CN108872312B - 一种饱和简便的高量程土壤水势装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种饱和简便的高量程土壤水势装置及使用方法，包括电法式高量程水势装置、饱和外壳装置、外设装置和电法装置；电法式高量程水势装置内设置有水势感应部件；水势感应部件底部设置有受力单元兼负电极，水势感应部件和受力单元兼负电极之间留有间隙，设为内部腔体，在受力单元兼负电极下方连接应变感应部件；饱和外壳装置包括套设在壳体外的外壳，外壳内设置有自由水腔体；外设装置包括真空泵，真空泵通过两条管路与自由水腔体连接，其中一条管路直接连接，另一条管路上设置有无气水存储器和阀门。本发明量程可达0~‑1500kPa，并且饱和时间短，使用方便。
Description
技术领域
本发明属于土壤检测领域，尤其涉及一种饱和简便的高量程土壤水势装置及使用方法。
背景技术
土壤水势广泛应用于农业、林业以及岩土工程等，主要因为吸力不仅能推算出土体的含水率（与土体含水率存在非线性关系曲线—土水特征曲线），还能直接反映出植物根系的吸水能力，更是土体变形的一种状态变量。在农业和林业领域，凭借吸力的测量，而制定灌溉进度；在岩土工程中，根据吸力变化来预测土体干湿循环过程中的变形量。土壤水势的测量技术一直备受关注。
申请号为2012105540257的中国专利提出一种组装式土壤水势测量仪器及方法，该张力计包括张力计本体，所述张力计本体包括顶盖、尾部盖板、压力传感器、以及用于该张力计内外水分建立水力联系的感应部件，所述顶盖设有贯穿该顶盖的中空腔室，所述压力传感器位于所述顶盖的中空腔室内部，所述感应部件安装于所述顶盖一端，所述尾部盖板安装于所述顶盖另一端，所述中空腔室内表面与所述压力传感器外表面之间的间隙形成隔离腔、且该间隙为0.1mm至0.5mm。
专利2014100217282提出一种现场土壤水势测量仪器及方法，包括底座、感应套筒、外套筒、压力传感器、所述底座设有腔体及锥底，所述底座的锥底开设有排水孔，所述排水孔连通于腔体，所述压力传感器的一端伸入底座的腔体中并与所述底座紧密连接，所述外套筒套接于所述压力传感器与底座外侧，底座外周围绕所述腔体开设有凹槽，所述底座上还开设有预制透水孔，所述预制透水孔连通所述凹槽与腔体，所述感应套筒套接于所述底座并封盖于该凹槽外侧。
然而，这些土壤水势测量技术的范围仅0~-100kPa，属于普通量程。对于较干旱的土（如接近植物枯萎点），无法进行测量。
为了解决此技术问题，文献（陈锐，陈中奎，张敏，邓刚. 2013. 新型高量程张力计在吸力量测中的应用. 水利学报, Vol. 44(6): 743–747.）提出了一种可以测量-500kPa的高量程土壤水势装置，然而其准备过程很复杂，尤其在加/卸载过程，导致了准备过程冗长，至少需要3天，难以满足大批量、快速使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种饱和简便的高量程土壤水势装置及使用方法，其量程可达0~-1500kPa，并且饱和时间短，使用方便。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种饱和简便的高量程土壤水势装置，包括电法式高量程水势装置、饱和外壳装置、外设装置和电法装置；
电法式高量程水势装置包括壳体，所述壳体内侧上部通过胶结物固定设置有水势感应部件；水势感应部件底部设置有受力单元兼负电极，水势感应部件和受力单元兼负电极之间留有间隙，设为内部腔体，在受力单元兼负电极下方连接应变感应部件；
饱和外壳装置包括套设在壳体外的外壳，外壳内设置有自由水腔体，自由水腔体和壳体之间设置有O型圈，外壳、壳体和O型圈之间为自由水腔体；
外设装置包括真空泵，真空泵通过两条管路与自由水腔体连接，其中一条管路直接连接，另一条管路上设置有无气水存储器和阀门；
电法装置包括高电压施加设备，高电压施加设备通过正极电缆连接有正电极，正电极设置在自由水腔体的上方且与自由水腔体不接触，高电压施加设备接地；受力单元兼负电极连接地线接头，应变感应部件连接有数据采集装置。
进一步的，内部腔体厚度为0.05-0.5mm。
进一步的，所述的内部腔体厚度为0.1mm。
进一步的，所述的水势感应部件厚度为3-10mm。
进一步的，所述的水势感应部件厚度为5mm。
进一步的，所述的水势感应部件进气值大于等于5bar。
进一步的，所述的水势感应部件进气值为15bar。
一种饱和简便的高量程土壤水势装置及使用方法，包括如下步骤：
步骤一，将电法式高量程水势装置烘干并安装在饱和外壳装置内，然后将外设装置和电法装置连接在外壳装置上；
步骤二，打开真空泵对，将自由水腔体抽真空；
步骤三，然后打开阀门将无气水通入到自由水腔体中；
步骤四，打开高压施加设备，使得自由水腔体内的水分子在高压条件下整齐排列；
步骤五，关闭真空泵、阀门和高压施加设备，取出电法式高量程水势装置，将水势感应部件紧贴待测土体，数据采集装置开始测量该土体的水势。
进一步的，步骤三中，抽真空时长为2h。
进一步的，步骤四中，高压施加设备的通电时长为4h。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明相较于现有技术的有益效果包括：不同于传统的加卸载机理，本发明依据水的浅川效应（或电法效应），提供了一种饱和简单的高量程土壤水势装置及使用方法，因为采用电法提高了水的抗拉能力（即浅川效应），土壤水势测量范围可提高到-1500kPa，准备过程简单方便，由于采用电法，抛弃了传统张力计多次循环加/卸压方式，饱和时间仅需6h，远远短于传统高量程张力计的准备时间。
附图说明
图1是本实施例的结构示意图；
图2是本实施例中电法式高量程水势装置的结构示意图；
图3是为本实施例中内部腔体内水的微观形式。
1-电法式高量程水势装置；11-水势感应部件；12-胶结物；13-内部腔体；14-受力单元兼负电极；15-应变感应部件；16-负极电缆；17-应变感应器部件电缆；18-壳体；2-饱和外壳装置；21-外壳；22-正电极；23-自由水腔体；24-O型圈；3-外设装置；31-真空泵；32-水管；33-无气水存储器；34-无气水；35-阀门；4-电法装置；41-正极电缆；42-高电压施加设备；43-地线电缆；44-地线接头；45-数据采集装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种饱和简单的高量程土壤水势装置，如图1所示，包括电法式高量程水势装置1、饱和外壳装置2、外设装置3和电法装置4，所述的电法式高量程水势装置1安装于所述的饱和外壳装置2内，所述的饱和外壳装置2连接外设装置3，电法式高量程水势装置1和所述的饱和外壳装置2上还连接有电法装置；
如图2所示，电法式高量程水势装置1包括水势感应部件11、胶结物12、内部腔体13、受力单元兼负电极14、应变感应部件15、负极电缆16、应变感应器部件电缆17和壳体18，水势感应部件11通过所述的胶结物12固定在所述的壳体18顶部，所述的水势感应部件11与所述的受力单元兼负电极14之间存在所述的内部腔体13，所述的应变感应部件15固定于所述的受力单元兼负电极14底部，所述的负极电缆16和应变感应器部件电缆17分别与所述的受力单元兼负电极14和所述的应变感应部件15连接；
所述的饱和外壳装置2包括外壳21、正电极22、自由水腔体23和O型圈24，所述的正电极22处于所述的自由水腔体23之上，两者并不直接接触，所述的O型圈24处于所述的电法式高量程水势装置1和所述的饱和外壳装置2之间；
所述的外设装置3包括真空泵31、水管32、无气水存储器33、无气水34和阀门35，所述的自由水腔体23分两条路连接所述的真空泵31，一条直接连接，另一条连接所述无气水存储器33和阀门35后与真空泵连接；
所述电法装置4包括正极电缆41、高电压施加设备42、地线电缆43、地线接头44和数据采集装置45，所述的负极电缆16连接所述的地线接头44，所述的正极电缆分别连接所述的正电极22和所述的高电压施加设备42，所述的高电压施加设备42通过所述的地线电缆43连接所述的地线接头44，所述的应变感应器部件电缆17连接于所述的数据采集装置45；
所述的受力单元兼负电极14和正电极22之间电势差达5kV以上，作为一种优选，所述的受力单元兼负电极14和正电极22之间电势差设置为15kV，持续时间4h以上，所述的水势感应部件11进气值在5bar以上，作为一种优选，所述的水势感应部件11进气值为15bar。
所述的壳体18采用不锈钢，所述的饱和外壳装置2采用绝缘材料。
所述的内部腔体13厚度为0.05-0.5mm，作为一种优选，所述的内部腔体13厚度为0.1mm；所述的水势感应部件11厚度为3-10mm，作为一种优选，所述的水势感应部件11厚度为5mm。
一种饱和简便的高量程土壤水势装置及使用方法，包括如下步骤：
步骤一，将电法式高量程水势装置烘干并安装在饱和外壳装置内，然后将外设装置和电法装置连接在外壳装置上。
步骤二，打开真空泵对，将自由水腔体抽真空，抽真空时长为2h；此处抽真空主要为了消除仪器内部隐藏的微小气泡。
步骤三，然后打开阀门将无气水通入到自由水腔体中，此处采用无气水主要目的是消除溶解水中气体对水势测量的影响，在高量程水势（-1500kPa）条件下，水中的微小气泡受拉力，体积变大，致使内腔里的水不能再承受拉力，水势传感器也会失效。
步骤四，打开高压施加设备，通电时长为4h。参见图3，此处施加高压主要为了使得自由水腔体内的水分子在高压条件下整齐排列；增强水中氢键作用，提升内腔水的抗拉能力，进而提高传感器水势的测量范围。
步骤五，关闭真空泵、阀门和高压施加设备，取出电法式高量程水势装置，将水势感应部件紧贴待测土体，数据采集装置开始测量该土体的水势。
本发明相较于现有技术的有益效果包括：不同于传统的加卸载机理，本发明依据水的浅川效应（或电法效应），提供了一种饱和简单的高量程土壤水势装置及使用方法，因为采用电法提高了水的抗拉能力（即浅川效应），土壤水势测量范围可提高到0~-1500kPa，准备过程简单方便，由于采用电法，抛弃了传统张力计多次循环加/卸压方式，饱和时间仅需6h，远远短于传统高量程张力计的准备时间。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种饱和简便的高量程土壤水势装置，其特征在于：包括电法式高量程水势装置、饱和外壳装置、外设装置和电法装置；
电法式高量程水势装置包括壳体，所述壳体内侧上部通过胶结物固定设置有水势感应部件；水势感应部件底部设置有受力单元兼负电极，水势感应部件和受力单元兼负电极之间留有间隙，设为内部腔体，在受力单元兼负电极下方连接应变感应部件；
饱和外壳装置包括套设在壳体外的外壳，外壳内设置有自由水腔体，自由水腔体和壳体之间设置有O型圈，外壳、壳体和O型圈之间为自由水腔体；
外设装置包括真空泵，真空泵通过两条管路与自由水腔体连接，其中一条管路直接连接，另一条管路上设置有无气水存储器和阀门；
电法装置包括高电压施加设备，高电压施加设备通过正极电缆连接有正电极，正电极设置在自由水腔体的上方且与自由水腔体不接触，高电压施加设备接地；受力单元兼负电极连接地线接头，应变感应部件连接有数据采集装置。
2.根据权利要求1所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置，其特征在于：内部腔体厚度为0.05-0.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置，其特征在于：所述的内部腔体厚度为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置，其特征在于：所述的水势感应部件厚度为3-10mm。
5.根据权利要求4所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置，其特征在于：所述的水势感应部件厚度为5mm。
6.根据权利要求1所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置，其特征在于：所述的水势感应部件进气值大于等于5bar。
7.根据权利要求6所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置，其特征在于：所述的水势感应部件进气值为15bar。
8.一种如权利要求1所述的饱和简便的高量程土壤水势装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，将电法式高量程水势装置烘干并安装在饱和外壳装置内，然后将外设装置和电法装置连接在外壳装置上；
步骤二，打开真空泵，将自由水腔体抽真空；
步骤三，然后打开阀门将无气水通入到自由水腔体中；
步骤四，打开高压施加设备，使得自由水腔体内的水分子在高压条件下整齐排列；
步骤五，关闭真空泵、阀门和高压施加设备，取出电法式高量程水势装置，将水势感应部件紧贴待测土体，数据采集装置开始测量该土体的水势。
9.根据权利要求8所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置的使用方法，其特征在于：步骤二中，抽真空时长为2h。
10.根据权利要求8所述的一种饱和简便的高量程土壤水势装置的使用方法，其特征在于：步骤四中，高压施加设备的通电时长为4h。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20181123 Assignee: Shenzhen Jingyi Technology Co.,Ltd. Assignor: HOHAI University Contract record no.: X2020320000400 Denomination of invention: A high range soil water potential device with simple saturation and its application method Granted publication date: 20200804 License type: Common License Record date: 20201228 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20181123 Assignee: JIANGSU YUANNENG ELECTRIC POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Assignor: HOHAI University Contract record no.: X2021320000032 Denomination of invention: A high range soil water potential device with simple saturation and its application method Granted publication date: 20200804 License type: Common License Record date: 20210427 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: JIANGSU YUANNENG ELECTRIC POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Assignor: HOHAI University Contract record no.: X2021320000032 Date of cancellation: 20221101 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20181123 Assignee: JIANGSU YUANNENG ELECTRIC POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Assignor: HOHAI University Contract record no.: X2022320000235 Denomination of invention: A Simple Saturated High Range Soil Water Potential Device and Its Application Method Granted publication date: 20200804 License type: Common License Record date: 20221103 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |