CN110333335A - 一种蒸渗测坑的地下供排水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蒸渗测坑的地下供排水装置，包括提升装置、平水装置；所述提升装置用于将平水装置提升至设定位置，所述平水装置包括与提升装置连接的平水箱，所述平水箱内靠近顶部设置有进水控制器和漏斗，所述进水控制器通过进水管连接外部水箱，所述进水管上设置有进水计量器，所述漏斗通过排水管与外部排水沟连接，所述排水管上设置有排水计量器，所述平水箱底部通过管道连接蒸渗透测坑。该装置既具有自动精确控制地下水位、自动供排地下水和数据采集功能，又经济适用，且电子元器件少、性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种农田灌溉排水试验装置，尤其是涉及一种蒸渗测坑的地下供排水装置。
背景技术
蒸渗测坑是农田水利、水资源、水土环保和水文地质等专业进行相关科学试验研究的重要设施。
在测坑中进行水量平衡、作物需水规律试验、水分生产函数试验、水分胁迫试验、地下水利用试验、四水转化、土壤-作物-地下水中水分、养分与污染迁移转化规律等试验时，往往需要精准控制地下水埋深，同时要准确测定地下水向包气带土层(潜水蒸发)或自包气带土层下渗(深层渗漏补给)的水量和水质及其动态变化过程。因此，蒸渗测坑必须配置控制地下水位、地下供排水量测设备。
通常蒸渗测坑采用以下几种供排水装置：一是引用了实验室内小型土柱控制水位和供水方法，即地下水位的控制是由与测坑相连的平水漏斗的溢流堰的高程来实现的，供水普遍采用以法国物理学家Mariotte命名的马氏瓶作为供水装置。操作方法是：人工设定平水漏斗和马氏瓶的高度，当蒸渗测坑地下水高于漏斗溢流堰时，地下水顺着漏斗排水管流出，用流量计测排水量；当蒸渗测坑地下水底于漏斗溢流堰时，马氏瓶给蒸渗测坑供水，供水量靠人工读数记录。这样的设备和操作方法用于小型的、土层厚度不大的蒸渗测坑问题不太大，但是用于土层大于2m蒸渗测坑，就显得落后和不实用。首先马氏瓶容积小，给如此大的蒸渗测坑供水可谓杯水车薪，其次要人工长时间将平水漏斗、马氏瓶在0～10m范围上下移动，频繁给马氏瓶加水和读数，工作量大。
二是采用水势仪监测土壤水势动态控制蒸渗仪地下供水和排水量，如德国UMS公司采用控制蒸渗仪底部土壤水势来给LY-UMS蒸渗仪供水和排水，并实现了数据自动采集。比较土壤水势和地下水位的定义，可以看出，反映某一定点土壤水势的数值范围是很大的，而地下水位潜水面，形成的是一条水平线。在实际情况下，由于土壤的空间变异性，往往处于同一水平线的不同位置的土壤水势是有差异的，而地下水位不受土壤空间变异影响。如此看来，德国UMS公司采用控制蒸渗仪底部土壤水势的方法不能混淆为控制蒸渗仪地下水位。
三是文献(专利号：CN2870445)所述的一种农田蒸渗测坑地下自动控制供排水装置，详见图3，其原理是：在供排水柱内安装了一个设定水位的保持器，随装在测筒顶部的电动升降器上下移动，该保持器上装有5只导电测针，它与外置的水位继电器和电气元件连接构成了整个水位控制电路，一旦设定了测坑地下水位变化上、下限后，当土壤水蒸腾蒸发使地下水位下降到设定的下限水位时，装置自动给蒸渗测坑供水，直到上水位线停止供水；当人工灌溉或降雨，地下水位上升到设定的上限水位时，装置自动排水，直到下水位线停止排水，如此维持蒸渗测坑地下水位。
该装置基本满足蒸渗测坑试验要求，但在实际运用时存在以下几个方面的问题：
1、装置使用的管件和电器元件较多，通常测坑地下控制室面积较小，安装、维修不方便；
2、成本较高，单个测坑自动供排水装置需要2～3万元，按一般试验站配20个测坑计算，仅供排水装置投入就达40～60万元；
3、维持测坑地下水位的测筒采用有机玻璃管制作，运行时间长时(一年以上)，内壁有泥等污物附着，影响美观，由于地下空间小，管壁清洗困难；
4、测量精度较低，该装置采用单次供排水量固定，用计数器计数的方法计算水量。其前提是假定整个玻璃管沿长度方向的横截面积是相等的，而实际情况是因加工工艺等原因，玻璃管的横截面积是不完全相等的；
5、该装置每套配有好几个电磁阀、继电器等元器件，因电器元件使用寿命等原因，不可避免要损坏，致使维修费用较高。
研发具有自动精确控制地下水位、自动供地下水、自动排地下水和自动数据采集功能的成套设备，将涉及水利、电子、电器、自动化、计算机和软件等方面的技术和知识。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种既具有自动精确控制地下水位、自动供排地下水和数据采集功能，又经济适用，且电子元器件少、性能稳定的蒸渗测坑的地下供排水装置。
为了实现上述目的，本发明所设计的蒸渗测坑的地下供排水装置，其特征在于：包括提升装置、平水装置；所述提升装置用于将平水装置提升至设定位置，所述平水装置包括与提升装置连接的平水箱，所述平水箱内靠近顶部设置有进水控制器和漏斗，所述进水控制器和漏斗的高度，所述进水控制器通过进水管连接外部水箱，所述进水管上设置有进水计量器，所述漏斗通过排水管与外部排水沟连接，所述排水管设置有排水计量器，所述平水箱底部通过管道连接蒸渗透测坑，所述进水控制器包括由鼓膜分隔开的进水腔和储水腔，所述鼓膜上设有进水孔，所述储水腔连接有罩体，且连接处开有出水孔，所述罩体内设有带硅胶塞的杠杆，所述杠杆一端铰接在罩体内部，其硅胶塞与出水孔配合，另一端搁置在浮块上，所述进水腔内连接有出水腔入水口，所述出水箱入水口与所述鼓膜鼓出状态抵接，且避开进水孔，所述出水腔的出水口伸入平水箱内部。
进一步地，所述进水控制器由支撑管支撑，所述支撑管穿过平水箱底部固定在平水箱内，所述支撑管一端与进水控制器进水口连接，另一端与进水管。
进一步地，所述漏斗由泄水管支撑，所述泄水管穿过平水箱底部固定在平水箱内，所述泄水管一端与漏斗连接，另一端与排水管连接。
进一步地，所述提升装置包括伺服电机、伺服电机安装基座和用于提升平水箱的绳鼓。
进一步地，所述平水箱为圆筒状结构。
本发明的优点在于：
1、可以实现对测坑或其他实验装置进行自动供排水功能。
2、采用流量计量仪表对测坑进排水量进行计量，可直接计量供排水量，且精确度较高。
3、可根据试验地区蒸发量的不同，来调整平水箱的大小，以进一步提高控制的精度。
4、电器元件使用较少，节省投资。
5、平水箱清洗简单，维修方便。
附图说明
图1是本发明蒸渗测坑的地下供排水装置的原理图。
图2为进水控制原理图。
图3为传统蒸渗测坑自动供排水装置结构图。
图中：提升装置1，平水装置2，连接装置3，计量装置4，伺服电机及绳鼓5，伺服电机控制器6，基座7，钢丝绳8，平水箱9，进水控制器10，支撑管11，漏斗12，泄水管13，进水管14，排水管15，供水管16，进水计量仪17，排水计量仪18(箭头方向为水流方向)，进水腔10-1，出水腔10-2，鼓膜10-3，进水孔10-4，储水腔10-5，出水孔10-6，杠杆10-7，浮块10-8，罩体10-9，硅胶塞10-10，箭头方向为水流方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
图中所示的一种蒸渗测坑的地下供排水装置，包括提升装置1，平水装置2，连接装置3和计量装置4。提升装置1用于将平水装置2提升至设定位置，提升装置1包括伺服电机5、伺服电机控制器6和绳鼓，伺服电机转动，通过绳鼓上的钢丝绳带动与之连接的平水装置2和连接装置3一起上下运动；平水装置3包括通过钢丝绳8与伺服电机5的绳鼓连接的平水箱9，平水箱9内靠近顶部设置有进水控制器10和漏斗12，所述进水控制器10和漏斗12的安装高度控制在正常水位附近，即以进水控制器10停止进水时的水位为正常水位，然后将漏斗12进口高度调整到正常水位，或略高于正常水位，具体需要根据实验要求确定。进水控制器10通过进水管连接外部水箱，进水管14上设置有进水计量器17，漏斗12通过排水管15与外部排水沟连接，排水管15上设置有排水计量器18，平水箱9底部通过管道连接蒸渗测坑。
其中，进水控制器10包括由鼓膜10-3分隔开的进水腔10-1和储水腔10-5，所述鼓膜10-3上设有进水孔10-4，所述储水腔10-5连接有罩体10-9，且连接处开有出水孔10-6，所述罩体10-9内设有带硅胶塞10-10的杠杆10-7，所述杠杆10-7一端铰接在罩体10-9内部，其硅胶塞10-10与出水孔10-6配合，另一端搁置在浮块10-8上，所述进水腔10-1内连接有出水腔10-2入水口，所述出水箱10-2入水口与所述鼓膜10-3鼓出状态抵接，且避开进水孔10-4，所述出水腔10-2的出水口伸入平水箱9内部。
进水控制器工作原理：当平水箱9中的水位低于正常水位时，浮块10-8随水位下降，杠杆10-7连同其上的硅胶塞10-10在自重及出水孔10-6水压力作用下下降，进水孔10-4开始进水，出水孔10-6出水，储水腔10-5中的压力下降，鼓膜10-3下移，水从出水腔10-2进口与鼓膜之间的空隙进入出水腔10-2，开始供水。水位上升，浮块10-8上升，带动杠杆10-7上升，当水位上升到正常水位时，杠杆上的硅胶塞10-10将出水孔10-6堵塞，而进水孔10-4继续进水，鼓膜10-3上升，出水逐渐减小，最终在鼓膜上下形成压力差，鼓膜将出水腔10-2进口堵住，进水停止，如此反复。
其中，进水控制器10由支撑管支撑，支撑管11穿过平水箱9底部固定在平水箱内，支撑管11一端与进水控制器10进水口连接，另一端与进水管14。漏斗由泄水管13支撑，所述泄水管13穿过平水箱9底部固定在平水箱内，泄水管13一端与漏斗连接，另一端与排水管15连接。
伺服电机转动，通过绳鼓上的钢丝绳带动与之连接的平水装置2和连接装置3一起上下运动，直到平水箱9中的正常水位线达到蒸渗测坑或其他试验装置所需控制的地下水位为止。
其中，伺服电机控制器6接收上位机发来的信息，并对伺服电机进行控制，伺服电机的轴与绳鼓的轴用减速机构连接，钢丝绳的一端缠绕在绳鼓上，另一端与平水箱9连接。供水管16连接平水箱9与蒸渗测坑或其他试验装置，当蒸渗测坑水位变化时，引起平水箱9中的水位变化。进水控制器10控制进入平水箱9的水量，并保持水位在正常水位线与最低水位线之间变化，最低水位线一般为正常水位线下10～25mm；当平水箱中9的水位低于最低水位线时进水控制器10打开向平水箱9中供水，平水箱9中水位就会上升，至正常水位线时停止，如此往复；供水量由装在进水管14前面的进水计量仪17计量。当水位高于水位控制线时，多余的水将通过漏斗12排出。漏斗12排出的水由泄水管13进入到排水管15，再流经排水计量仪18，最后排入排水沟。进水计量仪17计量进入测坑的水量，排水计量仪18计量测坑排水的水量，并将结果实时传到上位机。
本发明所提供的技术方案如下：
一种蒸渗测坑的地下供排水装置，包括以下步骤：
步骤1：采用不锈钢板制作的圆筒形平水箱，其内部安装泄水管和控制阀，泄水管顶部安装一个平水漏斗，支撑管安装在平水箱底板上，上部安装控制阀；
步骤2：平水箱用钢丝绳与伺服电机的轮鼓连接，通过伺服电机带动平水漏斗上下运动，伺服电机安装在测坑地下控制室墙壁的支架上；
步骤3：三根金属波纹管或软管分别与平水箱和计量装置或测坑连接，管的最大长度满足试验时最高地下水位控制要求，波纹管或软管具有自由伸缩(或卷曲)性能；
步骤4：由安装在地面上的智能计量仪表作为本发明的计量装置，对蒸渗测坑的进水和排水进行计量。
下面描述本发明提供的一种蒸渗测坑的地下供排水装置工作过程：
本发明采用从上至下的提升装置、平水装置、连接装置和计量装置等4个装置依次连接、共同配合来实现本发明的功能。提升装置的伺服电机转动带动平水装置和连接装置上下运动，伺服电机控制器接收上位机的指令，控制伺服电机转动，使平水箱中水位控制线达到试验要求的高度。接着靠平水装置中的进水控制装置和漏斗共同工作，来维持平水箱中的水位相对稳定，由于平水箱与蒸渗测坑或其他试验装置靠供水管连接，从而间接保持蒸渗测坑或其他试验装置的地下水位相对稳定。当平水箱中的水位达到最低水位线时，通常低于正常水位10～25mm，进水控制装置开关打开，自来水或储水箱中的水进入平水箱和蒸渗测坑，平水箱中的水位达到水位控制线时，进水控制装置开关关闭，此时暂停向平水箱注水。由于蒸腾蒸发导致蒸渗测坑水位降低，从而引起平水箱中水位下降，当平水箱中的水位低于控制水位一定高度时，进水控制装置再次打开，平水箱中水位上升，至正常水位停止，如此往复，进入平水箱的水量用装在进水管前面的智能计量仪表计量。这样就使平水箱中水位在正常水位线和最低水位线之间变动，从而维持蒸渗测坑或其他试验装置的地下水位相对稳定。当因降雨导致蒸渗测坑地下水位上升时，平水箱中水位也上升，多余水量有漏斗汇集并通过泄水管、排水管排出，使蒸渗测坑地下水位维持在正常水位线，排水量用装在排水管后面的智能计量仪表计量。
本发明原理简单、使用方便，使用到的电器元件少，便于维护，投入成本较低，解决了目前所用的地下供排水装置存在的问题。为农田灌溉试验，特别是蒸渗测坑试验提供了比较好的前提条件。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种蒸渗测坑的地下供排水装置，其特征在于：包括提升装置(1)、平水装置(2)；所述提升装置(1)用于将平水装置(2)提升至设定位置，所述平水装置(3)包括与提升装置(1)连接的平水箱(9)，所述平水箱(9)内靠近顶部设置有进水控制器(10)和漏斗(12)，所述进水控制器(10)通过进水管连接外部水箱，所述进水管(14)上设置有进水计量器(17)，所述漏斗(12)通过排水管(15)与外部排水沟连接，所述排水管(15)上设置有排水计量器(18)，所述平水箱(9)底部通过管道连接蒸渗透测坑，所述进水控制器(10)包括由鼓膜(10-3)分隔开的进水腔(10-1)和储水腔(10-5)，所述鼓膜(10-3)上设有进水孔(10-4)，所述储水腔(10-5)连接有罩体(10-9)，且连接处开有出水孔(10-6)，所述罩体(10-9)内设有带硅胶塞(10-10)的杠杆(10-7)，所述杠杆(10-7)一端铰接在罩体(10-9)内部，其硅胶塞(10-10)与出水孔(10-6)配合，另一端连接有与浮块(10-8)，所述进水腔(10-1)内连接有出水腔(10-2)入水口，所述出水箱(10-2)入水口与所述鼓膜(10-3)鼓出状态抵接，且避开进水孔(10-4)，所述出水腔(10-2)的出水口伸入平水箱(9)内部。
2.根据权利要求1所述的蒸渗测坑的地下供排水装置，其特征在于：所述进水控制器(10)由支撑管支撑，所述支撑管(11)穿过平水箱(9)底部固定在平水箱内，所述支撑管(11)一端与进水控制器(10)进水口连接，另一端与进水管(14)。
3.根据权利要求1所述的蒸渗测坑的地下供排水装置，其特征在于：所述漏斗由泄水管(13)支撑，所述泄水管(13)穿过平水箱(9)底部固定在平水箱内，所述泄水管(13)一端与漏斗连接，另一端与排水管(15)连接。
4.根据权利要求1所述的蒸渗测坑的地下供排水装置，其特征在于：所述提升装置(1)包括伺服电机、伺服电机安装基座(7)和用于提升平水箱(9)的绳鼓。
5.根据权利要求1所述的蒸渗测坑的地下供排水装置，其特征在于：所述平水箱(9)为圆筒状结构。
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2019
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