过检测单元判断样本是否悬浮至预设位置，若是，则执行s4，若否，则执行s5；
22.s4：关闭真空泵，并驱使真空阀处于状态二预设时间，执行s2，其中状态二为排气通道导通，抽气通道关闭；
23.s5：判断当前真空腔内的真空度是否在预设阈值中维持预设时间，若是，则关闭真空泵，并驱使真空阀处于状态二，若否，则执行s3。
24.相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过将检测部中的检测单元的检测端伸入到样本容器中，然后驱使真空阀处于状态一(即排气通道关闭，抽气通道导通)，并驱使真空泵通过抽气通道对真空腔抽气，再利用检测单元来确定悬液悬浮至预定位置，当悬液悬浮至预定位置后，驱使真空阀处于状态二(即排气通道导通，抽气通道关闭)，以避免悬液随抽出的气泡而上浮的距离过大，导致样本悬液溢出，当排气通道导通后，真空腔内的气压恢复正常，悬液开始下降，未破裂的气泡受气压影响瞬间破裂，以确保抽气产生的气泡全部破裂消除，恢复初始液面，静置预设时间后，重新驱使真空阀处于状态一(即排气通道关闭，抽气通道导通)，再次驱使真空泵通过抽气通道对真空腔抽气，如此重复，直至真空腔内的真空度达到预设阈值和预设时间，悬液未上浮到预定位置，即可认为样本的抽气作业完成，从而实现试验样本的自动液气分离，以便于试验人员更准确地完成样本的分析测试。
附图说明
25.图1为本发明中所述的土工试验的真空抽气装置的结构示意图。
26.图2为图1的a-a方向剖视图。
27.图3为本发明中所述的底部的结构示意图。
28.图4为本发明中所述的土工试验的真空抽气方法的流程图。
29.图中：1-真空箱体；11-真空腔；12-检测部；121-层板；122-垂直导轨；123-底板；
124-水平导轨；125-定位槽；13-检测单元；14-气孔；2-真空泵；3-抽气通道；4-排气通道；5-真空阀。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
34.在本发明中，所述真空泵2可以优选负压真空泵2代替，优选的，所述层板121和底板123可以为一体化结构或者两个独立的部件，所述垂直导轨122和水平导轨124可采用丝杆等构件代替，所述控制器可以是mcu、单片机或者plc控制器等，进一步的，所述真空腔11内还设有气压传感器，用于检测真空腔11内的气压，所述真空箱体1上还设置有警示装置，用于向外界反映土工试验的真空抽气装置的状态，同时所述封闭门体开设有可视窗口，试验者可通过可视窗口观察到真空腔11内的试验情况，以便于试验者定期观察真空腔11内各设备的运行情况，以及应对突发情况，优选的，所述检测单元13为压力传感器和液位传感器的其中一种，用于伸入到样本容器中，获取样本当前在样本容器的位置，所述样本容器优选比重瓶，所述样本可以为海底沉积物、深海土壤以及土粒等，即本发明不限于应用于陆地上的土工测试，还可以应用到海洋工程中，对海底沉积物、深海土壤以及土粒等进行抽气试验。
35.实施例一：
36.如图1-4所示，一种土工试验的真空抽气装置，包括内部设置有真空腔11的真空箱体1、真空泵2、抽气通道3、排气通道4、真空阀5和控制器，所述真空箱体1的一侧开设有与真空腔11连通的开口，所述开口盖合有封闭门体，所述抽气通道3的一端和排气通道4的一端均通过真空阀5与真空腔11连接，所述抽气通道3的另一端与真空泵2连接，所述真空腔11中沿高度方向设置有若干检测部12，所述检查部内设置有若干检测单元13，所述真空泵2、检测单元13和真空阀5与控制器连接；所述真空阀5，用于驱使抽气通道3和排气通道4其中之一与真空腔11连通；所述检测部12，用于摆放样本容器；所述检测单元13，用于检测样本在样本容器中的位置。
37.具体的，预先将样本装载到样本容器中，然后将装有样本的样本容器放置到检查部，再将检测单元13的检测端伸入到样本容器中，关闭封闭门体，驱使真空阀5处于状态一
(即排气通道4关闭，抽气通道3导通)，并驱使真空泵2通过抽气通道3对真空腔11抽气，由于样本中含有大量的空气，抽气时，样本出现向上悬浮的现象(即形成悬液)，并且在初始阶段会有大量的气泡涌出，当检测单元13检测到悬液悬浮至预定位置后，具体的，通过伸入比重瓶内一定深度的液位传感器判断当前位置是否有悬液或者压力传感器判断当前位置是否由悬液向上浮产生的压力，当悬液悬浮至预定位置后，驱使真空阀5处于状态二(即排气通道4导通，抽气通道3关闭)，以避免悬液上浮的距离过大，导致样本溢出，另外，悬液涌出的气泡需要一定的时间后才会破裂，通过控制悬液上浮的高度来避免气泡逃离样本容器，确保气泡从涌出到破裂都在同一个样本容器中，防止样本溢出以及不同的样本容器内的样本交叉污染；当排气通道4导通后，真空腔11内的气压恢复正常，悬液开始下降，未破裂的气泡受气压影响瞬间破裂，以确保抽气产生的气泡全部破裂消除，恢复初始液面，静置预设时间后，重新驱使真空阀5处于状态一(即排气通道4关闭，抽气通道3导通)，再次驱使真空泵2通过抽气通道3对真空腔11抽气，使得样本再次出现向上悬浮的现象(即形成悬液)，气泡中悬液中涌出，当悬液悬浮至预定位置后，驱使真空阀5处于状态二(即排气通道4导通，抽气通道3关闭)，如此重复，直至悬液不再悬浮至预定位置，且真空腔11内的真空度达到预设阈值，优选的，预设阈值为一个大气负压值(-98kpa)，可以通过真空腔11内的气压传感器来判断，在一个大气负压值(-98kpa)时，检测单元13未检测到悬液的信号，即悬液在一个大气负压值(-98kpa)的情况下，未上浮到预定位置，且达到预设时间，即可认为样本的抽气作业完成，进一步的，警示装置可以向外界提示抽气已完成，从而实现试验样本的自动液气分离，即获得低干扰的试验样本进行下一步的试验分析，以便于试验人员更准确地完成样本的分析测试，并且降低试验中产生的污染以及资源浪费。
38.实施例二：
39.如图1-4所示，一种土工试验的真空抽气装置，包括内部设置有真空腔11的真空箱体1、真空泵2、抽气通道3、排气通道4、真空阀5和控制器，所述真空箱体1的一侧开设有与真空腔11连通的开口，所述开口盖合有封闭门体，所述抽气通道3的一端和排气通道4的一端均通过真空阀5与真空腔11连接，所述抽气通道3的另一端与真空泵2连接，所述真空腔11中沿高度方向设置有若干检测部12，所述检测部内设置有若干检测单元13，所述真空泵2、检测单元13和真空阀5与控制器连接；所述真空阀5，用于驱使抽气通道3和排气通道4其中之一与真空腔11连通；所述检测部12，用于摆放样本容器；所述检测单元13，用于检测样本在样本容器中的位置。在本实施例中，所述检测部12的上端设置有层板121，所述层板121和真空腔11的内壁之间连接有垂直导轨122，所述层板121的的下端面与检测单元13连接，所述垂直导轨122与控制器连接。优选的，还包括若干底板123，所述底板123设置在检测部12的下端，所述底板123和真空腔11的内壁之间连接有水平导轨124，所述底板123的上端面对应压力传感器设置有若干定位槽125，所述水平导轨124与控制器连接。进一步的，所述层板121和底板123均设置有若干气孔14；所述气孔14，用于连通任意两个沿真空腔11的高度方向相邻设置的检测部12。优选的，所述定位槽125的中心点与检测单元13的中心点在水平面上的投影重合。
40.在本实施例中，通过水平导轨124将底板123移出真空腔11，以便于试验者将装有样本的样本容器放置在底板123上，优选的，底板123上设置有定位槽125，用于固定样本容器的位置以及摆放姿态，然后水平导轨124将底板123复位，然后垂直导轨122驱使层板121
下降，以使检测单元13的检测端伸入样本容器中，优选的，所述定位槽125的中心点与检测单元13的中心点在水平面上的投影重合，以使检测单元13进入样本容器时，样本容器与检测单元13之间不发生接触，直接检测单元13直接进入样本容器中，避免出现碰触事故，导致检测单元13无法正常运作或者样本容器倾斜，使得样品泄露或者检测单元13误判，然后关闭封闭门体，驱使真空阀5处于状态一(即排气通道4关闭，抽气通道3导通)，并驱使真空泵2通过抽气通道3对真空腔11抽气，进一步的，所述层板121和底板123均设置有若干气孔14，以使得真空腔11内各个检测部12是连通的，即各个检测部12的气压是相同的，避免气压误差导致的试验失败。由于样本中含有大量的空气，抽气时，样本出现向上悬浮的现象(即形成悬液)，并且在初始阶段会有大量的气泡涌出，当检测单元13检测到悬液悬浮至预定位置后，具体的，通过伸入样本容器内一定深度的液位传感器判断当前位置是否有悬液或者压力传感器判断当前位置是否由悬液向上浮产生的压力，当悬液悬浮至预定位置后，驱使真空阀5处于状态二(即排气通道4导通，抽气通道3关闭)，以避免悬液上浮的距离过大，导致样本溢出，另外，悬液涌出的气泡需要一定的时间后才会破裂，通过控制悬液上浮的高度来避免气泡逃离样本容器，确保气泡从涌出到破裂都在同一个样本容器中，防止样本溢出以及不同的样本容器交叉污染；当排气通道4导通后，真空腔11内的气压恢复正常，悬液开始下降，未破裂的气泡受气压影响瞬间破裂，以确保抽气产生的气泡全部破裂消除，恢复初始液面，静置预设时间后，重新驱使真空阀5处于状态一(即排气通道4关闭，抽气通道3导通)，再次驱使真空泵2通过抽气通道3对真空腔11抽气，使得样本再次出现向上悬浮的现象(即形成悬液)，气泡从悬液中涌出，当悬液悬浮至预定位置后，驱使真空阀5处于状态二(即排气通道4导通，抽气通道3关闭)，如此重复，直至悬液不再悬浮至预定位置，且真空腔11内的真空度达到预设阈值，优选的，预设阈值为一个大气负压值(-98kpa)，可以通过真空腔11内的气压传感器来判断，在一个大气负压值(-98kpa)时，检测单元13未检测到悬液的信号，即悬液在一个大气负压值(-98kpa)的情况下，未上浮到预定位置，且达到预设时间，即可认为样本的抽气作业完成，进一步的，警示装置可以向外界提示抽气已完成。
41.实施例三：
42.如图1-4所示，一种土工试验的真空抽气方法，应用于如实施例一或二所述的土工试验的真空抽气装置的控制器，包括以下步骤：
43.s1：将装有样本的样本容器放置在检测部12中，驱使检测单元13伸入样本容器中，关闭封闭门体；
44.具体的，通过水平导轨124将底板123移出真空腔11，以便于试验者将装有样本的样本容器放置在底板123上，优选的，底板123上设置有定位槽125，用于固定样本容器的位置以及摆放姿态，然后水平导轨124将底板123复位，然后垂直导轨122驱使层板121下降，以使检测单元13的检测端伸入样本容器中，优选的，所述定位槽125的中心点与检测单元13的中心点在水平面上的投影重合，以使检测单元13进入样本容器时，样本容器与检测单元13之间不发生接触，直接检测单元13直接进入样本容器中，避免出现碰触事故，导致检测单元13无法正常运作或者样本容器倾斜，使得样品泄露或者检测单元13误判，然后关闭封闭门体。
45.s2：驱使真空阀5处于状态一，并驱使真空泵2通过抽气通道3对真空腔11抽气，其中，状态一为排气通道4关闭，抽气通道3导通；
46.具体的，驱使真空阀5处于状态一(即排气通道4关闭，抽气通道3导通)，并驱使真空泵2通过抽气通道3对真空腔11抽气，进一步的，所述层板121和底板123均设置有若干气孔14，以使得真空腔11内各个检测部12是连通的，即各个检测部12的气压是相同的，避免气压误差导致的试验失败。
47.s3：通过检测单元13判断样本是否悬浮至预设位置，若是，则执行s4，若否，则执行s5；
48.具体的，由于样本中含有大量的空气，抽气时，样本出现向上悬浮的现象(即形成悬液)，并且在初始阶段会有大量的气泡涌出，当检测单元13检测到悬液悬浮至预定位置后，具体的，通过伸入样本容器内一定深度的液位传感器判断当前位置是否有悬液，或者压力传感器判断当前位置是否有悬液向上浮产生的压力。当悬液悬浮至预定位置后，驱使真空阀5处于状态二(即排气通道4导通，抽气通道3关闭)，以避免悬液随气泡上浮的距离过大，导致样本溢出，另外，悬液涌出的气泡需要一定的时间后才会破裂，通过控制悬液上浮的高度来避免气泡逃离样本容器，确保气泡从涌出到破裂都在同一个样本容器中，防止样本溢出以及不同的样本容器内的样本交叉污染。
49.s4：关闭真空泵2，并驱使真空阀5处于状态二预设时间，执行s2，其中状态二为排气通道4导通，抽气通道3关闭；
50.具体的，当排气通道4导通后，真空腔11内的气压恢复正常，悬液开始下降，未破裂的气泡受气压影响瞬间破裂，以确保抽气产生的气泡全部破裂消除，恢复初始液面，静置预设时间后，重新驱使真空阀5处于状态一(即排气通道4关闭，抽气通道3导通)，再次驱使真空泵2通过抽气通道3对真空腔11抽气，使得样本再次出现向上悬浮的现象(即形成悬液)，气泡从悬液中涌出，当悬液悬浮至预定位置后，驱使真空阀5处于状态二(即排气通道4导通，抽气通道3关闭)，如此重复。
51.s5：判断当前真空腔11内的真空度是否在预设阈值中维持预设时间，若是，则关闭真空泵2，并驱使真空阀5处于状态二，若否，则执行s3。
52.具体的，直至真空腔11内的真空度达到预设阈值，优选的，预设阈值为一个大气负压值(-98kpa)，可以通过真空腔11内的气压传感器来判断，在一个大气负压值(-98kpa)时，检测单元13未检测到悬液的信号，即悬液在一个大气负压值(-98kpa)的情况下，未上浮到预定位置，且达到预设时间即可认为样本的抽气作业完成，进一步的，警示装置可以向外界提示抽气已完成。
53.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。