CN108827816B - 一种枯落物吸水与释水特性试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种枯落物吸水与释水特性试验系统，包括浸水工装、浸水自动抬升系统、自动称重系统以及控制与数据查询系统，浸水工装分别与浸水自动抬升系统和自动称重系统固定连接，控制与数据查询系统分别与浸水自动抬升系统和自动称重系统通信连接；浸水自动抬升系统包含浸水槽和自动升降机，自动称重系统包含夹取装置和称重装置；一种基于枯落物吸水与释水特性试验系统的试验方法，包括吸水特性试验与释水特性试验。本发明解决了现有技术存在的人工操作费时、费力，工作量大，效率很低，易受人为影响，造成误差，枯落物吸水与释水特性试验结果准确性低的问题。

Description

一种枯落物吸水与释水特性试验系统及其试验方法

技术领域

本发明属于枯落物浸水试验领域，具体涉及一种枯落物吸水与释水特性试验系统及其试验方法。

背景技术

枯落物是生态系统中生物组分枯死后所有有机物质的总称，是陆地生态系统重要的组成部分，也是森林水文过程的重要影响因子。在生态学中起着不可替代的作用。枯落物具有较强的截持降水的能力，增加了森林区域的水源涵养功能，改变了森林区域地表糙度，影响了森林区域坡面产汇流过程；同时枯落物通过分解向土壤释放营养元素，是维持植被生长所需营养物质的重要来源，也是植物体将营养物质归还的主要途径，同时从土壤流出CO₂，在全球陆地碳循环中起非常重要的作用；在研究枯落物对森林区域产汇流的影响时，往往需要对枯落物的水力学特性进行研究，且目前的相关研究主要集中在枯落物的吸水特性，很少有研究关注于枯落物的释水特性，而枯落物的释水过程和吸水过程一样，对森林区域的产汇流机理影响较大，因此探究枯落物的吸水和释水特性对于水文机理至关重要。

现有技术存在以下问题：

(1)目前学者研究枯落物的吸水特性时往往需要人工操作，通过人工将枯落物浸水、称重，这个过程费时、费力，工作量大，效率很低；

(2)易受人为影响，造成误差，枯落物吸水与释水特性试验结果准确性低。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种实用性高、节约人力投入、减少工作量的枯落物吸水与释水特性试验系统及其试验方法，提高了试验结果准确性低，解决了现有技术存在的人工操作费时、费力，工作量大，效率很低，易受人为影响，造成误差，枯落物吸水与释水特性试验结果准确性低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种枯落物吸水与释水特性试验系统，包括浸水工装、浸水自动抬升系统、自动称重系统以及控制与数据查询系统，浸水工装分别与浸水自动抬升系统和自动称重系统固定连接，控制与数据查询系统分别与浸水自动抬升系统和自动称重系统通信连接；

浸水自动抬升系统包含浸水槽和自动升降机，自动升降机位于浸水槽内部，且与控制与数据查询系统通信连接，浸水工装位于自动升降机上；自动称重系统包含夹取装置和称重装置，夹取装置的两端分别与称重装置和浸水工装固定连接，且夹取装置与称重装置均与控制与数据查询系统通信连接。

进一步地，控制与数据查询系统包括数据采集器和控制与数据查询终端，数据采集器分别与称重装置和控制与数据查询终端通信连接，控制与数据查询终端为设置有USB接口的上位机，控制与数据查询终端分别与夹取装置和自动升降机通信连接。

进一步地，浸水槽设置有进水管和排水管；自动升降机包括固定台、设置在固定台上的自动液压卡锁、与固定台的底端固定连接的升降架以及设置在升降架上的液压缸，固定台表面均匀设置有圆孔，升降架与浸水槽的底端固定连接，自动液压卡锁设置有第一控制接口，控制与数据查询终端通过第一控制接口与自动液压卡锁通信连接，液压缸设置有第二控制接口，控制与数据查询终端通过第二控制接口与液压缸通信连接，浸水工装通过自动液压卡锁与固定台的顶端固定连接。

进一步地，浸水工装为顶端面可开合的立方体，浸水工装的顶端面与底端面都为不锈钢筛网，顶端面通过一侧的铰链与立方体的主体部分固定连接，且与铰链相对的另一侧设置有锁扣机构；浸水工装的上部设置有与夹取装置相配合的接头，接头上设置有通孔，浸水工装的外部与自动液压卡锁连接的对应位置设置有卡槽，卡槽与自动液压卡锁相互配合。

进一步地，夹取装置包括夹取支架、设置在夹取支架一侧的第三控制接口和设置在夹取支架底部的夹取活塞杆，第三控制接口与控制与数据查询终端通信连接，夹取活塞杆穿过通孔与接头固定连接；

称重装置包括称重支架和配重块，以及设置在称重支架顶端的杠杆和电子秤，电子秤位于杠杆一端的上方，且设置有数据接口，电子秤通过数据接口与数据采集器通信连接，杠杆通过设置在杠杆中部的转轴与称重支架活动连接，杠杆位于电子秤下方的一端与配重块固定连接，其另一端与夹取支架的顶端固定连接，配重块的重量与浸水工装的重量相同。

一种基于枯落物吸水与释水特性试验系统的试验方法，包括吸水特性试验与释水特性试验。

进一步地，吸水特性试验，包括如下步骤：

A-1：选取枯落物样品，放入浸水工装，使用自动称重系统记录干燥枯落物样品重量；

A-2：使用浸水自动抬升系统进行浸水处理，记录浸水时间以及对应浸水时间的浸水后枯落物样品重量；

A-3：根据干燥枯落物样品重量和浸水后枯落物样品重量，计算单位重量枯落物的吸水量；

A-4：根据浸水时间和单位重量枯落物的吸水量，得到浸水时间-吸水量的关系曲线。

进一步地，步骤A-3中，吸水量的计算公式为：

式中，M'_吸为单位重量枯落物的吸水量；m_湿为浸水后枯落物样品重量；m_干为干燥枯落物样品重量。

进一步地，释水特性试验，包括如下步骤：

B-1：选取枯落物样品，放入浸水工装，使用自动称重系统记录干燥枯落物样品重量；

B-2：当枯落物样品的重量不随浸水时间改变时，枯落物达到最大吸水量，使用自动称重系统记录枯落物样品最大吸水重量；

B-3：使用浸水自动抬升系统进行释水处理，记录释水时间以及对应释水时间的水分蒸发后枯落物样品重量；

B-4：根据干燥枯落物样品重量、枯落物样品最大吸水重量和水分蒸发后枯落物样品重量，计算单位重量枯落物的释水量；

B-5：根据释水时间和单位重量枯落物的释水量，得到释水时间-释水量的关系曲线。

进一步地，步骤B-4中，释水量的计算公式为：

式中，M'_释为单位重量枯落物的释水量；m_max为枯落物样品最大吸水重量；m_干为干燥枯落物样品重量；m'_湿为水分蒸发后枯落物样品重量。

本方案的有益效果为：

(1)本方案提供一种枯落物吸水与释水特性试验系统及其试验方法，提高了实用性，进行枯落物的吸水特性、释水特性的数据采集工作，节约了人力投入，减少了工作量；

(2)使用USB数据接口导出数据以便研究人员进行分析，为科研人员开展科学研究节省了时间和人力资源，进一步提高了实用性；

(3)使用自动称重系统，提高了枯落物吸水与释水特性试验结果准确性。

附图说明

图1为枯落物吸水与释水特性试验系统结构示意图；

图2为浸水自动抬升系统结构示意图；

图3为浸水工装结构示意图；

图4为自动称重系统结构示意图；

图5为夹取装置结构示意图；

图6为称重装置结构示意图；

图7为吸水特性试验方法流程图；

图8为释水特性试验方法流程图。

其中，1、浸水自动抬升系统；11、浸水槽；111、进水管；112、排水管；12、自动升降机；121、固定台；122、自动液压卡锁；123、升降架；124、液压缸；125、第一控制接口；126、第二控制接口；127、圆孔；2、浸水工装；21、不锈钢筛网；22、锁扣机构；23、接头；24、通孔；25、卡槽；3、自动称重系统；31、夹取装置；311、夹取支架；312、第三控制接口；313、夹取活塞杆；32、称重装置；321、称重支架；322、配重块；323、杠杆；324、电子秤；325、数据接口；4、控制与数据查询系统；41、数据采集器；42、控制与数据查询终端；421、USB接口。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种枯落物吸水与释水特性试验系统，如图1所示，包括浸水工装2、浸水自动抬升系统1、自动称重系统3以及控制与数据查询系统4，浸水工装2分别与浸水自动抬升系统1和自动称重系统3固定连接，控制与数据查询系统4分别与浸水自动抬升系统1和自动称重系统3通信连接；

如图2所示，浸水自动抬升系统1包含浸水槽11和自动升降机12，自动升降机12位于浸水槽11内部，且与控制与数据查询系统4通信连接，浸水工装2位于自动升降机12上；如图4所示，自动称重系统3包含夹取装置31和称重装置32，夹取装置31的两端分别与称重装置32和浸水工装2固定连接，且夹取装置31与称重装置32均与控制与数据查询系统4通信连接。

本实施例中，控制与数据查询系统4包括数据采集器41和控制与数据查询终端42，数据采集器41分别与称重装置32和控制与数据查询终端42通信连接，控制与数据查询终端42为设置有USB接口421的上位机，控制与数据查询终端42分别与夹取装置31和自动升降机12通信连接。

本实施例中，浸水槽11设置有进水管111和排水管112；自动升降机12包括固定台121、设置在固定台121上的自动液压卡锁122、与固定台121的底端固定连接的升降架123以及设置在升降架123上的液压缸124，固定台121表面均匀设置有圆孔127，升降架123与浸水槽11的底端固定连接，自动液压卡锁122设置有第一控制接口125，控制与数据查询终端42通过第一控制接口125与自动液压卡锁122通信连接，液压缸124设置有第二控制接口126，控制与数据查询终端42通过第二控制接口126与液压缸124通信连接，浸水工装2通过自动液压卡锁122与固定台121的顶端固定连接。

本实施例中，如图3所示，浸水工装2为顶端面可开合的立方体，浸水工装2的顶端面与底端面都为孔隙小于0.04mm的不锈钢筛网21，顶端面通过一侧的铰链与立方体的主体部分固定连接，且与铰链相对的另一侧设置有锁扣机构22；浸水工装2的上部设置有与夹取装置31相配合的接头23，接头23上设置有通孔24，浸水工装2的外部与自动液压卡锁122连接的对应位置设置有卡槽25，卡槽25与自动液压卡锁122相互配合。

本实施例中，如图5所示，夹取装置31包括夹取支架311、设置在夹取支架311一侧的第三控制接口312和设置在夹取支架311底部的夹取活塞杆313，第三控制接口312与控制与数据查询终端42通信连接，夹取活塞杆313穿过通孔24与接头23固定连接；

如图6(a)、(b)所示，称重装置32包括称重支架321和配重块322，以及设置在称重支架321顶端的杠杆323和电子秤324，电子秤324位于杠杆323一端的上方，且设置有数据接口325，电子秤324通过数据接口325与数据采集器41通信连接，杠杆323通过设置在杠杆323中部的转轴与称重支架321活动连接，杠杆323位于电子秤324下方的一端与配重块322固定连接，其另一端与夹取支架311的顶端固定连接，配重块322的重量与浸水工装2的重量相同。

工作原理：

准备：将枯落物样品放入浸水工装2中，合上锁扣机构22防止枯落物样品漏失，将枯落物样品放置于自动升降机12的固定台121上，控制与数据查询终端42通过第一控制接口125控制自动液压卡锁122的固定活塞杆与浸水工装2的卡槽25相配合来固定浸水工装2，防止浸水工装2滑落，控制与数据查询终端42通过第三控制接口312控制夹取装置31的夹取活塞杆313穿过通孔24与浸水工装2的接头23，便于对浸水工装2进行称重，利用进水管111向浸水槽11中注水；

开始试验：控制与数据查询终端42通过第二控制接口126控制液压缸124带动升降架123，对浸水工装2中的枯落物样品进行试验，水从浸水工装2的不锈钢筛网21和固定台121上的圆孔127流出，杠杆323、电子秤324与配重块322相配合进行称重，电子秤324获取称重数据并通过数据接口325传输给数据采集器41，然后传输给控制与数据查询终端42。

试验结束：控制与数据查询终端42控制液压缸124停止运行，打开自动液压卡锁122和夹取装置31的活塞杆，最后打开锁扣机构22，拿出枯落物样品，通过USB接口421导出控制与数据查询终端42中的称重数据。

一种基于枯落物吸水与释水特性试验系统的试验方法，包括吸水特性试验与释水特性试验；

吸水特性试验，如图7所示，包括如下步骤：

A-1：选取枯落物样品，放入浸水工装，使用自动称重系统记录干燥枯落物样品重量；

A-2：使用浸水自动抬升系统进行浸水处理，记录浸水时间以及对应浸水时间的浸水后枯落物样品重量；

A-3：根据干燥枯落物样品重量和浸水后枯落物样品重量，计算单位重量枯落物的吸水量；

吸水量的计算公式为：

式中，M'_吸为单位重量枯落物的吸水量；m_湿为浸水后枯落物样品重量；m_干为干燥枯落物样品重量；

A-4：根据浸水时间和单位重量枯落物的吸水量，得到浸水时间-吸水量的关系曲线；

释水特性试验，如图8所示，包括如下步骤：

B-1：选取枯落物样品，放入浸水工装，使用自动称重系统记录干燥枯落物样品重量；

B-2：当枯落物样品的重量不随浸水时间改变时，枯落物达到最大吸水量，使用自动称重系统记录枯落物样品最大吸水重量；

B-3：使用浸水自动抬升系统进行释水处理，记录释水时间以及对应释水时间的水分蒸发后枯落物样品重量；

B-4：根据干燥枯落物样品重量、枯落物样品最大吸水重量和水分蒸发后枯落物样品重量，计算单位重量枯落物的释水量；

释水量的计算公式为：

式中，M'_释为单位重量枯落物的释水量；m_max为枯落物样品最大吸水重量；m_干为干燥枯落物样品重量；m'_湿为水分蒸发后枯落物样品重量；

B-5：根据释水时间和单位重量枯落物的释水量，得到释水时间-释水量的关系曲线。

本发明提供的一种实用性高、节约人力投入、减少工作量的枯落物吸水与释水特性试验系统及其试验方法，提高了试验结果准确性低，解决了现有技术存在的人工操作费时、费力，工作量大，效率很低，易受人为影响，造成误差，枯落物吸水与释水特性试验结果准确性低的问题。

Claims (8)

1.一种枯落物吸水与释水特性试验系统，其特征在于，包括浸水工装（2）、浸水自动抬升系统（1）、自动称重系统（3）以及控制与数据查询系统（4），所述浸水工装（2）分别与浸水自动抬升系统（1）和自动称重系统（3）固定连接，所述控制与数据查询系统（4）分别与浸水自动抬升系统（1）和自动称重系统（3）通信连接；

所述浸水自动抬升系统（1）包含浸水槽（11）和自动升降机（12），所述自动升降机（12）位于浸水槽（11）内部，且与控制与数据查询系统（4）通信连接，所述浸水工装（2）位于自动升降机（12）上；所述自动称重系统（3）包含夹取装置（31）和称重装置（32），所述夹取装置（31）的两端分别与称重装置（32）和浸水工装（2）固定连接，且夹取装置（31）与称重装置（32）均与控制与数据查询系统（4）通信连接；

所述夹取装置（31）包括夹取支架（311）、设置在夹取支架（311）一侧的第三控制接口（312）和设置在夹取支架（311）底部的夹取活塞杆（313），所述第三控制接口（312）与控制与数据查询终端（42）通信连接，所述夹取活塞杆（313）穿过通孔（24）与接头（23）固定连接；

所述称重装置（32）包括称重支架（321）和配重块（322），以及设置在称重支架（321）顶端的杠杆（323）和电子秤（324），所述电子秤（324）位于杠杆（323）一端的上方，且设置有数据接口（325），电子秤（324）通过数据接口（325）与数据采集器（41）通信连接，所述杠杆（323）通过设置在杠杆（323）中部的转轴与称重支架（321）活动连接，杠杆（323）位于电子秤（324）下方的一端与配重块（322）固定连接，其另一端与夹取支架（311）的顶端固定连接，所述配重块（322）的重量与浸水工装（2）的重量相同；

所述控制与数据查询系统（4）包括数据采集器（41）和控制与数据查询终端（42），所述数据采集器（41）分别与称重装置（32）和控制与数据查询终端（42）通信连接，所述控制与数据查询终端（42）为设置有USB接口（421）的上位机，控制与数据查询终端（42）分别与夹取装置（31）和自动升降机（12）通信连接。

2.根据权利要求1所述的枯落物吸水与释水特性试验系统，其特征在于，所述浸水槽（11）设置有进水管（111）和排水管（112）；所述自动升降机（12）包括固定台（121）、设置在固定台（121）上的自动液压卡锁（122）、与固定台（121）的底端固定连接的升降架（123）以及设置在升降架（123）上的液压缸（124），所述固定台（121）表面均匀设置有圆孔（127），所述升降架（123）与浸水槽（11）的底端固定连接，所述自动液压卡锁（122）设置有第一控制接口（125），控制与数据查询终端（42）通过第一控制接口（125）与自动液压卡锁（122）通信连接，所述液压缸（124）设置有第二控制接口（126），控制与数据查询终端（42）通过第二控制接口（126）与液压缸（124）通信连接，所述浸水工装（2）通过自动液压卡锁（122）与固定台（121）的顶端固定连接。

3.根据权利要求1所述的枯落物吸水与释水特性试验系统，其特征在于，所述浸水工装（2）为顶端面可开合的立方体，浸水工装（2）的顶端面与底端面都为不锈钢筛网（21），顶端面通过一侧的铰链与立方体的主体部分固定连接，且与铰链相对的另一侧设置有锁扣机构（22）；浸水工装（2）的上部设置有与夹取装置（31）相配合的接头（23），所述接头（23）上设置有通孔（24），浸水工装（2）的外部与自动液压卡锁（122）连接的对应位置设置有卡槽（25），所述卡槽（25）与自动液压卡锁（122）相互配合。

4.一种基于如权利要求1-3任一所述枯落物吸水与释水特性试验系统的试验方法，其特征在于，包括吸水特性试验与释水特性试验。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述吸水特性试验，包括如下步骤：

A-1：选取枯落物样品，放入浸水工装，使用自动称重系统记录干燥枯落物样品重量；

A-2：使用浸水自动抬升系统进行浸水处理，记录浸水时间以及对应浸水时间的浸水后枯落物样品重量；

A-3：根据干燥枯落物样品重量和浸水后枯落物样品重量，计算单位重量枯落物的吸水量；

A-4：根据浸水时间和单位重量枯落物的吸水量，得到浸水时间-吸水量的关系曲线。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述步骤A-3中，吸水量的计算公式为：

式中，

为单位重量枯落物的吸水量；

为浸水后枯落物样品重量；

为干燥枯落物样品重量。

7.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述释水特性试验，包括如下步骤：

B-1：选取枯落物样品，放入浸水工装，使用自动称重系统记录干燥枯落物样品重量；

B-2：当枯落物样品的重量不随浸水时间改变时，枯落物达到最大吸水量，使用自动称重系统记录枯落物样品最大吸水重量；

B-3：使用浸水自动抬升系统进行释水处理，记录释水时间以及对应释水时间的水分蒸发后枯落物样品重量；

B-4：根据干燥枯落物样品重量、枯落物样品最大吸水重量和水分蒸发后枯落物样品重量，计算单位重量枯落物的释水量；

B-5：根据释水时间和单位重量枯落物的释水量，得到释水时间-释水量的关系曲线。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤B-4中，释水量的计算公式为：

式中，

为单位重量枯落物的释水量；

为枯落物样品最大吸水重量；

为干燥枯落物样品重量；

为水分蒸发后枯落物样品重量。

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