CN109444021A - 一种监测、测量土壤透气性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测、测量土壤透气性的装置，它是由不锈钢管、土柱和不锈钢管帽构成封闭性系统，是由不锈钢管、土柱和不锈钢帽构成；监测系统是由大气压力变送器、无纸记录仪、温湿度监测仪、三通塑料管、注射器、导线和电源相互连接构成。通过监测封闭不锈钢管内土柱的气压、温度和湿度变化，计算土壤透气量、水汽通过量，为土壤透气性研究、地球物理、矿物勘探、中国传统的地气研究及洞窟文物的保护提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测、测量土壤透气性的装置。装置为封闭系统。通过测量土壤的气压和温度、湿度变化，确定土壤透气性能，为土壤透气性、中国传统地气及洞窟文物保护提供技术支撑。
背景技术
土壤的透气性是指土壤透过空气的能力，也称为土壤的通气性。众所周知，土壤是由固体、液体和气体组成，而土壤透气能力与土壤粒径、土壤含水量、空气相对湿度、土壤温度、盐分、空气压差等密切关联。通常，土壤的透气性对于微生物活动强度、种籽发芽、根系发育、营养吸收及养分运移有重要影响。其中土壤空气中的水汽在通过不同湿度的土壤时，受土壤干燥度的影响，透过存在空气湿度的增减和水汽压的变化，水汽压的变化进而引起气压及压差的变化。因此，土壤透气性要考虑包括水汽在内的分气压构成及土壤湿度的影响。
由于气相的存在，土壤与外界大气形成了一个连续的统一体。土壤内的空气压力一方面受大气的影响和控制，随大气压的变化而变化。但同时受土壤内部温度、湿度、盐分等自然环境条件和自身构成的影响，导致在不同区域的地气压存在差异，从而导致气体、水分和矿物质运移方向和运移量的变化。
根据流体力学，对于同一土壤，它的厚度越厚，土壤的阻滞力越大。透气性随厚度的增加而下降，透气性与土壤厚度成反比。土壤透气量是在一定压差下和厚度下，单位面积的土壤在单位时间透过的气体数量。
由于土壤距离开放地表的厚度不同，一方面随深度的增加温度波动幅度下降，另一方面随深度的增加气压封闭性能增强。因此，土壤的透气性与深度、空隙度、温度及土壤的水分含量等形成复杂的关系。这是中国古代利用地气压变化进行24节气监测，即传统候气的核心所在。因此，如要理清各影响因子的作用机理与作用程度，研究地气活动规律，需要专门仪器对土壤透气性等进行监测。
研究发现土壤透气性的不同会导致水分、矿物离子等产生运移分异。目前一般通过测量吸附于土壤颗粒的地球化学元素，如微量成矿元素或伴生元素、伴生气体的含量来确定它们的来源，达到资源勘查的目的。土壤透气性对矿物元素的运移有直接的影响，是研究矿物运移通道和地气的关键。
另外，在古丝绸之路沿线上保存了众多的佛教石窟，它们开凿于了砾砂岩体中，处于包气带中。长期以来，由于围岩温度的日/年周期活动、气候变化和人类活动的影响，众多的石窟壁画存在起甲、霉变、空鼓、酥碱等病害。研究发现，水汽是引起壁画病害最活跃的因素。因此，监测洞窟围岩内包括水汽在内的透气性研究，对确定洞窟壁画劣化动力来源，研究壁画病害形成机理，确定洞窟文物的主动预防性保护措施具有至关重要的作用。
因而，研发一种监测、测量土壤透气性测定装置对土壤通透性影响因子、水汽透过量、地气活动机理和矿物运移等的研究非常关键，对地气物理研究、矿物勘探和洞窟文物保护等方面具有重要意义。
发明内容
基于上述，本发明以封闭系统为基础，旨在提供一种监测、测量土壤透气性的装置。本装置通过对土壤温度、空气湿度、气压的监测，确定土壤透气性能，为地气研究、古代候气恢复、矿物资源勘探和洞窟文物保护提供关键技术支撑。
本发明的目的是这样实现的：
一种监测 、测量土壤透气性的装置，是由封闭不锈钢管材、不锈钢帽、两个大气压力变送、两个三通塑料管、注射器、无纸记录仪、温湿度监测仪、导管、铁托、钢杵、电源和土柱构成。不锈钢管中部置放铁托和钢杵夯筑的土柱于不锈钢管的中部，在筑土不锈钢管，两端附着橡胶垫，拧紧不锈钢帽使之密封；不锈钢帽一端通过导管与温湿度监测仪连接，温湿度监测仪通过导管与三通塑料管连接，三通塑料管通过导管又与大气压力变送器连接，大气压力变送器通过导线与无纸记录仪连接；不锈钢管帽的另一端与注射器连接，注射器通过导管又与另一三通塑料管相连，另一三通塑料管通过导管又与另一大气压力变送器连接，另一大气压力变送器通过导线与无纸记录仪连接，无纸记录仪与电源连接，形成环形连接方式。
本发明的优点：
本发明测量精准、性能稳定可靠，气压差、记录间隔等可根据需要自行调控。大气压在600-1100hPa内可自由确定实验压差，具备记录时间长、自动记录的特点。
本发明可实时监测土壤气压的变化过程，与温度、湿度等环境因子同步监测相配合，可分析土壤水分、温度、盐分等对土壤透气性的影响。同时，通过空气相对湿度、绝对湿度的变化，可独立研究土壤土壤空气的主要构成成分——水汽的通透性，这对于洞窟围岩水分运移、洞窟壁画劣化形成机理研究，包气带水汽运移研究提供技术支撑。
附图说明
图1是本发明的组件构成图。
图2为铁托和钢杵示意图。
图3为图1中不锈钢管帽示意图。
图中：1-封闭不锈钢管；2-不锈钢管帽；3-大气压力变送器；3´-大气压力变送器；4-三通连接管；4´-三通连接管；5-注射器；6-无纸记录仪；7-温湿度监测仪；8-导管；9-铁托；10-钢杵；11-土柱。
具体实施方式
本发明采用的大气压力变送器为HD9408T，意大利DeltaOHM公司生产，其测量范围：600～1100 mBar；过载：2 bar；精度：±0.4 mbar；输出：4～20 mA；工作温度：-30～+60℃；配置无纸记录仪为BT805无纸记录仪（厦门伯特自动化工程有限公司生产），记录间隔可根据具体需要从数秒至数小时自由设定。五位显示，精度较高，与大气压力变送器HD9408T配套，分辨率可达0.1 hPa。U盘转存，方便下载与分析。电源可根据实际需要选择AC 220V供电电源或DC 24V供无纸记录仪表使用；温湿度监测仪为HOBO-U23-002，美国产，温度在0～50℃范围时，准确度为±0.21℃；相对湿度在10～90% 时准确度为±2.5%。
下面结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明：
如图1所示，一种土壤透气性测量装置，装置是在封闭系统下通过气压及温湿度监测实现的。即由封闭系统和监测系统两部分构成。封闭性系统是由由长50 cm不锈钢管1、土柱11和不锈钢管帽2构成；监测系统是由大气压力变送器3、大气压力变送器3´、无纸记录仪6、温湿度监测仪7、三通塑料管4、三通塑料管4´、注射器5、导管8和电源组成。
事先测定土壤为沙粘土，其含水率为30-40%，土壤粒径0.01-1.0mm、土壤含盐量3-5%0、重量1200g、所取土壤地下厚度为5-5.5m、、孔隙度45-65%、容重0.1-1,5g/cm3、土壤温度25-35度、管柱土柱体积3.925cm3。在不锈钢管1中灌入准备测量的土壤，用铁托9和钢杵10夯筑20cm长度的土柱11置于不锈钢管1中部。在筑土不锈钢管1两端透气孔和温湿度监测仪HOBO探头连接处用胶垫和密封胶密封，不锈钢帽2为六面体，其一棱内开有槽口，六面体中心为通孔，一端面孔径为5cm，一端面孔径为12cm。拧紧不锈钢帽2使之密封，形成一个完全封闭的空间。不锈钢帽2一端与通过导管8与温湿度监测仪7连接，温湿度监测仪7再通过导管8与三通塑料管4连接，三通塑料管4通过导管8又与大气压力变送器3连接，大气压力变送器3通过导线8与无纸记录仪6连接。不锈钢管帽2另一端注射器5与三通塑料管4´相连，三通塑料管4´又与大气压力变送器3´连接，大气压力变送器3´与无纸记录仪6连接，无纸记录仪6与电源11连接。
用注射器5分别调整管内两端的气压，通过注射或抽取空气来设定不锈钢管1内土柱11两端的压差，高压端进行增压处理，低压端进行减压处理。气压一般设定在600~110hPa，土柱两端压差在500 hPa之内。
根据实验需要用设定无纸记录仪6和温湿度监测仪7监测时间间隔，一般10分钟记录1次。用无纸记录仪6记录大气压力变送器3变送的气压数据，用温湿度监测仪7监测温湿度变化，然后通过数据计算土壤透气量：当土柱11两端气压达到平衡后，通过下载气压及温湿度数据进行透气量及水汽运移量的计算。具体为：
通过PV= nRT计算不同温度下的透气量（n）以及水汽和解吸附空气的通过量。其中：P为空气压强，V为透气体积，可测量获得。T为温度（K），R为气体常数，n为气体摩尔数。其中水分摩尔数量（n水）可通过绝对湿度（AH）除水分分子量18获得。这样可通过透气量（n）和其中的水汽量（n水）确定解吸附的空气量。绝对湿度（AH）与相对湿度（RH）和温度（t，单位℃）的关系为：
AH =
进行成组对比实验的操作与此相同。为了进行对比不同土壤透气性试验，进行成组对比实验的操作与相同。可用相同长度的不锈钢及配套装置组成一组套，具体数量根据试验需要而定；也可用不同长度的不锈钢及配套装置组成一组。不锈钢管1长为50、60、70 cm的一组土壤透气性装置，可专门对比研究不同厚度对土壤透气性的影响。
Claims (2)
1.一种监测 、测量土壤透气性的装置，是由封闭不锈钢管材（1）、不锈钢帽（2）、大气压力变送（3）、大气压力变送器（3´）、三通塑料管（4）、三通塑料管（4´）、注射器（5）、无纸记录仪（6）、温湿度监测仪（7）、导管（8）、铁托（9）、钢杵（10）、电源和土柱（11）构成，其特征是不锈钢管（1）中部置放有铁托和钢杵夯筑的土柱（11）于不锈钢管（1）的中部，在不锈钢管（1）两端附着橡胶垫，拧紧不锈钢帽（2）使之密封；不锈钢帽（2）一端通过导管（8）与温湿度监测仪（6）连接，温湿度监测仪（7）通过导管（8）与三通塑料管（4）连接，三通塑料管（4）通过导管（8）又与大气压力变送器（3）连接，大气压力变送器（3）通过导线（8）与无纸记录仪（6）连接；不锈钢管帽（2）的另一端与注射器（5）连接，注射器（5）通过导管（8）又与三通塑料管（4´）相连，三通塑料管（4´）通过导管（8）又与大气压力变送器（3´）连接，大气压力变送器（3´）通过导线与无纸记录仪（6）连接，无纸记录仪（6）与电源连接，形成环形连接方式。
2.根据权利要求1所述一种监测 、测量土壤透气性的装置，其特征是不锈钢帽（2）为六面体，其一棱开有槽口，六面体中心为通孔，一端面为小孔，另一端面为大孔。
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