CN107315085A - 新型地中蒸渗仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型地中蒸渗仪。它主要由计算机、入渗(蒸发)桶，马里奥特瓶、接渗瓶、径流瓶、模拟光源、模拟降水器、单片机、超声波传感器以及LCD1602显示屏等组成。该装置的原理是利用马利奥特瓶的补排水进行工作，将智能化应用与观测、采集和计算系统相结合。采用声波传感器监测地下水位变化，并使用单片机控制补、排水量，自动记录、计算、显示大气降水入渗蒸发量，实现了蒸渗仪的自动控制。采取模拟自然条件的方法，装置实现了实验室内可操作化，适用于实验教学等室内相关实验。
Description
技术领域：
本发明涉及一种新型地中蒸渗仪，通过实验模拟某地土壤大气降水入渗系数以及蒸发量，为农田水利服务，为开展校内实验教学提供了良好的工作平台，它属于地下水科学与工程技术领域。
背景技术：
地中蒸渗仪是一种人工模拟自然状态降水，用来测定特定岩性、固定潜水埋深条件下的潜水蒸发量和大气降水入渗补给量的大型实验设施。我国传统的蒸渗仪有大型称重式地中蒸渗仪、特殊地区虹吸式地中蒸渗仪、马氏瓶恒水位蒸渗仪等。其中虹吸式地中蒸渗仪仅对部分干旱地区地下水位埋深较大的地区实用，其使用范围不广；马氏瓶恒水位蒸渗仪，虽然简化了其中称重式地中蒸渗仪为目前使用较广泛的一种仪器，原理是将研究区的代表性岩性的原状土样装入入渗皿中，在底部安置有称重仪器，通过称量一次降水或一段时间过后入渗皿质量(压力、位移)的变化来获得该地区土样的入渗蒸发系数，但其应用于室外，受外界环境影响较大，所得数据可靠性有待考证；称重式地中蒸渗仪虽然解决了实验研究数据的获取问题，但其结构复杂、占地面积大，不便于建设及移动，由于一次蒸发过程耗时较长且土壤质量数值变化微小，称重、测位移等方法存在较大误差，且不能实时监测。
因此，在基于使用传统地中蒸渗仪时需要考虑人力物力和财力以及实验精度问题的基础上，发明了小型自动化地中蒸渗仪，该实验装置利用超声波传感器读取所需数据，再通过传导线连接，将数据传给室内计算机显示，避免了实验过程中的读数等误差，且该装置可以提供实时、准确的土壤蒸发、入渗数据，从而为精确评价水资源量提供重要的参数，并为农业水利传统实验站的改造提供借鉴；小型化设计和便捷的操作系统，也为开展校内实验教学提供了良好的工作平台，具有广泛的应用前景。
发明内容：
本发明涉及一种新地中蒸渗仪，解决了传统地中蒸渗仪需要靠人工读取数据，不能实时读取数据的不便；
本发明涉及一种新地中蒸渗仪。它主要由计算机、入渗(蒸发)桶，马里奥特瓶、接渗瓶、径流量瓶、模拟光源、模拟降水器、单片机、超声波传感器以及LCD1602显示屏等组成；
所述计算机是指与单片机连接的可在室内显示实测数据并记录存储数据的装置；
所述入渗(蒸发)桶是指装有不同粒径大小的砂柱，主要模拟地表水入渗包气带以及蒸发的路径，在具体施用时可将研究区代表性原状土样装入入渗(蒸发)桶内模拟研究区实际概况；
所述马里奥特瓶即传统蒸渗仪所采用的对蒸渗仪进行补水、排水的装置；
所述接渗瓶是指连接平衡瓶主要接取模拟地表入渗的水量；
所述平衡瓶是指控制入渗(蒸发)桶与接渗瓶之间的水量平衡的装置；
所述径流量瓶是指连接入渗(蒸发)桶接取入渗多余的产生径流的水量；
所述模拟光源是指普通照明装置，主要作用为入渗(蒸发)桶提供光源，模拟自然状态下的太阳光照；
所述单片机是指集成在一块芯片上的完整计算机系统(在线实时控制计算机)，靠电脑程序工作，用于控制马里奥特瓶的自动补水和排水以及数据的获取和处理工作；
所述超声波传感器是指两个端口，其中一个通过发射端口发出超声波，另一个接收端口接收信号；
所述LCD1602显示屏是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，直接显示出由单片机获取和计算得出的所有实验数据。
附图说明：
图1为本发明整体结构图。
图2为本发明入渗(蒸发)桶的局部图。
图3为本发明马里奥特瓶连接的局部图。
图中：1-马里奥特瓶；2-超声波传感器；3-通气管1；4-电磁阀；5-加水管；6-出水管；7-接渗管水位调整管；8-通气短管；9-接渗瓶；10-导水管；11-电磁阀；12- 模拟光源；13-模拟降雨器；14-入渗(蒸发)桶；15-径流瓶；16-检查管；17-水位； 18-平衡瓶；19-过滤层；20-防沉底座；21-土壤层；22-缠丝过滤管；23-电磁阀；24- 电磁继电器；25-传导线；26-计算机；27-水位传感器；28-溢流管；29-径流瓶； 30-LCD1602显示屏；31-单片机；32-集水循环箱。
具体实施方法：
为使本发明的发明目的，优点以及使用技术清楚明了，下面结合图1、图2、图3 与实际实施步骤对本发明进行详细说明:
如图1所示，该装置主要由入渗(蒸发)桶14、马里奥特瓶1、平衡瓶18、接渗瓶9、计算机26、传感器2等组成。
所述入渗(蒸发)桶14下端经导水管10与接渗瓶9相连，其下部为过滤层19，填充物为卵石，其上为填充的土壤层21；所述入渗(蒸发)桶14在填有卵石的过滤层19下部处接有检查管16，检查管与过滤层连接处安装有缠丝过滤管22，主要是过滤颗粒物；在填有卵石的过滤层19下部处接有导水管10，其上安置一个自动阀门23；所述入渗(蒸发)桶14的上部安置模拟光源12以及模拟降雨器13，分别为实验提供类似自然条件的大气降水和光照；所述入渗(蒸发)桶14的上边缘连接溢流管28，主要目的是将无法及时入渗的模拟降水量以径流的模式接入径流瓶15；所述径流瓶15 即为接取入渗(蒸发)桶14上部径流产生的降水量；所述马里奥特瓶1用于对实验装置进行补水和排水，上端安置超声波传感器2直接测定瓶中水位并由传导线25将读取的数值传给计算机26，所述马里奥特瓶1瓶口接有两根直细管，分别为通气管3、出水管6，另在马里奥特瓶1瓶口处安装有加水管5，其上装有自动阀门4，主要控制加入马里奥特瓶内的水量，所述出水管6主要作用是在蒸发水位下降的情况下将马里奥特瓶1内的水导入平衡瓶18，其上安装有自动阀门11，通气管3主要连通马里奥特瓶 1与平衡瓶18中的气压；所述平衡瓶18下端与接渗瓶9直接接有一根细管，为接渗管7，主要将入渗的水量由平衡瓶18接入接渗瓶9；所述接渗瓶9口接有一短通气管 8、超声波传感器2，其中短通气管8主要将接渗瓶9中的气压与大气相通，，其中超声波传感器2连接单片机，主要将水位数据传给单片机29显示；所述单片机29将读取的数据经导线25传输给室内安放的计算机26，主要作用是将室外的数据传到室内，通过计算机智能显示；所述单片机29是指集成在一块芯片上的完整计算机系统(在线实时控制计算机)，靠电脑程序工作，用于控制马里奥特瓶的自动补水和排水以及数据的获取和处理工作。
本发明模拟观测实验实施步骤如下所示：
实验开始前根据实验需求在入渗(蒸发)桶14内从下至上依次放入实验区的样沙，粗沙、中沙、细沙。
样沙的入渗实验：首先打开粗沙柱下方的自动阀门23，然后打开模拟降雨器13 开关为实验提供降雨，将水分均匀连续地洒在入渗(蒸发)桶14上，静待数小时，入渗(蒸发)桶14持续接受外界水分补给，水位17上升，经由导水管10将补给的水量不断排到平衡瓶18中，平衡瓶18为了保持自身水位始终不变，将会把接收的水分通过接渗管7排到接渗瓶9中，因此接渗瓶9中的水量即为入渗(蒸发)桶14接受外界水分补给的入渗量。再由超声波传感器2将信息传给单片机29读取接渗瓶9中的水位值，计算后由LCD1602显示屏将计算结果显示出来，最终经过导线25传输给计算机 26，进行读数，该数值即为此实验粗沙的潜水入渗量。
样沙的蒸发实验：首先打开粗沙柱下方的自动阀门23，然后打开模拟光源12开关为实验提供光照，静待数小时，由于入渗(蒸发)桶14中水分逐渐蒸发，其中水位 17下降，平衡瓶18中水分经由导水管10补给入渗(蒸发)桶14而减少，由于平衡瓶18中水位始终保持不变，马利奥特瓶1中水分将会源源不断地通过出水管6补给到平衡瓶22中，因此马利奥特瓶1中减少的水量即为沙柱中水分蒸发量。再由超声波传感器2将信息传输给单片机29读取马利奥特瓶1中的水位值，计算后由LCD1602显示屏将计算结果显示出来，最终经由导线25将数值传送给计算机26，该值即为此实验样沙的潜水蒸发量。
本装置在进行模拟降水入渗时，由于存在地表径流，入渗(蒸发)桶14在满足入渗量时将产生地表径流，径流经由溢流管28接入径流量瓶15，再由其上安置的超声波传感器将水位信息传输给计算机。由此可得出径流量。
实验模拟：
对于样沙的入渗实验，首先记录接渗瓶9中的原始水位H0,打开模拟降雨器13， 30分钟后，再次读取接渗瓶9中的水位H1,已知接渗瓶9的横截面积S1，则由体积公式得出，外界水分补给入渗水量体积V1为：
V1＝(H1-H0)×S1
此时读取LCD1602显示屏显示的结果，即潜水入渗量V2；
由此得降水入渗系数a＝V1/V2；
对于粗沙的蒸发实验，首先记录马利奥特瓶1中的原始水位H2,打开模拟光源12，T小时后，再次记录马利奥特瓶1中的水位H3,已知马利奥特瓶1的横截面积S2,入渗 (蒸发)桶14的横截面积S3，则由体积公式得出,沙柱中水分蒸发量体积V3为：
V3＝(H3-H2)×S2
由此得蒸发量β＝V3/(S3×T)；
同理，对于细砂、中砂采取同样的计算方法，可得出对应的入渗系数与蒸发量。
对于入渗(蒸发)桶14上部所接的径流管27，将未及时入渗的降水接入径流瓶 15，径流瓶15的初始水位为H4，模拟实验后记录模拟时间T，水位读数为H5，径流瓶 15的横截面积为S4，得径流体积为：
V4＝(H5-H4)×S4
由此得径流量W＝V4
以上所述实例只说明本发明的结构及施用方法，一切根据上述说明所做的改进均应涵盖在本发明权利要求书的保护范围内。
Claims (3)
1.一种新型地中蒸渗仪，其特征在于，主要由入渗(蒸发)桶14，马里奥特瓶1、接渗瓶9、径流瓶29、模拟光源12、模拟降水器13、单片机31、超声波传感器21以及LCD1602显示屏30等组成。
2.按照权利要求1所述的新型地中蒸渗仪，其特征在于整个装置增加了径流瓶29，将本发明多功能化，基于测量入渗蒸发参数的基础上还能测得径流量。
3.按照权利要求1或2所述的新型地中蒸渗仪，其特征在于整个装置全自动化，无需人工观测。
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