CN110487991B - 一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置及试验方法，包括竖向设置带有刻度的支架，储水槽通过固定旋钮固定在支架上；储水槽下部连接有引水导管，引水导管远离储水槽一端连接有滴水头；引水导管上设置有流量控制器；还设置有筛网，筛网上设置有用于放置土壤团聚体试样的凹槽；凹槽位置与滴水头对应；筛网上方设置有红外线收发装置，红外线收发装置用于监测、识别下落水滴，监测、识别土壤团聚体状态；红外线收发装置连接控制装置；本发明模拟了降雨条件下，土壤团聚体在雨水冲击作用下的崩解过程，试验结果看作为评估团聚体稳定性的指标，为土壤在降雨作用下的侵蚀研究提供依据。

Description

一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀、水土保持研究的试验技术领域，具体涉及一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置及试验方法。

背景技术

土壤团聚体对水、机械冲击等破坏作用的抵抗力表征了土壤结构抗水力侵蚀的稳定性。因此团聚体的稳定性是土壤抗侵蚀研究的重要内容，在土壤侵蚀、水土保持研究等方面有着重要意义。水滴冲击法通过记录团聚体被水滴打击至完全消散所需的水滴数量来反映团聚体的稳定性。这种试验方法模拟了降雨条件下，土壤团聚体在水分及雨滴机械冲击共同作用下的崩解过程。但是目前还缺少专门用于土壤团聚体水滴冲击崩解试验的试验设备，试验中多使用自制的简易试验装置。但是存在以下问题：一、现有的简易水滴冲击崩解试验装置不便于调节水滴大小及水滴密度（单位时间内滴落的水滴数量），无法准确控制试验条件，难以确保试验结果的可靠性和可重复性。二、水滴冲击崩解试验中，稳定性较高的土壤团聚体崩解至完全消散的过程往往较为漫长，而现有的简易试验装置需要人工对团聚体完全消散所需的水滴数量进行计数，占用试验人员的大量时间，且易于出现人为误差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可准确调节水滴下落高度、水滴大小及水滴密度，自动监测、识别、记录团聚体状态及完全消散所需水滴数量的土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置。

本发明采用的技术方案是：

一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，包括竖向设置带有刻度的支架，储水槽通过固定旋钮固定在支架上；储水槽下部连接有引水导管，引水导管远离储水槽一端连接有滴水头；引水导管上设置有流量控制器；还设置有筛网，筛网上设置有用于放置土壤团聚体试样的凹槽；凹槽位置与滴水头对应；筛网上方设置有红外线收发装置，红外线收发装置用于监测、识别下落水滴，监测、识别土壤团聚体状态；红外线收发装置连接控制装置。

进一步的，还包括装置箱体，支架下部穿过装置箱体；筛网、红外线收发装置、控制装置设置于装置箱体内；装置箱体上表面筛网对应位置还设置有窗口。。

进一步的，所述筛网下方对应位置设置有抽拉式废料盒，废料盒表面上设置有第一把手。

进一步的，所述装置箱体和支架下端均固定设置在支座上。

进一步的，其特征在于，所述支架外还设置有用于避免空气流动的防风罩。

进一步的，所述红外线收发装置共三组，分别设置在筛网上方的两个平面上；第一组红外线收发装置包括第一红外线发射器和第一红外线接收器，设置在位于上方的平面；第二组红外线收发装置和第三组红外线收发装置设置在位于下方的另一平面；第二组红外线收发装置包括第二红外线发射器和第二红外线接收器；第三组红外线收发装置包括第三红外线发射器和第三红外线接收器；第二组红外线收发装置所在直线和第三组红外线收发装置所在直线相互垂直；第一组红外线收发装置所在直线、第二组红外线收发装置所在直线和第三组红外线收发装置所在直线均与滴水头下端和凹槽中心位置所构成的直线相交。

进一步的，还包括显示器，显示器连接控制装置，设置在装置箱体上表面。

进一步的，所述防风罩四面合围，三面固定，另一面通过合页与其相邻面连接；可活动一面上设置有第二把手。

一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：选择设定目数的筛网，通过固定旋钮调整储水槽至设定高度，选择设定口径的滴水头，在储水槽内加入水；

步骤2：将土壤团聚体试样放置于筛网上的凹槽内；

步骤3：开启红外线收发装置的开关；

步骤4：调整流量控制器至设定水滴密度；

步骤5：通过控制装置记录和采集滴水过程中土壤团聚体试样的团聚状态和下落水滴数；

步骤6：试验结束提示铃声后，关闭流量控制器和红外线收发装置；

步骤7：更换滴水头、筛网或储水槽高度后，重复步骤1-步骤6，得到多组试验数据。

本发明的有益效果是：

（1）本发明装置模拟了降雨条件下，土壤团聚体在雨水冲击作用下的崩解过程，试验结果看作为评估团聚体稳定性的指标，为土壤在降雨作用下的侵蚀研究提供依据；

（2）本发明安装、使用简便，测量及变量控制准确，水滴下落高度、水滴大小及水滴密度可根据试验需求进行调节，团聚体状态及团聚体完全消散所需的水滴数量可自动监测、识别、记录；

（3）本发明在提高试验精度的同时大大节省了试验人员的时间，在土壤侵蚀、水土保持研究中具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明装置正视结构示意图。

图2为本发明装置俯视结构示意图。

图3为本发明中红外线收发装置与滴水头和筛网的相对位置结构示意图。

图中：1-支座，2-装置箱体，3-控制装置，4-废料盒，5-第一把手，6-支架，7-储水槽，8-引水导管，9-固定旋钮，10-流量控制器，11-滴水头，12-防风罩，13-第二把手，14-显示器，15-开关，16-电铃，17-窗口，18-筛网，19-第一红外线发射器，20-第二红外线接收器，21-第二红外线发射器，22-第二红外线接收器，23-第三红外线发射器，24-第三红外线接收器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2和图3所示，一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，包括竖向设置带有刻度的支架6，储水槽7通过固定旋钮9设置在支架6上；储水槽7下部连接有引水导管8，引水导管8远离储水槽7一端连接有滴水头11；引水导管8上设置有流量控制器10；还设置有筛网18，筛网18上设置有用于放置土壤团聚体试样的凹槽；凹槽位置与滴水头11对应；筛网18上方设置有红外线收发装置，红外线收发装置用于监测、识别下落水滴，监测、识别土壤团聚体状态；红外线收发装置连接控制装置3。

还包括铁质六面体装置箱体2，支架6下部穿过装置箱体2，装置箱体2和支架6下端均固定设置在铁质支座1上；筛网18、红外线收发装置、控制装置3与电铃16设置在装置箱体2内，显示器14、监测系统开关15设置在装置箱体2上表面；装置箱体2上表面筛网18对应位置设置有窗口17，筛网18水平固定于窗口17下方；筛网18大小略小于窗口17。筛网18下方对应位置设置有废料盒4；废料盒4为抽拉式废料盒，其表面上设置有第一把手5。支架6外还设置有用于避免空气流动的防风罩12。防风罩12四面合围，三面固定，另一面通过合页与其相邻面连接；可活动一面上设置有第二把手13。防风罩12选择透明的有机玻璃制备。三组红外线收发装置分别设置在筛网18上方的两个平面内；同一组红外线收发装置中，红外线接收器、发射器位于同一直线上；第一组红外线收发装置包括第一红外线发射器19和第一红外线接收器20，设置在位于上方的平面；第二组红外线收发装置和第三组红外线收发装置设置在位于下方的另一平面；第二组红外线收发装置包括第二红外线发射器21和第二红外线接收器22；第三组红外线收发装置包括第三红外线发射器23和第三红外线接收器24；第二组红外线收发装置所在直线和第三组红外线收发装置所在直线相互垂直；第一组红外线收发装置所在直线、第二组红外线收发装置所在直线和第三组红外线收发装置所在直线均垂直于滴水头11下端和凹槽中心位置所构成直线。

第一组红外线收发装置用于监测、识别下落水滴；当水滴通过红外光束，造成遮挡，使第一红外线接收器20接收的红外线强度降低，低于设定阈值时，控制装置3接收信号，判定有水滴通过，进行计数。第二组、第三组红外线收发装置垂直分布于同一平面内，呈“十”字形分布，用于监测、识别团聚体状态，在筛网中央凹槽内放入团聚体试样后，红外光束受到遮挡；第二红外线接收器22和第三红外线接收器24接收到的红外线强度均低于设定阈值时，控制装置3判定试验开始，开始对水滴进行计数，显示器14实时显示该试验中已滴落的水滴数量。如放置土壤团聚体过程中存在偏离，红外线光束未受到遮挡，两处或某一处接收器接收到的红外线强度高于设定阈值，显示器14显示错误提示。土壤团聚体在水滴作用下发生崩解后，穿过筛网18落入废料盒4，红外光束受到的遮挡减小或消失。接收器接收到的红外线强度增加，第二组、第三组接收器接收到的红外线强度均超过设定阈值时，控制装置3判断土壤团聚体已经完全消散，停止计数，电铃16发出试验结束提示铃声。上述三种设定阈值在试验开始之前预先进行标定得到。

控制装置3为控制板，红外线收发装置还连接开关15；显示器14设置在装置箱体2上表面，控制装置3设置在装置箱体2内，接收红外线收发装置采集信号。显示器14可将控制装置3采集信号直观的显示出来。支架6为铁质直立支架，通过固定螺丝固定在支座1上，穿过装置箱体2；支架6表面设置有刻度。储水槽7为敞口储水槽，引水导管8采用硬质PVC制备；引水导管8末端通过螺旋接口与滴水头11连接，可拆卸并更换不同口径且长度相同的滴水头11，从而调节下落水滴大小。筛网18上的凹槽设置在筛网18中心，为圆形结构凹槽，直径为10mm，筛网18凹陷深度等于筛网18孔径。筛网18上的凹槽与滴水头11位于同一铅垂线上，保证水滴下落后滴落在团聚体上；三组红外线收发装置发射的红外线光束均与此铅垂线相交。

支架6表面标注的刻度表示固定旋钮9固定于支架6某高度时，滴水头11与筛网18中央的高度差；松动固定旋钮9后可根据刻度调整滴水头11与筛网18中央的高度，从而控制水滴下落高度。支架6横截面可选择为圆角四边形结构，避免储水槽7、引水导管8及滴水头11在升降过程中围绕支架6发生转移移位。

流量控制器10旋钮无级调节，流量控制器10表盘刻度表示旋钮转到此处时，滴水头11滴落的水滴密度，刻度对应的具体数值通过试验标定得到，最小刻度为零，流量控制器10同时起到水流开关的作用。

一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：选择设定目数的筛网18，通过固定旋钮9调整储水槽7至设定高度，选择设定口径的滴水头11，在储水槽7内加入水；

步骤2：将土壤团聚体试样放置于筛网18上的凹槽内；通过设置在装置箱体2上表面的窗口17，将筛选后预先润湿的土壤团聚体放入筛网18中央的圆形凹槽中；

步骤3：开启红外线收发装置的开关15；红外线收发装置会监测土壤团聚体的位置，若土壤团聚体未能位于筛网18中央正确位置，显示器14将发出错误提示，此时应调整土壤团聚体位置，直至错误提示停止；

步骤4：调整流量控制器10至设定水滴密度；确认调整无误后关闭防风罩12；

步骤5：通过控制装置3记录和采集滴水过程中土壤团聚体试样的团聚状态和下落水滴数；通过显示器14可实时显示；

步骤6：电铃16发出试验结束提示铃声后，查看显示器14，记录试验数据；关闭流量控制器10及红外线收发装置开关，清理废料盒4；

步骤7：更换滴水头11、筛网18或储水槽7高度后，重复步骤1-步骤6，得到多组试验数据。

本发明装置模拟了降雨条件下，土壤团聚体在雨水冲击作用下的崩解过程，试验结果可作为评估团聚体稳定性的指标，为土壤在降雨作用下的侵蚀研究提供依据。本发明装置结构简单、安装使用方便，测量及变量控制准确，水滴下落高度、水滴大小及水滴密度可根据试验需求进行调节，团聚体状态（是否完全消散）及团聚体完全消散所需的水滴数量由红外线收发装置自动监测、识别，通过控制装置3记录。试验过程中下落水滴数量可通过显示器14实时显示。在提高试验精度的同时大大节省了试验人员的时间，在土壤侵蚀、水土保持研究中具有较高的推广价值。

Claims (8)

1.一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，其特征在于，包括竖向设置带有刻度的支架(6)，储水槽(7)通过固定旋钮(9)设置在支架(6)上；储水槽(7)下部连接有引水导管(8)，引水导管(8)远离储水槽(7)一端连接有滴水头(11)；引水导管(8)上设置有流量控制器(10)；还设置有筛网(18)，筛网(18)上设置有用于放置土壤团聚体试样的凹槽；凹槽位置与滴水头(11)对应；筛网(18)上方设置有红外线收发装置，红外线收发装置用于监测、识别下落水滴，监测、识别土壤团聚体状态；红外线收发装置连接控制装置(3)，还连接开关(15)；

所述红外线收发装置共三组，分别设置在筛网(18)上方的两个平面上；第一组红外线收发装置包括第一红外线发射器(19)和第一红外线接收器(20)，设置在位于上方的平面；第二组红外线收发装置和第三组红外线收发装置设置在位于下方靠近筛网的另一平面；第二组红外线收发装置包括第二红外线发射器(21)和第二红外线接收器(22)；第三组红外线收发装置包括第三红外线发射器(23)和第三红外线接收器(24)；第二组红外线收发装置所在直线和第三组红外线收发装置所在直线相互垂直；三组红外线收发装置所在直线均与滴水头(11)下端和凹槽中心位置所构成的直线相交。

2.根据权利要求1所述的一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，其特征在于，还包括装置箱体(2)，支架(6)下部穿过装置箱体(2)；筛网(18)、红外线收发装置、控制装置(3)设置于装置箱体(2)内；装置箱体(2)上表面筛网(18)对应位置还设置有窗口(17)。

3.根据权利要求2所述的一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，其特征在于，所述筛网(18)下方对应位置设置有抽拉式废料盒(4)，废料盒(4)表面上设置有第一把手(5)。

4.根据权利要求2所述的一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，其特征在于，所述装置箱体(2)和支架(6)下端均固定设置在支座(1)上。

5.根据权利要求1所述的一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，其特征在于，所述支架(6)外还设置有用于避免空气流动的防风罩(12)。

6.根据权利要求2所述的一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，其特征在于，还包括显示器(14)，显示器(14)连接控制装置(3)，设置在装置箱体(2)上表面。

7.据权利要求5所述的一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置，其特征在于，所述防风罩四面合围，三面固定，另一面通过合页与其相邻面连接；可活动一面上设置有第二把手(13)。

8.如权利要求1所述一种土壤团聚体水滴冲击崩解试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择设定目数的筛网(18)，通过固定旋钮(9)调整储水槽(7)至设定高度，选择设定口径的滴水头(11)，在储水槽(7)内加入水；

步骤2：将土壤团聚体试样放置于筛网(18)上的凹槽内；

步骤3：开启红外线收发装置的开关(15)；

步骤4：调整流量控制器(10)至设定水滴密度；

步骤5：通过控制装置(3)记录和采集滴水过程中土壤团聚体试样的团聚状态和下落水滴数；

步骤6：试验结束后，关闭流量控制器(10)和红外线收发装置；

步骤7：更换滴水头(11)、筛网(18)或储水槽(7)高度后，重复步骤1-步骤6，得到多组试验数据。