CN109724841A - 一种批量定时抽取混合土壤水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种批量定时抽取混合土壤水的装置，包括直接采样模块、中间蓄水模块、采样收集模块、单片机及电源；设置多个采样管装置，利用负压原理及微孔陶土头抽取土壤水，然后收集至集水瓶中，再从集水瓶流入蓄水柱，利用水泵从蓄水柱中抽取土壤水流至采样瓶中。本发明提供的批量定时抽取混合土壤水的装置及方法，采用多个电磁铁协同工作的方法，准时抽取并收集一定时段内的土壤水，提高土壤水样的代表性，对于同位素水文学的研究起到重要的推动作用。

Description

一种批量定时抽取混合土壤水的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种批量定时抽取混合土壤水的装置及方法，属于同位素水文学技术领域。

背景技术

近些年来，流域对降雨的响应问题一直是国内外水文学家的重点研究。土壤水作为水资源一种重要的形式，可以通过其溶质的变化用以定量探究流域蒸散发量和地下水补给量。而土壤水分的变化受到多个因素的影响，包括降水、灌溉、蒸发等共同作用，也受土壤类型、植被覆盖率等因素影响。随着全球气候的变暖，极端天气事件发生频率增加，以及城市化进程的不断推进，这些大尺度的因素也会对流域的产汇流机制产生影响。如何定性及定量地研究这些影响对降雨径流的响应，对于我们加强水资源的管理起到至关重要的作用。

传统的方法主要通过研究水分在入渗过程中的水力参数建立土壤水运动模型，例如Philip模型、Green-Ampt模型等，然而如何探究这些模型的精度以及不确定性，这依旧是一个值得深思的问题。应用稳定同位素来探究水温循环过程始于20世纪60年代，随着质谱仪测量精度的提高以及测样价格的下降，稳定同位素被水文学家更广泛地应有于探究流域的产汇流过程。这主要与各种形态水的稳定同位素相对丰度变化影响因素有关，这些因素可以归纳为蒸发分馏，水岩交换作用，相态的变化以及不同水源的混合，其中以不同水源混合为主。应用各水源稳定同位素相对丰度的变化来揭示径流的产生机制，具有一定的物理基础，同时避免了一些人为主观因素的影响。目前土壤水的稳定同位素成分的研究主要集中在同位素流量过程线分割，以及流域平均滞时等。

时至今日，人工采集土壤水依旧是进行同位素研究的主要方法，然而人工的采样有很大缺陷，主要包括以下几点：1、取样时间的间隔不够精确，如每两小时取一次土壤水样，由于采样过程中的种种原因导致采样的提前以及延后，土壤水的同位素相对丰度是随着时间变化的，如此采集的土壤水时间代表性不足，其数据对于结果的分析可能会造成很大影响；2、采样点的代表性问题，在进行土壤水采集的过程中，我们往往选择同一土壤深度采集一个水样代表流域这一层的土壤水的相对丰度，然而，由于土壤、植被的空间变换，以及动物洞穴的存在都会使得空间的代表性不够；3、夜间采样的困难性，针对土壤水时程变化的研究中，需要对土壤水相同时间间隔的数据进行分析，然而晚上的取样难度增加，采样人员的人身安全问题显得尤为重要。因此，为了提高土壤样品在时间以及空间的代表性，同时尽量减少采样人员的工作量，发明一种自动定时采集土壤水的装置很有必要。

发明内容

目的：为了克服现有的实验仪器缺陷，包括取样代表性不足、野外实验人员的安全隐患问题以及采样时间的精准问题，本发明提供一种批量定时抽取混合土壤水的装置，采用多个电磁铁协同工作的方法，定时抽取并收集某时段内的土壤水，提高了土壤水样的代表性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种批量定时抽取混合土壤水的装置，包括直接采样模块、中间蓄水模块、采样收集模块、单片机及电源；

所述直接采样模块包括采样管装置、进气装置、进气管和取样管，所述采样管装置的管壁嵌设有多个陶土头，所述进气管插入采样管装置并与进气装置连通，所述取样管伸入采样管装置底部；所述进气装置底部设置进气口，并通过第一电磁控制装置控制进气口的开闭；

所述中间蓄水模块包括集水瓶、蓄水柱及水泵，所述集水瓶底部设有集水瓶出水口，并通过第二电磁控制装置控制集水瓶出水口的开闭；集水瓶出水口下方设有集水漏斗，集水漏斗连接集水瓶出水管，集水瓶出水管与蓄水柱连通；所述蓄水柱通过水泵进水管连接水泵，水泵出水口连接水泵出水管，水泵出水管上设有若干出水口，所述出水口周围固定设有管壁挡水片；所述集水瓶还与真空泵连接，所述取样管与集水瓶连通；

所述采样收集模块包括采样瓶及采样集水支路，所述采样集水支路包括第三橡胶活塞、集水盘、连接杆、第三电磁铁、第三电磁铁轴；所述第三橡胶活塞固定在连接杆一端端部，连接杆另一端通过第二连接螺丝连接第三电磁铁轴，第三电磁铁轴位于第三电磁铁上方，第三电磁铁无电状态下第三橡胶活塞堵住水泵出水管上的出水口；所述集水盘左侧设有集水盘出水口，集水盘出水口通过出流管连接采样瓶；

所述第一电磁控制装置、第二电磁控制装置、第三电磁铁分别与单片机、电源连接。

进一步地，所述第一电磁控制装置包括第一电磁铁、第一电磁铁轴）和第一橡胶活塞，所述第一电磁铁轴设置在第一电磁铁下方，所述第一橡胶活塞固定在第一电磁铁轴端部；第一电磁铁无电状态下第一橡胶活塞堵住进气装置的进气口；所述第一电磁铁与单片机、电源连接。

进一步地，所述第二电磁控制装置包括第二电磁铁、第二电磁铁轴和第二橡胶活塞；所述第二电磁铁轴设置在第二电磁铁下方，第二橡胶活塞固定在第二电磁铁轴端部，第二电磁铁无电状态下第二橡胶活塞堵住集水瓶出水口；所述第二电磁铁与单片机、电源连接。

进一步地，所述连接杆包括竖杆和横杆，竖杆与横杆通过第一连接螺丝连接形成直角型连杆；竖杆顶端端部固定第三橡胶活塞，横杆右侧端部通过第二连接螺丝与第三电磁铁轴连接。

进一步地，所述陶土头由微孔陶土材料制成。

进一步地，所述取样管采用玻璃材料制作。

进一步地，所述集水瓶出水管、集水漏斗、出流管、管壁挡水片、集水盘均采用不锈钢材料制作。

进一步地，所述采样瓶采用聚乙烯材料制作。

进一步地，所述采样管装置、采样瓶的数量大于或等于一个。

一种批量定时采集土壤水的方法，采用前述批量定时抽取混合土壤水的装置进行水样采集，具体步骤如下：

（a）第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁均处于断电状态，整个装置处于密闭状态；启动真空泵，采样管装置内逐渐抽成负压状态，土壤水沿着陶土头进入采样管装置中，并顺着取样管流入集水瓶中；

（b）当收集土壤水的时间达到设定的24h时，单片机控制第一电磁铁得电工作，吸引第一电磁铁轴带动第一橡胶活塞向上运动，进气装置内开始进气并通过进气管向采样管装置内输气平衡采样管内压力，采样管装置内外压力平衡后停止抽取土壤水；

（c）单片机控制第二电磁铁得电工作，吸引第二电磁铁轴带动第二橡胶活塞向上运动，使得集水瓶中的土壤水开始向下流入集水漏斗中，随后沿着集水瓶出水管流入到蓄水柱中；

（d）当集水瓶中土壤水流尽后，第二电磁铁断电停止工作，第二橡胶活塞将集水瓶出水口堵住；然后切断第一电磁铁的电路连接，第一电磁铁断电停止工作，第一橡胶活塞向下运动堵住进气装置的进气口，整个装置处于封闭状态，真空泵仍处于工作状态，采样管装置内重新逐渐成负压状态，继续抽取土壤水；

（e）单片机控制第三电磁铁得电工作，连接杆带动第三橡胶活塞向下运动，水泵出水管上的出水口处于开放状态；启动水泵，水泵抽取蓄水柱内的土壤水，然后沿着水泵出水管输出，从出水口流入集水盘，再从集水盘出水口沿着出流管流入到采样瓶中；

（f）当采样瓶采集水样完成后，第三电磁铁断电停止工作，第三橡胶活塞堵住水泵出水管上的出水口，多余的水样沿着水泵出水管排出装置。

有益效果：本发明提供的自动采集土壤水的装置，采用单片机控制多个电磁铁工作，批量定时收集各时段的同一深度混合土壤水样品，提高了土壤水水样的代表性，对于同位素水文学的研究起到重要的推动作用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明进气装置及第一电磁控制装置示意图；

图3为本发明采样管装置示意图；

图4为本发明集水瓶及第二电磁控制装置示意图；

图5为本发明采样瓶及采样集水支路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种批量定时抽取混合土壤水的装置，包括直接采样模块、中间蓄水模块、采样手机模块、单片机31及电源32。

如图1~图3所示，所述直接采样模块包括采样管装置3、进气装置2、进气管18和取样管17，所述采样管装置3的管壁嵌设有多个陶土头16，所述进气管18插入采样管装置3并与进气装置2连通，所述取样管17伸入采样管装置3底部；所述进气装置2底部设置进气口，并通过第一电磁控制装置控制进气口的开闭。

所述第一电磁控制装置包括第一电磁铁1、第一电磁铁轴14和第一橡胶活塞15，所述第一电磁铁轴14设置在第一电磁铁1下方，所述第一橡胶活塞15固定在第一电磁铁轴14端部；第一电磁铁1无电状态下第一橡胶活塞15堵住进气装置2的进气口。所述第一电磁铁1与单片机31、电源32连接。

所述中间蓄水模块包括集水瓶5、蓄水柱9及水泵11，所述集水瓶5底部设有集水瓶出水口，并通过第二电磁控制装置控制集水瓶出水口的开闭。集水瓶出水口下方设有集水漏斗20，集水漏斗20连接集水瓶出水管7，集水瓶出水管7与蓄水柱9连通；所述蓄水柱9通过水泵进水管10连接水泵11，水泵11出水口连接水泵出水管8，水泵出水管8上设有若干出水口，所述出水口周围固定设有管壁挡水片25。所述集水瓶5还与真空泵6连接，所述取样管17与集水瓶5连通。

如图4所示，所述第二电磁控制装置包括第二电磁铁4、第二电磁铁轴19和第二橡胶活塞21；所述第二电磁铁轴19设置在第二电磁铁4下方，第二橡胶活塞21固定在第二电磁铁轴19端部，第二电磁铁4无电状态下第二橡胶活塞15堵住集水瓶出水口。所述第二电磁铁4与单片机31、电源32连接。

如图1、图5所示，所述采样收集模块包括采样瓶12及采样集水支路，所述采样集水支路包括第三橡胶活塞22、集水盘26、连接杆27、第三电磁铁13、第三电磁铁轴30；所述第三橡胶活塞22固定在连接杆27一端端部，连接杆27另一端通过第二连接螺丝29连接第三电磁铁轴30，第三电磁铁轴30位于第三电磁铁13上方，；所述第三橡胶活塞22固定在连接杆27上端部，连接杆27下端部位于第三电磁铁13上方，第三电磁铁13无电状态下第三橡胶活塞22堵住水泵出水管8上的出水口；所述集水盘26左侧设有集水盘出水口23，集水盘出水口23通过出流管24连接采样瓶12。所述第三电磁铁13与单片机31、电源32连接。

所述连接杆27包括竖杆和横杆，竖杆与横杆通过第一连接螺丝28连接形成直角型连杆；竖杆顶端端部固定第三橡胶活塞22，横杆右侧端部通过第二连接螺丝29与第三电磁铁轴30连接。

所述陶土头16由微孔陶土材料制成。

所述取样管17采用玻璃材料制作。

所述集水瓶出水管7、集水漏斗20、出流管24、管壁挡水片25、集水盘26均采用不锈钢材料制作。

所述采样瓶12采用聚乙烯材料制作。

所述采样管装置3及采样瓶12的数量大于或等于一个，依据实验内容决定采样管装置3及采样瓶12的数量。所有采样管装置均同时工作，采得的土壤水为采样点一定深度处的混合土壤水样。

利用前述批量定时抽取混合土壤水的装置采集土壤水的方法如下：

（a）第一电磁铁1、第二电磁铁4、第三电磁铁13均处于断电状态，整个装置处于密闭状态；启动真空泵6，采样管装置3内逐渐抽成负压状态，土壤水沿着陶土头16进入采样管装置3中，并顺着取样管17流入集水瓶5中。

（b）当手机土壤水的时间到达设定的24h时，单片机控制第一电磁铁1得电工作，吸引第一电磁铁轴14带动第一橡胶活塞15向上运动，进气装置2内开始进气，并通过进气管18向采样管装置3内输气以平衡采样管内压力，采样管装置3内外压力趋于平衡后停止抽取土壤水。

（c）单片机控制第二电磁铁4得电工作，吸引第二电磁铁轴19带动第二橡胶活塞21向上运动，使得集水瓶5中的土壤水开始向下流入集水漏斗20中，随后沿着集水瓶出水管7流入蓄水柱9中。

（d）当集水瓶5中土壤水流尽后，第二电磁铁4断电停止工作，第二橡胶活塞21将集水瓶出水口堵住；然后切断第一电磁铁1的电路连接，第一电磁铁1断电停止工作，第一橡胶活塞15向下运动堵住进气装置2的进气口，整个装置重新处于密闭状态，真空泵6持续工作，采样管装置3内重新逐渐成负压装态，继续抽取土壤水。

（e）单片机控制第三电磁铁13得电工作，连接杆27带动第三橡胶活塞22向下运动，水泵出水管8上的出水口处于开放状态，启动水泵11，水泵11抽取蓄水柱9内的土壤水，然后沿着水泵出水管8输出，从出水口流入集水盘26，再从集水盘出水口23沿着出流管24流入采样瓶12中。

（f）当采样瓶12采集水样完成后，第三电磁铁13断电停止工作，第三橡胶活塞22向上运动堵住水泵出水管8上的出水口，水泵出水管8内多余的水样沿着出水管排出装置。

在采样过程中，真空泵一直处于工作状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：包括直接采样模块、中间蓄水模块、采样收集模块、单片机（31）及电源（32）；

所述直接采样模块包括采样管装置（3）、进气装置（2）、进气管（18）和取样管（17），所述采样管装置（3）的管壁嵌设有多个陶土头（16），所述进气管（18）插入采样管装置（3）并与进气装置（2）连通，所述取样管（17）伸入采样管装置（3）底部；所述进气装置（2）底部设置进气口，并通过第一电磁控制装置控制进气口的开闭；

所述中间蓄水模块包括集水瓶（5）、蓄水柱（9）及水泵（11），所述集水瓶（5）底部设有集水瓶出水口，并通过第二电磁控制装置控制集水瓶出水口的开闭；集水瓶出水口下方设有集水漏斗（20），集水漏斗（20）连接集水瓶出水管（7），集水瓶出水管（7）与蓄水柱（9）连通；所述蓄水柱（9）通过水泵进水管（10）连接水泵（11），水泵（11）出水口连接水泵出水管（8），水泵出水管（8）上设有若干出水口，所述出水口周围固定设有管壁挡水片（25）；所述集水瓶（5）还与真空泵（6）连接，所述取样管（17）与集水瓶（5）连通；

所述采样收集模块包括采样瓶（12）及采样集水支路，所述采样集水支路包括第三橡胶活塞（22）、集水盘（26）、连接杆（27）、第三电磁铁（13）、第三电磁铁轴（30）；所述第三橡胶活塞（22）固定在连接杆（27）一端端部，连接杆（27）另一端通过第二连接螺丝（29）连接第三电磁铁轴（30），第三电磁铁轴（30）位于第三电磁铁（13）上方，第三电磁铁（13）无电状态下第三橡胶活塞（22）堵住水泵出水管（8）上的出水口；所述集水盘（26）左侧设有集水盘出水口（23），集水盘出水口（23）通过出流管（24）连接采样瓶（12）；

所述第一电磁控制装置、第二电磁控制装置、第三电磁铁（13）分别与单片机（31）、电源（32）连接。

2.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述第一电磁控制装置包括第一电磁铁（1）、第一电磁铁轴（14）和第一橡胶活塞（15），所述第一电磁铁轴（14）设置在第一电磁铁（1）下方，所述第一橡胶活塞（15）固定在第一电磁铁轴（14）端部；第一电磁铁（1）无电状态下第一橡胶活塞（15）堵住进气装置（2）的进气口；所述第一电磁铁（1）与单片机（31）、电源（32）连接。

3.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述第二电磁控制装置包括第二电磁铁（4）、第二电磁铁轴（19）和第二橡胶活塞（21）；所述第二电磁铁轴（19）设置在第二电磁铁（4）下方，第二橡胶活塞（21）固定在第二电磁铁轴（19）端部，第二电磁铁（4）无电状态下第二橡胶活塞（15）堵住集水瓶出水口；所述第二电磁铁（4）与单片机（31）、电源（32）连接。

4.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述连接杆（27）包括竖杆和横杆，竖杆与横杆通过第一连接螺丝（28）连接形成直角型连杆；竖杆顶端端部固定第三橡胶活塞（22），横杆右侧端部通过第二连接螺丝（29）与第三电磁铁轴（30）连接。

5.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述陶土头（16）由微孔陶土材料制成。

6.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述取样管（17）采用玻璃材料制作。

7.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述集水瓶出水管（7）、集水漏斗（20）、出流管（24）、管壁挡水片（25）、集水盘（26）均采用不锈钢材料制作。

8.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述采样瓶（12）采用聚乙烯材料制作。

9.根据权利要求1所述的批量定时抽取混合土壤水的装置，其特征在于：所述采样管装置（3）、采样瓶（12）的数量大于或等于一个。

10.一种批量定时采集土壤水的方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述批量定时抽取混合土壤水的装置进行水样采集，具体步骤如下：

（a）第一电磁铁（1）、第二电磁铁（4）、第三电磁铁（13）均处于断电状态，整个装置处于密闭状态；启动真空泵（6），采样管装置（3）内逐渐抽成负压状态，土壤水沿着陶土头（16）进入采样管装置（3）中，并顺着取样管（17）流入集水瓶（5）中；

（b）当收集土壤水的时间达到设定的24h时，单片机控制第一电磁铁（1）得电工作，吸引第一电磁铁轴（14）带动第一橡胶活塞（15）向上运动，进气装置（2）内开始进气并通过进气管（18）向采样管装置（3）内输气平衡采样管内压力，采样管装置（3）内外压力平衡后停止抽取土壤水；

（c）单片机控制第二电磁铁（4）得电工作，吸引第二电磁铁轴（19）带动第二橡胶活塞（21）向上运动，使得集水瓶（5）中的土壤水开始向下流入集水漏斗（20）中，随后沿着集水瓶出水管（7）流入到蓄水柱（9）中；

（d）当集水瓶（5）中土壤水流尽后，第二电磁铁（4）断电停止工作，第二橡胶活塞（21）将集水瓶出水口堵住；然后切断第一电磁铁（1）的电路连接，第一电磁铁（1）断电停止工作，第一橡胶活塞（15）向下运动堵住进气装置（2）的进气口，整个装置处于封闭状态，真空泵（6）仍处于工作状态，采样管装置（3）内重新逐渐成负压状态，继续抽取土壤水；

（e）单片机控制第三电磁铁（13）得电工作，连接杆（27）带动第三橡胶活塞（22）向下运动，水泵出水管（8）上的出水口处于开放状态；启动水泵（11），水泵（11）抽取蓄水柱（9）内的土壤水，然后沿着水泵出水管（8）输出，从出水口流入集水盘（26），再从集水盘出水口（23）沿着出流管（24）流入到采样瓶（12）中；

（f）当采样瓶（12）采集水样完成后，第三电磁铁（13）断电停止工作，第三橡胶活塞（22）堵住水泵出水管（8）上的出水口，多余的水样沿着水泵出水管（8）排出装置。