CN106442933B - 一种浮子式地中蒸渗自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮子式地中蒸渗自动测量装置，在马氏瓶（3）和入渗瓶（4）分别设有浮子式蒸发水位传感器（6）和浮子式入渗水位传感器（7），用于测量土壤潜水蒸发量和入渗量。在入渗管（23）上设置入渗水位调节管（28），便于调节平衡瓶（2）内的水位高度，并设置采集控制器（8），用于采集马氏瓶（3）和入渗瓶（4）内的水位信息，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。与现有技术相比，本发明实现了土壤潜水蒸发量及入渗量实时在线测量和补水、排水工作，显著提高了工作效率。

Description

一种浮子式地中蒸渗自动测量装置

技术领域

本发明涉及一种浮子式地中蒸渗自动测量装置，属于蒸渗仪领域。

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、补水管和马氏瓶调水位管，马氏瓶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。

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

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种浮子式地中蒸渗自动测量装置，该装置能够精确、实时在线自动测量土壤潜水蒸发量和入渗量，自动完成补水、排水工作。

为了实现上述目的，本发明一种浮子式地中蒸渗自动测量装置，包括土采集控制器、柱筒、平衡瓶、马氏瓶和入渗瓶，所述的土柱筒通过第一连通管与平衡瓶连接，马氏瓶通过第二连通管与平衡瓶连接，平衡瓶和马氏瓶安装于水平支撑板上，马氏瓶设置补水管、通气管和马氏瓶调水位管，马氏瓶调水位管下端口与土柱筒的埋深水位线处于同一水准线上；平衡瓶内设置入渗管，入渗管的末端正对于入渗瓶的入水口。所述马氏瓶设置浮子式蒸发水位传感器，入渗瓶设置浮子式入渗水位传感器，第一连通管上设置第一电磁阀，第二连通管上设置第二电磁阀，入渗管下端设置第三电磁阀，补水管上设置第四电磁阀，通气管上设置第五电磁阀；入渗瓶内设置有潜水泵，潜水泵连接抽水管；所述的采集控制器与浮子式蒸发水位传感器、浮子式入渗水位传感器、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；马氏瓶上端设置密封罩，密封罩通过密封圈与马氏瓶上盖连接；浮子式蒸发水位传感器包括浮子驱动磁耦合装置和磁感应编码装置；浮子驱动磁耦合装置安装在密封罩内，包括轮轴、轴承、支架、永磁体、水位轮、平衡锤轮、浮子和平衡锤；所述轮轴通过轴承安装在支架上，支架固定安装在马氏瓶开口处的上方，轮轴的一端轴心位置设置永磁体，轮轴上设置水位轮和平衡锤轮，浮子通过悬索绕在水位轮上，平衡锤通过悬索绕在平衡锤轮上、且与浮子的绕线方向相反；磁感应编码装置设置在密封罩外部，包括磁铁角度传感器、编码器微控制单元，磁铁角度传感器与永磁体的轴线重合，编码器微控制单元分别与磁铁角度传感器和采集控制器电连接。

当土柱筒土壤水分蒸发时，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；马氏瓶水位降低，浮子式蒸发水位传感器测量马氏瓶水位信息并发送给采集控制器；马氏瓶内水减少量即为土柱筒土壤水分蒸发量。当马氏瓶水位低于马氏瓶工作水位下限时，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。当补水到补水上限时，采集控制器控制第一电磁阀、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，直到马氏瓶内水位压力与埋深水位压力达到平衡状态，此时马氏瓶内水位为马氏瓶工作水位上限。马氏瓶排出的多余水可以通过入渗瓶上的水位传感器测量并记录，不作为入渗量计算。

当降水时，雨水进入土柱筒，使土柱筒内水位升高，高于埋深水位线，土柱筒中的水通过入渗管进入入渗瓶，浮子式入渗水位传感器测量入渗瓶水位信息并发送给采集控制器；入渗瓶水增加量即为土柱筒土壤水分入渗量。

当入渗瓶内水位达到设定工作水位上限时，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水位下限时，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水位传感器自动测量马氏瓶以及入渗瓶的水位变化情况，采集控制器根据采集测量的数据，自动控制电磁阀完成补水和排水工作，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；当设备出现故障时，采集控制器可以根据数据异常情况，及时发出警报信息。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的水位传感器的结构示意图；

图3是本发明的采集控制器的电原理图；

图中：1、土柱筒，2、平衡瓶，3、马氏瓶，4、入渗瓶，5、水平支撑板，6、浮子式蒸发水位传感器，7、浮子式入渗水位传感器，8、采集控制器，9、密封罩，10、密封圈，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、第一连通管，22、第二连通管，23、入渗管，24、补水管，25、通气管，26、泄放管，27、抽水管，28、入渗水位调节管，29、马氏瓶调水位管，30、三通接头，61、浮子驱动磁耦合装置，611、轮轴，612、轴承，613、支架，614、永磁体，615、水位轮，616、平衡锤轮，617、浮子，618、平衡锤，62、磁感应编码装置，621、磁铁角度传感器，622、编码器微控制单元，71、埋深水位线，72、补水上限，73、马氏瓶工作水位上限，74、马氏瓶工作水位下限，75、入渗瓶工作水位上限，76、入渗瓶工作水位下限，81、采集控制器微控制单元，82、驱动控制电路，83、信息采集电路，84、存储器，85、显示屏，86、键盘，87、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，一种浮子式地中蒸渗自动测量装置，包括采集控制器8、土柱筒1、平衡瓶2、马氏瓶3和入渗瓶4，所述土柱筒1通过第一连通管21与平衡瓶2连接，马氏瓶3通过第二连通管22与平衡瓶2连接，平衡瓶2和马氏瓶3安装于水平支撑板5上，马氏瓶3设置补水管24、通气管25和马氏瓶调水位管29，马氏瓶调水位管29下端口与土柱筒1的埋深水位线71处于同一水准线上；平衡瓶2内设置入渗管23，入渗管23的末端正对于入渗瓶4的入水口；所述马氏瓶3设置浮子式蒸发水位传感器6，入渗瓶4设置浮子式入渗水位传感器7，第一连通管21上设置第一电磁阀11，第二连通管22上设置第二电磁阀12，入渗管23下端设置第三电磁阀13，补水管24上设置第四电磁阀14，通气管25上设置第五电磁阀15；入渗瓶4内设置有潜水泵17，潜水泵17连接抽水管27；所述采集控制器8与浮子式蒸发水位传感器6、浮子式入渗水位传感器7、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；马氏瓶3水位降低，浮子式蒸发水位传感器6测量马氏瓶3水位信息并发送给采集控制器；马氏瓶3内水减少量即为土柱筒1土壤水分蒸发量。当马氏瓶3水位低于马氏瓶工作水位下限74时，采集控制器8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24给马氏瓶3补水。当补水到补水上限72时，采集控制器8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3内的多余水，直到马氏瓶3内水位压力与埋深水位压力达到平衡状态，此时马氏瓶3内水位为马氏瓶工作水位上限73。马氏瓶3排出的多余水可以通过入渗瓶4上的浮子式入渗水位传感器7测量并记录，不作为入渗量计算。

当降水时，雨水进入土柱筒1，使土柱筒1内水位升高，高于埋深水位线71，土柱筒1中的水通过入渗管23进入入渗瓶4，浮子式入渗水位传感器7测量入渗瓶水位信息并发送给采集控制器8；入渗瓶4水增加量即为土柱筒1土壤水分入渗量。

当入渗瓶4内水位达到设定工作水位上限75时，采集控制器8控制第三电磁阀13关闭并控制潜水泵17启动，通过抽水管27排水，将入渗瓶4内水位排放至工作水位下限76时，然后开启第三电磁阀13，进入入渗量测量工作状态。

本发明通过采集控制器8、浮子式蒸发水位传感器6和浮子式入渗水位传感器7自动测量马氏瓶3以及入渗瓶4的水位变化情况，采集控制器8根据采集测量的数据，自动控制电磁阀完成补水和排水工作，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；当设备出现故障时，采集控制器可以根据数据异常情况，及时发出警报信息。

所述浮子式蒸发水位传感器6可以采用现有技术中的液位传感器，如磁致伸缩液位传感器、电容式液位传感器。磁致伸缩液位传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量马氏瓶3内水位的实际位移值。电容式液位传感器是依据电容感应原理，当被测介质浸汲测量电极的高度变化时，引起其电容变化，它可将马氏瓶3内的水位高度的变化转换成标准电流信号，发送给采集控制器8。

本发明专门研制了一种浮子式蒸发水位传感器如图2所示，所述的马氏瓶3上端设置密封罩9，密封罩9通过密封圈10与马氏瓶3上盖连接；所述的浮子式蒸发水位传感器6包括浮子驱动磁耦合装置61和磁感应编码装置62；所述的浮子驱动磁耦合装置61安装在密封罩9内，包括轮轴611、轴承612、支架613、永磁体614、水位轮615、平衡锤轮616、浮子617和平衡锤618；所述轮轴611通过轴承612安装在支架613上，支架613固定安装在马氏瓶3开口处的上方，轮轴611的一端轴心位置设置永磁体614，轮轴611上设置水位轮615和平衡锤轮616，浮子617通过悬索绕在水位轮615上，平衡锤618通过悬索绕在平衡锤轮616上、且与浮子617的绕线方向相反；所述的磁感应编码装置62设置在密封罩9外部，包括磁铁角度传感器621、编码器微控制单元622，所述磁铁角度传感器621与永磁体614的轴线重合，所述编码器微控制单元622分别与磁铁角度传感器621和采集控制器8电连接。

浮子式入渗水位传感器7与浮子式蒸发水位传感器6结构原理相同，只是在安装时不需要采用密封罩。

如图3所示，所述采集控制器8包括采集控制器微控制单元81、驱动控制电路82、信息采集电路83、存储器84、显示屏85、键盘86和I/O接口电路87；微控制单元81通过信息采集电路83与浮子式蒸发水位传感器6、浮子式入渗水位传感器7电连接；驱动控制电路82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87与外部上位计算机连接。

又进一步，所述平衡瓶2的入渗管23上端设置有入渗水位管28，入渗管25和入渗水位调节管28之间为径向滑动密封式连接，入渗水位调节管28的上端口与土柱筒1的埋深水位线71处于同一水准线上。

进一步，补水结束后，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，在入渗管23上、第三电磁阀13上方设置泄放管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8电连接。当补水到补水上限72时，采集控制器8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。

Claims (2)

1.一种浮子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），所述的土柱筒（1）通过第一连通管（21）与平衡瓶（2）连接，马氏瓶（3）通过第二连通管（22）与平衡瓶（2）连接，平衡瓶（2）和马氏瓶（3）安装于水平支撑板（5）上，马氏瓶（3）设置补水管（24）、通气管（25）和马氏瓶调水位管（29），马氏瓶调水位管（29）下端口与土柱筒（1）的埋深水位线（71）处于同一水准线上；平衡瓶（2）内设置入渗管（23），入渗管（23）的末端正对于入渗瓶（4）的入水口；其特征在于：还包括采集控制器（8）；所述马氏瓶（3）设置浮子式蒸发水位传感器（6），入渗瓶（4）设置浮子式入渗水位传感器（7），第一连通管（21）上设置第一电磁阀（11），第二连通管（22）上设置第二电磁阀（12），入渗管（23）下端设置第三电磁阀（13），补水管（24）上设置第四电磁阀（14），通气管（25）上设置第五电磁阀（15）；入渗瓶（4）内设置有潜水泵（17），潜水泵（17）连接抽水管（27）；所述的采集控制器（8）与浮子式蒸发水位传感器（6）、浮子式入渗水位传感器（7）、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；

所述的马氏瓶 （3）上端设置密封罩（9），密封罩（9）通过密封圈（10）与马氏瓶（3）上盖连接；所述的浮子式 蒸发水位传感器（6）包括浮子驱动磁耦合装置（61）和磁感应编码装置（62）；所述的浮子驱 动磁耦合装置（61）安装在密封罩（9）内，包括轮轴（611）、轴承（612）、支架（613）、永磁体 （614）、水位轮（615）、平衡锤轮（616）、浮子（617）和平衡锤（618）；所述轮轴（611）通过轴承 （612）安装在支架（613）上，支架（613）固定安装在马氏瓶（3）开口处的上方，轮轴（611）的一 端轴心位置设置永磁体（614），轮轴（611）上设置水位轮（615）和平衡锤轮（616），浮子（617） 通过悬索绕在水位轮（615）上，平衡锤（618）通过悬索绕在平衡锤轮（616）上、且与浮子 （617）的绕线方向相反；所述的磁感应编码装置（62）设置在密封罩（9）外部，包括磁铁角度 传感器（621）、编码器微控制单元（622），所述磁铁角度传感器（621）与永磁体（614）的轴线 重合，所述编码器微控制单元（622）分别与磁铁角度传感器（621）和采集控制器（8）电连接；

所述的入渗管 （23）上端设置有入渗水位调节管（28），入渗管（25）和入渗水位调节管（28）之间为径向滑动 密封式连接，入渗水位调节管（28）的上端口与土柱筒（1）的埋深水位线（71）处于同一水准 线上；

在入渗管（23） 上、第三电磁阀（13）上方设置泄放管（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（8）电连接。

2.根据权利要求1所述的浮子式地中蒸渗自动测量装置，其特征在于，所述采集控制器（8）包括采集控制器微控制单元（81）、驱动控制电路（82）、信息采集电路（83）、存储 器（84）、显示屏（85）、键盘（86）和I/O接口电路（87）；微控制单元（81）通过信息采集电路 （83）与浮子式蒸发水位传感器（6）、浮子式入渗水位传感器（7）电连接；驱动控制电路（82） 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（87）与外部上位计算机连接。