CN109425710A - 一种水分转化监测的实验装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水分转化监测的实验装置及其方法，该装置包括：基座；容器，位于基座上，用于盛放土壤，种植植物；电子天平，通过杆臂与基座相连；配重块，设置在杆臂上；至少一个地下水位控制柱，与容器相连通；第一控制器，与电子天平相连；环境罩，罩设在容器的上方；光源固定架，位于所述容器的上方，与容器的开口相对，光源固定架用于固定光源；多根降雨主管，位于环境罩内，且靠近环境罩的顶部；降雨支管，与至少一根降雨主管相连通；多个喷头，设置在降雨支管上；供水管，与降雨主管相连通；蠕动泵，一端与供水管相连；供水罐，与蠕动泵的另一端相连；第二控制器，与蠕动泵相连。本发明能够实时监测水体的变化、频率高、精度高。

Description

一种水分转化监测的实验装置及其方法
技术领域
本发明涉及土壤水分研究的技术领域，尤其涉及一种水分转化监测的实验装置及其方法。
背景技术
水是植物种植中不可或缺的，水进入到土壤后才能被植物吸收，现有技术中，虽然研究了土壤水分对植物生长的影响，但并未考虑到降水、地表水、土壤水、地下水之间的转化关系及其对植物生长的影响。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明提供一种水分转化监测的实验装置，其特征在于，包括：
基座；
容器，位于所述基座上，用于盛放土壤，种植植物；
电子天平，通过杆臂与所述基座相连；
配重块，设置在所述杆臂上；
至少一个地下水位控制柱，与所述容器相连通；
第一控制器，与所述电子天平相连；
环境罩，罩设在所述容器的上方；
光源固定架，位于所述容器的上方，与所述容器的开口相对，所述光源固定架用于固定光源；
多根降雨主管，位于所述环境罩内，且靠近所述环境罩的顶部；
降雨支管，与至少一根所述降雨主管相连通；
多个喷头，设置在所述降雨支管上；
供水管，与所述降雨主管相连通；
蠕动泵，一端与所述供水管相连；
供水罐，与所述蠕动泵的另一端相连。
第二控制器，与所述蠕动泵相连。
在一个可能的设计中，还包括供水箱，与所述地下水位控制柱相连通，用于为所述地下水位控制柱供水。
在一个可能的设计中，还包括土壤水分传感器、土壤水势传感器和土壤水提取器，设置在所述容器的侧壁，与所述第一控制器相连。
在一个可能的设计中，还包括升降设备，与所述光源固定架相连，用于控制所述光源固定架的升降；所述升降设备包括手动转动摇把以及缠绕在所述手动转动摇上的链条；所述链条的其中一个端部与所述光源固定架固定连接。
在一个可能的设计中，还包括送风设备，所述送风设备包括立柱管道以及与所述立柱管道相连通的出风管道；所述出风管道上设有多个出风通孔；所述出风管道能绕其中心点旋转。
在一个可能的设计中，还包括温湿度传感器、感光传感器中的至少一项，与所述容器的开口的距离为预设高度；所述温湿度传感器或感光传感器与所述第二控制器相连。
在一个可能的设计中，还包括：
温湿度控制口，设置在所述环境罩的侧壁上；
空调模块，与所述温湿度控制口相连。
输水管，与所述温湿度控制口相连；
蒸馏水供水箱，与所述输水管相连用。
在一个可能的设计中，还包括：
出水管道，安装在所述容器的侧壁上，且距离所述容器顶部的距离为预设值；所述出水管道与所述容器的内部连通；
盛水容器，与所述出水管道相连；
液位传感器，设置在所述盛水容器内。
在一个可能的设计中，还包括：
雨量筒，设置在所述降雨支管的下方，且位于所述容器的开口的上方。
在一个可能的设计中，相邻的两根所述降水支管的间距为0.3至0.7米，相邻两个所述喷头的间距为0.3至0.7米。
根据本发明的另一个方面，提供一种水分转化监测的实验方法，包括：
根据植物生长阶段设定环境参数，包括光照强度、温度、湿度、风速、CO2进入量中的至少一个；
判断土壤的含水量是否低于预设阈值，若是，则通过喷头向植物进行降雨，并实时监测降雨量P；
计算地表水流量：Qst＝(ht-ht-1)*π*r2/Δt；
向地下水位控制柱供水直至达到预设水位，供水量为Wg＝Qgt*Δt；其中，Qgt是输水流量；
记录所述降雨量P、所述土壤水的数据WSt及称重数据Wp；
计算植物的耗水量Wp＝Wpt-Wpt-1-ΔP*A-Qst*Δt-Wg；其中，Wpt是t时刻容器的重量，A为容器的底面积。
本发明提供了一种水分转化监测的实验装置及其方法，能反映降水、地表水、土壤水、地下水、植物水之间的转化关系。
通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明实施例的水分转化监测的实验装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的水分转化监测的实验装置的结构示意图。
图3为本发明实施例的水分转化监测的实验方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明提供的水分转化监测的实验装置，包括：
基座2-2；
容器2-1，位于所述基座2-2上，用于盛放土壤，种植植物；电子天平2-5，通过杆臂2-3与所述基座2-2相连；
配重块2-4，设置在所述杆臂2-3上；
至少一个地下水位控制柱2-9，与所述容器2-2相连通；
第一控制器2-11，与所述电子天平2-5相连；
环境罩5-1，罩设在所述容器2-1的上方；本实施例中，容器2-1有2个，该环境罩5-1需要同时罩住该两个容器2-1；
光源固定架1-1，位于所述容器的上方，与所述容器的开口相对，用于固定光源；在本发明的一个实施中，光源固定架1-1可以设置在所述环境罩5-1的顶部内壁上；当然，光源固定架1-1也可以独立于环境罩4-1设置；
多根降雨主管3-4，位于所述环境罩5-1内，且靠近所述环境罩5-1的顶部；
降雨支管3-5，与至少一根所述降雨主管3-4相连通；
多个喷头3-6，设置在所述降雨支管3-5上；
供水管3-3，与所述降雨主管相连通；
蠕动泵3-2，一端与所述供水管相连；
供水罐3-1，与所述蠕动泵3-2的另一端相连。
第二控制器1-8，与所述蠕动泵3-2相连。
本实施例中，还包括土壤水分传感器2-6、土壤水势传感器2-7和土壤水提取器2-8，设置在所述容器2-1的侧壁，与所述第一控制器2-11相连。地下水位控制柱2-9与容器2-1连通，用于控制容器2-1内的土壤的地下水位、每个容器2-1有两个地下水位控制柱2-9，每个地下水位控制柱2-9的水位可以相同，也可以不同，从而形成不同的水位高度，还包括供水箱2-10所述地下水位控制柱相连通，用于为所述地下水位控制柱2-9供水。
在本发明的一个实施例中，还包括送风设备，所述送风设备包括立柱管道1-9以及与所述立柱管道1-9相连通的出风管道1-10；所述出风管道1-10上设有多个出风通孔；所述出风管道1-10能绕其中心点旋转。在具体实施时，立柱管道1-9与出风管道1-10可以相互垂直设置，
通过立柱管道1-9可以向出风管道1-10送风，出风管道1-10以中心点为对称两面水平对称设置出风通孔，该出风通孔的孔径为5mm，通过出风通孔出风，出风管道使1-10旋转，达到均匀送风。
为了更好地控制光照强度，还包括升降设备1-2，与所述光源固定架1-1相连，用于控制所述光源固定架1-1的升降。该升降设备1-2可以包括手动转动摇把以及缠绕在所述手动转动摇上的链条；所述链条的其中一个端部与所述光源固定架固定连接。该光源可以是3*4的排列组合钠灯。
为了更好地监控环境罩5-1内的环境参数，还包括温湿度传感器1-3、感光传感器1-4中的至少一项，其与所述容器的开口的距离为预设高度；该预设高度例如是光源下方1m处。所述温湿度传感器1-3或感光传感器1-4与所述第二控制器1-8相连；用于将监测到的数据传递给第二控制器1-8。
还包括：
温湿度控制口1-5，设置在所述环境罩5-1的侧壁上；
空调模块(图中未显示)，与所述温湿度控制口1-5相连。
输水管1-6，与所述温湿度控制口1-5相连；
蒸馏水供水箱(图中未显示)，与所述输水管1-6相连用。
第二控制器1-8还与空调模块及蒸馏水供水箱相连，用于根据温湿度传感器1-3的监测结果通过开启蒸馏水供水箱进行喷雾增加湿度，或通过启动空调模块进行除湿降低湿度，或启动空调模块进行温度调节。
此外，还包括供气瓶1-7，其内填有CO2气体，可以向环境罩内提供CO2，满足植物生长实验所需。
为了更好地测量降雨量，还包括：
雨量筒3-8，设置在所述降雨支管3-5的下方，且位于所述容器的开口的上方。
本实施例中，相邻的两根所述降水支管的间距为0.3至0.7米，例如是0.5m；相邻两个所述喷头的间距为0.3至0.7米，例如是0.5m。供水罐3-1容积为0.5方，蠕动泵3-2可以定流量，例如6-L/h向供水管3-3供应水量，供水管3-3连接降雨主管3-4，降雨主管3-4向6个降雨支管3-5供水、喷头采用120°的下喷式喷嘴，还可以包括支架3-7，以支撑降雨主管和降雨支管。
为了更好地计算地表水，还可以包括：
出水管道4-3，安装在所述容器的侧壁上，其安装孔距离所述容器顶部的距离为预设值，例如是30cm；所述出水管道与所述容器的内部连通；
盛水容器4-1，与所述出水管道4-3相连；盛水容器4-1可以是圆柱形容器，直径例如是50cm，高度例如是1m；
液位传感器4-2，设置在所述盛水容器4-1内。
可见，具体实施时，可以采用以下方法计算各水量：
通过雨量筒实时监测进入容器中的降雨量P；
通过圆柱型盛水容器体积法计算出流量：Qst＝(ht-ht-1)*π*r2/Δt；
通过多层，例如是14层土壤水分传感器实时监测土壤变化Wsoil；
向地下水位控制柱供水量Wg＝Qgt*Δt得到地下水的水量；其中，Qgt是输水流量；
记录所述降雨量P、所述土壤水的数据WSt及称重数据Wp；最后通过根据水量平衡计算植物的耗水量：
Wp＝Wpt-Wpt-1-ΔP*A-Qst*Δt-Wg
其中，Wpt是t时刻容器的重量，A为容器的底面积。
根据本发明的另一个方面，提供一种水分转化监测的实验方法，该方法可以应用本发明任一实施例提供的水分转化监测的实验装置实现；该方法包括：
201、开始；
可以在本发明任一实施例提供的水分转化监测的实验装置的容器填上所需土壤，并种植植物。
202、根据植物生长阶段设定环境参数，包括光照强度、温度、湿度、风速、CO2进入量中的至少一个；
根据植物生长阶段设定环境温度、湿度和所需CO2和光照，第二控制器1-8控制气候控制系统的温度、湿度、风速和CO2进入量，以及光源的数量，同时通过升降设备1-2调节光源的高度。
203、判断土壤的含水量是否低于预设阈值，若是，则通过喷头向植物进行降雨，并实时监测降雨量；
该预设阈值例如是50％。当土壤含水量低于田间持水量的50％时，开启蠕动泵3-2，开始向主管3-4供水，调节蠕动泵的流量，可以调节降雨的大小，雨量筒3-8实时监测降雨量。
204、计算地表水流量：Qst＝(ht-ht-1)*π*r2/Δt；
一般地，当降雨到达地表，形成地表水，通过出流管道到达盛水容器，盛水容器中有水后，液位传感器记录容器中的水位，通过体积法即可计算出地表水流量；
205、向地下水位控制柱供水直至达到预设水位；
开启供水箱2-10，向地下水位控制柱2-9供水，使地下水位达到预设水位，例如是0.5米。
本实施例中，供水量为：Wg＝Qgt*Δt；其中，Qgt是输水流量；
206、记录所述降雨量P、所述土壤水的数据WSt及称重数据Wp。
可以每隔第一预设时间监测一次土壤水的数据，每隔第二预设时间抽取一次土壤水，每隔第三预设时间进行称重；
更具体地，通过土壤水分传感器2-6、土壤水势传感器2-7每隔30分钟监测一次土壤水的数据；通过土壤水提取器2-8每隔4小时抽取一次土壤水，通过杆臂2-3每隔半小时把重量传递到电子天平2-5，测量完毕后，再把重量消减，释放电子天平的压力，记录容器的重量。该些数据可以记录在第一控制器2-11内。
207、计算植物的耗水量Wp＝Wpt-Wpt-1-ΔP*A-Qst*Δt-Wg；其中，Wpt是t时刻容器的重量，A为容器的底面积。
208、结束。
本发明提供的水分转化监测的实验装置及其实验方法，结构简单，注重土壤各层的水分变化对植物生长的影响；能够实时监测水体的转化、频率高、精度高。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种水分转化监测的实验装置，其特征在于，包括：
基座；
容器，位于所述基座上，用于盛放土壤，种植植物；
电子天平，通过杆臂与所述基座相连；
配重块，设置在所述杆臂上；
至少一个地下水位控制柱，与所述容器相连通；
第一控制器，与所述电子天平相连；
光源固定架，位于所述容器的上方，与所述容器的开口相对，所述光源固定架用于固定光源；
多根降雨主管，位于所述环境罩内，且靠近所述环境罩的顶部；
降雨支管，与至少一根所述降雨主管相连通；
多个喷头，设置在所述降雨支管上；
供水管，与所述降雨主管相连通；
蠕动泵，一端与所述供水管相连；
供水罐，与所述蠕动泵的另一端相连；
第二控制器，与所述蠕动泵相连。
2.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，还包括供水箱，与所述地下水位控制柱相连通，用于为所述地下水位控制柱供水。
3.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，还包括土壤水分传感器、土壤水势传感器和土壤水提取器，设置在所述容器的侧壁，与所述第一控制器相连。
4.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，还包括升降设备，与所述光源固定架相连，用于控制所述光源固定架的升降；所述升降设备包括手动转动摇把以及缠绕在所述手动转动摇上的链条；所述链条的其中一个端部与所述光源固定架固定连接。
5.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，还包括送风设备，所述送风设备包括立柱管道以及与所述立柱管道相连通的出风管道；所述出风管道上设有多个出风通孔；所述出风管道能绕其中心点旋转。
6.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，还包括温湿度传感器、感光传感器中的至少一项，与所述容器的开口的距离为预设高度；所述温湿度传感器或感光传感器与所述第二控制器相连。
7.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，还包括：
出水管道，安装在所述容器的侧壁上，且距离所述容器顶部的距离为预设值；所述出水管道与所述容器的内部连通；
盛水容器，与所述出水管道相连；
液位传感器，设置在所述盛水容器内。
8.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，还包括：
雨量筒，设置在所述降雨支管的下方，且位于所述容器的开口的上方。
9.根据权利要求1所述的水分转化监测的实验装置，其特征在于，相邻的两根所述降水支管的间距为0.3至0.7米，相邻两个所述喷头的间距为0.3至0.7米。
10.一种水分转化监测的实验方法，其特征在于，包括：
根据植物生长阶段设定环境参数，包括光照强度、温度、湿度、风速、CO2进入量中的至少一个；
判断土壤的含水量是否低于预设阈值，若是，则通过喷头向植物进行降雨，并实时监测降雨量P；
计算地表水流量：Qst＝(ht-ht-1)*πr2/Δt；
向地下水位控制柱供水直至达到预设水位，供水量为Wg＝Qgt*Δt；其中，Qgt是输水流量；
记录所述降雨量P、所述土壤水的数据WSt及称重数据Wp；
计算植物的耗水量Wp＝Wpt-Wpt-1-ΔP*A-Qst*Δt-Wg；其中，Wpt是t时刻容器的重量，A为容器的底面积。
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