CN103323379A - 一种室内柱状土层给水度自动测定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内柱状土层给水度自动测定系统。在底座上分别固定铁架、水柱、丝杠、位移传感器固定端、升降电机；升降电机通过联轴器、齿轮与丝杠连接；土柱与水柱连接；升降台与丝杠螺纹连接；位移传感器移动端、三通补溢水器固定在升降台上；PLC可编程控制器和触摸屏安装于焊接在铁架侧面上的机箱中。本发明作为教学仪器，使学生更好地理解给水度的概念及影响因素，拓宽学生的知识面；在科研中，系统由于测量方式的转变，将供水装置与溢水装置合二为一，使测定系统在简洁性、完整性上有所提升。配合各控制元件的控制采集设计，实现了土体饱水与释水两个测定过程的自动监控；可进行多种土层给水度机理的研究，应用前景广泛。

Description

一种室内柱状土层给水度自动测定系统
技术领域
本发明属于地下水测试技术与设备范围，特别涉及一种室内柱状土层给水度自动测定系统。
背景技术
土层给水度μ是土壤释水和储水性能的一个重要指标，地下水发生单位水头下降时，从单位体积V的土壤中可以释放出来的水的体积Q，叫做土壤的给水度μ=Q/V，它是地下水资源量分析计算中最重要的参数之一，能否客观地认识它的变化规律及正确地估算它的值，是直接关系到水资源量估算可靠与否的关键，给水度的测定在水文水资源方向的教学与科研中必不可少。目前传统的室内测定方法一般采用人工测定的方式，用马氏瓶等供水装置将一定高度的土体饱和，再用溢水装置将饱和土样中的水逐层退出储存，再用滴定管（或量筒）测出退水量。土层给水特征受到地下水位埋深、土层结构等因素的影响，得到一条完整精确的土层给水度曲线，土体的高度需要在2米左右，根据土体性质不同，数据点在20-40个左右，每个数据点的测定一般耗时8-48小时左右。人工进行测定，存在操作不方便、看守耗时、测量精度低、数据不易保存、无法实时监控等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，在底座10上分别固定水柱2、位移传感器4的固定端、升降电机7、铁架11和丝杠12底端；丝杠12的顶端固定在铁架11顶梁上；升降电机7通过联轴器、齿轮与丝杠12连接；土柱1分为上下两段，下段的下端通过法兰与水柱2连接；升降台14与丝杠12通过螺纹连接；位移传感器4的移动端与升降台14连接；三通补溢水器3包括内筒与外筒两部分，固定在升降台14上；三通补溢水器3内筒顶部设有通气孔13，底部通过软管接入进出水电磁阀8，并与水柱2下部连接；外筒下部安装有溢水液位传感器5，底部安装有排水电磁阀6；水柱2下部安装水柱液位传感器9；PLC可编程控制器15和触摸屏16安装于焊接在铁架11侧面上的控制机箱17中。
所述土柱1由有机玻璃制成，用来盛放实验土样，其中上段土柱上下均无底，通过法兰与下段土柱连接，下段土柱底部粘接着均匀钻有0.5cm直径小孔的底板，底板上铺有滤纸，从而防止土样装填、饱和、释水过程中土体的流逝。
所述水柱为有机玻璃制成，实验过程中始终充满水。
所述通气孔13用胶塞固定插入到三通补溢水器3的内筒中，可根据需要进行插拔。
所述三通补溢水器3固定在升降台14上，随着升降台14上下运动，既是土体饱水过程中的供水装置，又是释水过程中的储水、测量装置。
所述位移传感器4、溢水液位传感器5、排水电磁阀6、升降电机7、进出水电磁阀8和水柱液位传感器9均通过电缆线与PLC可编程控制器15连接。
所述PLC可编程控制器15通过MPI/PPI通讯电缆与触摸屏16连接，二者通过变量链接，实现同步操作显示；通过触摸屏16人机界面软件的二次开发，实现饱水与释水两个测定过程的自动监控，实验数据的采集存储、分析处理、显示及历史查询功能。
本发明的有益效果是作为教学仪器在使学生更好地理解给水度概念及影响因素的同时，对自动测定仪器设备以及自动测控系统的实现有一个全面的了解与认识，拓宽学生的知识面。在科研中，系统利用测量液位的方式代替了传统测定仪器中测量体积（或重量）的方式，在提高测量精度的同时，由于测量方式的转变，在机械管路方面实现了将供水装置与溢水装置合二为一，使测定系统在简洁性、完整性上有所提升。配合位移传感器、电动机、电磁阀、液位传感器等控制元件的控制采集设计，实现了土体饱水与释水两个测定过程的自动化处理；可进行多种设定情况下土层给水度机理的研究。系统适用于与土壤有关领域（如农业、土壤环境、水资源）的土层给水度的测试工作中，具有较广泛的应用前景。
附图说明
图1是室内柱状土层给水度自动测定系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种室内柱状土层给水度自动测定系统,下面结合附图,实施例对本发明进一步予以说明。
如图1所示为一种室内柱状土层给水度自动测定系统。图中，在底座10上分别固定水柱2、位移传感器4的固定端、升降电机7、铁架11和丝杠12底端；丝杠12的顶端固定在铁架11顶梁上；升降电机7通过联轴器、齿轮与丝杠12连接；土柱1分为上下两段，下段的下端通过法兰与水柱2连接；升降台14与丝杠12通过螺纹连接；位移传感器4的移动端与升降台14连接；三通补溢水器3包括内筒与外筒两部分，固定在升降台14上；三通补溢水器3内筒顶部设有通气孔13，底部通过软管接入进出水电磁阀8，并与水柱2下部连接；外筒下部安装有溢水液位传感器5，底部安装有排水电磁阀6；水柱2下部安装水柱液位传感器9；PLC可编程控制器15和触摸屏16安装于焊接在铁架11侧面上的控制机箱17中。
位移传感器4、溢水液位传感器5、排水电磁阀6、升降电机7、进出水电磁阀8和水柱液位传感器9均通过电缆线与PLC可编程控制器15连接。
位移传感器4的移动端与升降台14连接，随着升降台的移动，输出4-20mA电流信号，4mA与20mA对应升降台14移动的最低及最高位置，PLC可编程控制器15对位移传感器4的输出电流的进行实时检测，并通过模拟量到数字量的计算转换，获得升降台14的高度位置。
PLC可编程控制器15对溢水液位传感器5的输出电流进行实时检测，并通过模拟量到数字量的计算转换，获得三通补溢水器3外筒中水位情况。
PLC可编程控制器15对水柱液位传感器9的输出电流的进行实时检测，并通过模拟量到数字量的计算转换，获得水柱2中形成水压的情况。
PLC可编程控制器15通过MPI/PPI通讯电缆与触摸屏16连接，二者通过变量链接，实现同步操作显示。
通过触摸屏16人机界面软件的开发，可在触摸屏16上对每次饱和高度h0、每次释水高度h1、稳定时间t、开阀液位H0、关阀液位H1等参变量进行手自动设定；手自动控制排水电磁阀6、进出水电磁阀8的开关及升降电机7的启停升降；对升降高度、水柱压力、累计释水量、给水度等实验数据进行实时显示；还可形成实验数据的趋势曲线，进行历史数据的查询等。
以下分别介绍饱水与释水过程的自动控制过程：
一、饱水即土样饱和过程
先将水柱2中充满水，再将实验土样，按照设定容重分层均匀装入土柱1中，将三通补溢水器3内筒中注满水，插入通气孔13。控制升降电机7，将升降台14调节到最低位置，此时，三通补溢水器3内筒顶端与水柱2顶端齐平。检测并记录水柱液位传感器9的初始值h，然后，将升降台升高设定饱和高度h0，打开进出水电磁阀8开始饱和土柱，经过时间t后，关闭进出水电磁阀8，检测水柱液位传感器9的值是否等于h+h0，若不等于，打开进出水电磁阀8，继续补水，等待时间t后，判断，直到水柱液位传感器9的值等于h+h0，关闭进出水电磁阀8，启动升降电机7，将升降台14再次升高h0后，打开进出水电磁阀8，重复以上过程，直到整个土柱完全饱和。
二、释水即土样给水过程
将三通补溢水器3内筒注满水，拔出通气孔13。控制升降电机7，将升降台14调节到最高位置，此时三通补溢水器3内筒顶端与土柱1顶端齐平。检测并记录水柱液位传感器9的初始值h，然后，将升降台降低设定释水高度h1，打开进出水电磁阀8，土柱2开始释水。释放出的水通过三通补溢水器3的内筒留到外筒中进行储存，并通过溢水液位传感器5进行出水量的检测。经过时间t后，检测水柱液位传感器9的值是否等于h-h1，若不等于，继续释水等待，直到水柱液位传感器9的值等于h-h1，启动升降电机7，将升降台14再降低高度h1，重复以上过程，直到升降台降低到最低点，即三通补溢水器3内筒顶端与水柱2顶端齐平，完成整个土柱的释水过程。释水过程中，当溢水液位传感器5的值达到开阀液位H0时，关闭进出水电磁阀8，打开排水电磁阀6进行放水，直到液位到达关阀液位H1时，关闭排水电磁阀6，打开进出水电磁阀8，并自动记录开阀次数，从而实现对释水量的实时采集记录。

Claims (8)

1.一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，在底座（10）上分别固定水柱（2）、位移传感器（4）的固定端、升降电机（7）、铁架（11）和丝杠（12）底端；丝杠（12）的顶端固定在铁架（11）顶梁上；升降电机（7）通过联轴器、齿轮与丝杠（12）连接；土柱（1）分为上下两段，下段的下端通过法兰与水柱（2）连接；升降台（14）与丝杠（12）通过螺纹连接；位移传感器（4）的移动端与升降台（14）连接；三通补溢水器（3）包括内筒与外筒两部分，固定在升降台（14）上；三通补溢水器（3）内筒顶部设有通气孔（13），底部通过软管接入进出水电磁阀（8），并与水柱（2）下部连接；外筒下部安装有溢水液位传感器（5），底部安装有排水电磁阀（6）；水柱（2）下部安装水柱液位传感器（9）；PLC可编程控制器（15）和触摸屏（16）安装于焊接在铁架（11）侧面上的控制机箱（17）中。
2.根据权利要求1所述一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，所述土柱（1）由有机玻璃制成，用来盛放实验土样，其中上段土柱上下均无底，通过法兰与下段土柱连接，下段土柱底部粘接着均匀钻有0.5cm直径小孔的底板，底板上铺有滤纸，从而防止土样装填、饱和、释水过程中土体的流逝。
3.根据权利要求1所述一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，所述水柱（2）为有机玻璃制成，实验过程中始终充满水。
4.根据权利要求1所述一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，所述三通补溢水器（3）固定在升降台（14）上，随着升降台（14）上下运动。
5.根据权利要求1所述一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，所述通气孔（13）用胶塞固定插入到三通补溢水器（3）的内筒中，可根据需要进行插拔。
6.根据权利要求1所述一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，所述三通补溢水器（3），既是土体饱水过程中的供水装置，又是释水过程中的储水、测量装置。
7.根据权利要求1所述一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，所述位移传感器（4）、溢水液位传感器（5）、排水电磁阀（6）、升降电机（7）、进出水电磁阀（8）和水柱液位传感器（9）均通过电缆线与PLC可编程控制器（15）连接。
8.根据权利要求1所述一种室内柱状土层给水度自动测定系统，其特征在于，所述PLC可编程控制器（15）通过MPI/PPI通讯电缆与触摸屏（16）连接，二者通过变量链接，实现同步操作显示；通过触摸屏（16）人机界面软件的二次开发，可实现土体饱水与释水两个测定过程的自动监控，实验数据的采集存储、分析处理、显示及历史查询功能。
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