CN106442196A - 一种称重式地中蒸渗自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种称重式地中蒸渗自动测量装置，通过分别对马氏瓶（3）和入渗瓶（4）进行称重，完成土壤潜水蒸发量和入渗量的测量。本发明改进了平衡瓶（2）、马氏瓶（3）的安装方法，并改进了马氏瓶（3）的调水位管（28）安装位置，用于消除入渗量漂移和潜水蒸发量漂移，并且对平衡瓶（2）的入渗管（23）做了改进，以便于调节平衡瓶（2）内的水位高度。本发明的采集控制器（9）根据马氏瓶（3）和入渗瓶（4）内水体重量变化，自动控制设置在管路上的各个电磁阀、潜水泵的通断完成补、排水工作，实现蒸渗过程的实时在线自动化测量，显著提高了工作效率。

Description

一种称重式地中蒸渗自动测量装置

技术领域

本发明涉及一种称重式地中蒸渗自动测量装置，属于定水位地中蒸渗测量装置领域。

背景技术

定水位地中蒸渗测量装置是用于测量土壤潜水蒸发量和入渗量的设备。现有技术中，定水位地中蒸渗测量装置包括土柱筒、马氏瓶、平衡瓶和入渗瓶。平衡瓶通过连通管与土柱筒水路连接，平衡瓶与马氏瓶安装于支撑板上，两者间通过连通管连接，平衡瓶中设置入渗管，入渗管的上端口高度与土柱筒的埋深水位线重合，入渗管的下端安放入渗瓶，马氏瓶设置排气管、补水管和调水位管，调水位管的下端口高度与土柱筒的埋深水位线重合。土柱筒和大气相通，与土壤无水力联系，当土柱筒内的土壤水分蒸发时，平衡瓶会通过连通管路自动给土柱筒补充水分，马氏瓶中的水进入平衡瓶，马氏瓶补给的水量即为土壤潜水蒸发量，土壤潜水蒸发量可以直接通过观测马氏瓶上的刻度人工读取；当大气降水有入渗出现时，入渗水通过连通管路由平衡瓶进入入渗瓶，入渗瓶的水量也可以直接通过入渗瓶的刻度观测得到。

相关蒸渗观测规范要求，土壤潜水蒸发量和入渗量的观测分辨率为0.1mm，并且在整个观测过程中，平衡瓶入渗管的上端口高度、马氏瓶调水位管下端口高度与土柱筒埋深水位线高度一致。在观测过程中，如果平衡瓶入渗管的上端口高度或马氏瓶调水位管下端口高度偏离土柱筒埋深水位线高度，就会产生潜水蒸发量漂移和入渗量漂移。

公知技术存在的缺点是，潜水蒸发量和入渗量的观测都是通过马氏瓶以及平衡瓶上的刻度线人工读取的，不仅存在人为读取误差，而且效率低、实时性差。另一方面，在测量潜水蒸发量时，马氏瓶内水位降低到设定工作水位下限时，必须进行人工补水。人工补水需要先关闭马氏瓶与平衡瓶之间的连通管路，打开马氏瓶的通气管，再进行补水；补水到补水上限时，需先关闭补水管、马氏瓶通气管、土柱筒与马氏瓶之间的连通管路，然后打开马氏瓶与平衡瓶之间的连通管路进行泄水，直至马氏瓶内水柱高度所产生的压力与外部大气压力相平衡，然后打开土柱筒与马氏瓶之间的连通管路，进入正常工作状态。这是一个复杂的过程，一个中等规模的地中蒸渗观测站约有数十个观测点，在人力不足的情况下，要对这些观测点实施同步的精准观测又要及时完成补水是不可能实现的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够精确的实时在线自动测量土壤潜水蒸发量、入渗量的称重式地中蒸渗自动测量装置。

为了实现上述目的，本发明一种称重式地中蒸渗自动测量装置，包括蒸发称重传感器、入渗称重传感器、采集控制器、土柱筒、平衡瓶、马氏瓶和入渗瓶，土柱筒和平衡瓶之间通过连通管连接，平衡瓶中的入渗管下端口正对入渗瓶进水漏斗，马氏瓶中设置调水位管和通气管，所述的调水位管的下端口与土柱筒的埋深水位线处于同一水准线上；所述的平衡瓶固定在水平支板上，水平支板安装在墙上或地面上；所述的马氏瓶安装在蒸发称重托板上，蒸发称重托板安装在蒸发称重传感器上，并且马氏瓶的轴线位于蒸发称重传感器的扭转轴线位置，蒸发称重传感器通过蒸发称重底板水平固定在墙上或地面上；所述的入渗瓶通过入渗称重托板安装在入渗称重传感器上，入渗称重传感器通过入渗称重底板水平固定在墙上或地面上；所述的连通管上设置第一电磁阀，通气管上设置第五电磁阀；所述的马氏瓶顶部设置补水漏斗，补水漏斗的漏斗延伸管下端口低于调水位管的下端口，补水漏斗上方设置补水管，补水管上设置第四电磁阀；所述的调水位管的轴线与马氏瓶的轴线重合；所述的平衡瓶下部设置第二电磁阀，平衡瓶通过第二电磁阀和软管与马氏瓶连通；入渗管的下端设置第三电磁阀；所述的入渗瓶内设置潜水泵，潜水泵连接抽水管；所述的采集控制器与蒸发称重传感器、入渗称重传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和潜水泵电连接。

由称重传感器工作原理可知，称重传感器在称重过程中，随着载荷的增加，弹性体会产生下沉位移形变或扭转式下沉位移形变，称重传感器通过应变片检测上述位移形变量，输出对应的电信号，实现称重测量。量程为20kg-50kg的称重传感器满载时，其下沉位移形变量为0.4mm-0.6mm，对于本发明方案来言，这种下沉位移形变量是不容忽略的，这种下沉位移形变量会导致平衡瓶和马氏瓶的位置发生更大的变化，其变化量在1mm以上，进而影响到平衡瓶入渗管上端口和马氏瓶调水位管下端口的高度变化，使之偏离土柱筒埋深水位线，产生入渗量漂移和潜水蒸发量漂移，想要准确的测量土壤潜水蒸发量和入渗量，必须消除称重传感器的下沉位移形变量带来的不良影响。

所述平衡瓶单独安装在水平支板上，这样可以避免当蒸发称重传感器负载发生下沉位移形变时，平衡瓶内的水位高度始终和埋深水位线保持一致。平衡瓶和马氏瓶之间的软管是为了避免平衡瓶重量变化导致连接管路产生应力，进而影响到马氏瓶重量的测量精度。

所述补水漏斗的漏斗延伸管下端口低于调水位管的下端口，这样可以保证当马氏瓶内的水降低到埋深水位线高度时，外部空气不会通过补水漏斗进入马氏瓶。

当土柱筒内土壤水分蒸发时，下部水分在毛细作用下向上补充，土柱筒水位下降，低于埋深水位线，马氏瓶中的水通过平衡瓶进入土柱筒；蒸发称重传感器实时采集马氏瓶内水体的重量变化，并发送给采集控制器，采集控制器计算出对应时段的潜水蒸发量。当马氏瓶内水体重量等于马氏瓶工作重量下限时，采集控制器控制第四电磁阀和第五电磁阀打开、控制第二电磁阀关闭，通过补水管给马氏瓶补水。当补水到补水重量上限时，采集控制器控制控制第一电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀关闭、控制第二电磁阀和第三电磁阀打开排出马氏瓶内的多余水，直到马氏瓶内水位的压力达到平衡状态，瓶内水体重量处于马氏瓶工作重量上限。马氏瓶排出的多余水可以通过入渗瓶下面的称重传感器测量并记录，不作为入渗量计算。

当地面降水时，水进入土柱筒，使土柱筒内水位升高，高于埋深水位线，土柱筒中多出的水通过入渗管进入入渗瓶，入渗量的计量方法同上。

当入渗瓶内水体重量达到设定工作重量上限时，采集控制器控制第三电磁阀关闭并控制潜水泵启动，通过抽水管排水，将入渗瓶内水位排放至工作重量下限，然后开启第三电磁阀，进入入渗量测量工作状态。

本发明采集控制器通过称重传感器自动测量马氏瓶以及入渗瓶内的水量变化情况，计算出潜水蒸发量和入渗量。采集控制器根据采集测量的数据，自动控制个电磁阀完成补水工作，实现了地中蒸渗测量过程的自动化，节省了大量人力、物力，测量结果实时性好，精确性高。本发明不受人力资源限制，可以大量布置观测点，同时完成蒸渗测量工作。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的采集控制器的电原理图；

图3是本发明蒸发称重传感器在负载变化时发生下沉位移形变的状态图。

图中：1、土柱筒，2、平衡瓶，3、马氏瓶，4、入渗瓶，5、蒸发称重传感器，6、入渗称重传感器，9、采集控制器， 11、第一电磁阀，12、第二电磁阀，13、第三电磁阀，14、第四电磁阀，15、第五电磁阀，16、第六电磁阀，17、潜水泵，21、连通管，22、软管，23、入渗管，24、补水管，25、通气管，26、泄放管，27、抽水管，28、调水位管，29、入渗水位管，31、补水漏斗，32、漏斗延伸管，33、入渗瓶进水漏斗，34、三通接头，41、水平支板，42、蒸发称重托板，43、蒸发称重底座，44、入渗称重托板，45、入渗称重底座，71、埋深水位线，77、扭转轴线，91、微控制单元，92、驱动控制电路，93、信息采集电路，94、存储器，95、显示屏，96、键盘，97、I/O接口电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种称重式地中蒸渗自动测量装置，包括蒸发称重传感器5、入渗称重传感器6、采集控制器9、土柱筒1、平衡瓶2、马氏瓶3和入渗瓶4，土柱筒1和平衡瓶2之间通过连通管21连接，平衡瓶2中的入渗管23下端口正对入渗瓶进水漏斗33，马氏瓶3中设置调水位管28和通气管25，所述的调水位管28的下端口与土柱筒1的埋深水位线71处于同一水准线上；所述平衡瓶2固定在水平支板41上，水平支板41安装在墙上或地面上；所述的马氏瓶3安装在蒸发称重托板42上，蒸发称重托板42安装在蒸发称重传感器5上，并且马氏瓶3的轴线位于蒸发称重传感器5的扭转轴线77位置，蒸发称重传感器5通过蒸发称重底板43水平固定在墙上或地面上；所述的入渗瓶4通过入渗称重托板44安装在入渗称重传感器6上，入渗称重传感器6通过入渗称重底板45水平固定在墙上或地面上；所述的连通管21上设置第一电磁阀11，通气管25上设置第五电磁阀15；所述的马氏瓶3顶部设置补水漏斗31，补水漏斗31的漏斗延伸管32下端口低于调水位管28的下端口，补水漏斗32上方设置补水管24，补水管24上设置第四电磁阀14；所述的调水位管28的轴线与马氏瓶3的轴线重合；所述的平衡瓶2下部设置第二电磁阀12，平衡瓶2通过第二电磁阀12和软管22与马氏瓶3连通；入渗管23的下端设置第三电磁阀13；所述的入渗瓶4内设置潜水泵17，潜水泵17连接抽水管27；所述的采集控制器9与蒸发称重传感器5、入渗称重传感器6、第一电磁阀11、第二电磁阀12、第三电磁阀13、第四电磁阀14、第五电磁阀15和潜水泵17电连接。

当土柱筒1内土壤水分蒸发时，下部水分在毛细作用下向上补充，土柱筒1水位下降，低于埋深水位线71，马氏瓶3中的水通过平衡瓶2进入土柱筒1；蒸发称重传感器5实时采集马氏瓶3内水体的重量变化，并发送给采集控制器9计算出对应时段的潜水蒸发量。当马氏3瓶内水体重量等于马氏瓶3工作重量下限时，采集控制器9控制第四电磁阀14和第五电磁阀15打开、控制第二电磁阀12关闭，通过补水管23给马氏瓶3补水。当补水到补水重量上限时，采集控制器9控制控制第一电磁阀11、第四电磁阀14和第五电磁阀15关闭、控制第二电磁阀12和第三电磁阀13打开排出马氏瓶内3的多余水，直到马氏瓶3内水位的压力达到平衡状态，瓶内水体重量处于马氏瓶工作重量上限。马氏瓶3排出的多余水可以通过入渗瓶4下面的入渗称重传感器6测量并记录，不作为入渗量计算。

当地面降水时，水进入土柱筒1，使土柱筒1内水位升高，高于埋深水位线71，土柱筒1中多出的水通过入渗管23进入入渗瓶4，入渗量的计量方法同上。

本发明采集控制器9通过称重传感器自动测量马氏瓶3以及入渗瓶4内的水量变化情况，计算出潜水蒸发量和入渗量。采集控制器9根据采集测量的数据，自动控制各电磁阀、潜水泵完成补、排水工作，实现了地中蒸渗测量过程的自动化，节省了大量人力、物力，测量结果实时性好，精确性高。本发明不受人力资源限制，可以大量布置观测点，同时完成蒸渗测量工作。

平衡瓶2和马氏瓶3之间的软管22是为了避免马氏瓶的重量变化引起高度变化导致连接管路产生应力，影响测量精度。

如图2所示，所述采集控制器9包括微控制单元91、驱动控制电路92、信息采集电路93、存储器94、显示屏95、键盘96和I/O接口电路97；微控制单元91通过信息采集电路93与蒸发称重传感器5和入渗称重传感器6电连接；驱动控制电路92与第一电磁阀11、第二电磁阀12、第三电磁阀13、第四电磁阀14和第五电磁阀15和潜水泵17电连接；I/O接口电路97与外部上位计算机连接。

进一步，所述的称重式地中蒸渗自动测量装置，还可在第三电磁阀13上端的入渗管23上设置三通接头34，三通接头34连接泄放管26，泄放管26上设置第六电磁阀16，第六电磁阀16与采集控制器9电连接。当补水到补水重量上限时，为使马氏瓶3内形成负压，有一部分水要通过平衡瓶2排出，为避免平衡瓶2中的水进入入渗瓶4，在平衡瓶2和第三电磁阀13之间的连接管路上设置用于泄流的第六电磁阀16，当补水到补水重量上限时，采集控制器9控制第一电磁阀11、第三电磁阀13、第四电磁阀14和第五电磁阀15关闭、控制第二电磁阀12和第六电磁阀16打开排出马氏瓶3内的多余水，直到马氏瓶3内压力达到平衡状态。排出的水不进入入渗瓶4，不需要入渗瓶4做出额外的计算。

又进一步，所述的入渗管23上端设置入渗水位管29，入渗管23和入渗水位管29之间为径向滑动密封式连接，入渗水位管29的上端口与土柱筒1的埋深水位线71处于同一水准线上。

如图3所示，所述的蒸发称重传感器5在满量程时，其下沉位移形变量ΔH为0.4mm-0.6mm，会对调水位管28下端口的高度造成一定影响，当调水位管28的轴心与马氏瓶3的轴心同处于蒸发称重传感器5的扭转轴心77位置时，调水位管28下端口的高度变化最小。

Claims (6)

1.一种称重式地中蒸渗自动测量装置，包括土柱筒（1）、平衡瓶（2）、马氏瓶（3）和入渗瓶（4），土柱筒（1）和平衡瓶（2）之间通过连通管（21）连接，平衡瓶（2）中的入渗管（23）下端口正对入渗瓶进水漏斗（33），马氏瓶（3）中设置调水位管（28）和通气管（25），所述的调水位管（28）的下端口与土柱筒（1）的埋深水位线（71）处于同一水准线上；其特征在于：还包括蒸发称重传感器（5）、入渗称重传感器（6）和采集控制器（9），所述的平衡瓶（2）固定在水平支板（41）上，水平支板（41）安装在墙上或地面上；所述的马氏瓶（3）安装在蒸发称重托板（42）上，蒸发称重托板（42）安装在蒸发称重传感器（5）上，并且马氏瓶（3）的轴线位于蒸发称重传感器（5）的扭转轴线（77）位置，蒸发称重传感器（5）通过蒸发称重底板（43）水平固定在墙上或地面上；所述的入渗瓶（4）通过入渗称重托板（44）安装在入渗称重传感器（6）上，入渗称重传感器（6）通过入渗称重底板（45）水平固定在墙上或地面上；所述的连通管（21）上设置第一电磁阀（11），通气管（25）上设置第五电磁阀（15）；所述的马氏瓶（3）顶部设置补水漏斗（31），补水漏斗（31）的漏斗延伸管（32）下端口低于调水位管（28）的下端口，补水漏斗（32）上方设置补水管（24），补水管（24）上设置第四电磁阀（14）；所述的平衡瓶（2）下部设置第二电磁阀（12），平衡瓶（2）通过第二电磁阀（12）和软管（22）与马氏瓶（3）连通；入渗管（23）的下端设置第三电磁阀（13）；所述的入渗瓶（4）内设置潜水泵（17），潜水泵（17）连接抽水管（27）；所述的采集控制器（9）与蒸发称重传感器（5）、入渗称重传感器（6）、第一电磁阀（11）、第二电磁阀（12）、第三电磁阀（13）、第四电磁阀（14）、第五电磁阀（15）和潜水泵（17）电连接。

2.根据权利要求1所述的称重式地中蒸渗自动测量装置，其特征在于：所述的蒸发称重传感器（5）为四角偏差已补偿型称重传感器。

3.根据权利要求1所述的称重式地中蒸渗自动测量装置，其特征在于：所述的入渗管（23）上端设置入渗水位管（29），入渗管（23）和入渗水位管（29）之间为径向滑动密封式连接，入渗水位管（29）的上端口与土柱筒（1）的埋深水位线（71）处于同一水准线上。

4.根据权利要求1所述的称重式地中蒸渗自动测量装置，其特征在于：在第三电磁阀（13）上端的入渗管（23）上设置三通接头（34），三通接头（34）连接泄放管（26），泄放管（26）上设置第六电磁阀（16），第六电磁阀（16）与采集控制器（9）电连接。

5.根据权利要求1所述的称重式地中蒸渗自动测量装置，其特征在于，所述采集控制器（9）包括微控制单元（91）、驱动控制电路（92）、信息采集电路（93）、存储器（94）、显示屏（95）、键盘（96）和I/O接口电路（97）；微控制单元（91）通过信息采集电路（93）与蒸发称重传感器（5）、入渗称重传感器（6）电连接；驱动控制电路（92）与第一电磁阀（11）、第二电磁阀（12）、第三电磁阀（13）、第四电磁阀（14）和第五电磁阀（15）和潜水泵（17）电连接；I/O接口电路（97）与外部上位计算机连接。

6.根据权利要求5所述的称重式地中蒸渗自动测量装置，其特征在于，所述的调水位管（28）的轴线与马氏瓶（3）的轴线重合。