CN111068948A - 一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置 - Google Patents

一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置 Download PDF

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郑颜军
彭伟珂
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华晨
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Abstract

本发明提供一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,包括供水系统、降雨系统、自控系统、控制系统、观察系统、排水系统和支架。所述供水系统包括集水箱、集水箱进水管、限位水管、出水管和过滤器;所述降雨系统包括降雨系统进水管、雨盒、分流筒、分流管以及针头;所述自控系统包括两组液体加压器和定时控制器;所述控制系统包括两个流量计、两个控制旋钮和流量计进水管;所述观察系统包括带孔有机玻璃圆盘和电动转盘;所述排水系统包括集水筒和排水管。该装置可以自动控制降雨历时、降雨周期、降雨次数,也可以精确模拟不同降雨强度、降雨量、雨滴大小、降雨历时等条件下的降雨,具有可自控、精确度高、原理简单等优点。

Description

一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置
技术领域
本发明属于人工模拟降雨技术领域,具体涉及一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置。
背景技术
通过人工降雨装置来模拟降雨,是一种理想的试验方法,它不受时间和空间限制,重现天然降雨,既节约了大量的人力和物力,又能在短时期内重复试验,缩短了试验的周期。同时,人工降雨装置还可以根据试验的需要,对降雨进行有效的控制,从多方面来研究降雨的各种特性(如雨量、雨强、雨滴大小和分布均匀性、降雨动能等)对土壤性质的影响。
从20世纪90年代开始,国内很多学者已经研制和引进了人工模拟降雨装置,并应用于土壤侵蚀等方面的试验研究。目前的人工模拟降雨装置按雨滴产生方式主要分为喷嘴式、管网式、悬线式和针头式4种类型,各种类型的降雨装置特征均不相同。喷嘴式:水从喷孔或喷嘴中喷出,在空中分散成大小不一的水滴降落到地面,形成的雨滴直径不均匀;管网式:在一些平行的细管上钻有小孔,水从孔中喷出,形成雨滴,灵活性差,不便于控制;悬线式:水滴在悬线终端以初速度为零离开,降落到地面,雨滴很难达到天然降雨的落地终点速度;针头式:特征与悬线式相类似,水滴通过针头末端落到地面。
因此,有必要设计出一套原理简单、精确度高、便于控制、适合室内降雨试验研究的人工降雨装置。
发明内容
针对目前现有降雨装置的特点和不足,结合天然降雨的特征,本发明提供了一种可以自动控制且适合于实验室使用的针管式人工降雨装置,该装置可以自动控制降雨历时、降雨周期、降雨次数,也可以精确模拟不同降雨强度、降雨量、雨滴大小、降雨历时等条件下的降雨,具有可自控、精确度高、原理简单等优点。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下:
一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:包括供水系统、降雨系统、自控系统、控制系统、观察系统、排水系统和支架。所述供水系统包括集水箱、与集水箱腔体上表面连通的集水箱进水管、与集水箱侧壁限位高度处连通的限位水管、与集水箱底部出水口连接的出水管和连接在集水箱进水管上的过滤器A、连接在出水管上的过滤器B;所述降雨系统包括降雨系统进水管、与降雨系统进水管末端连接的分流筒,分流筒底部连接若干分流管,分流管与雨盒内部连通,雨盒底部设有若干针头;所述自控系统包括两组液体加压器和定时控制器,一组设置在集水箱进水管上实现自动给集水箱供断水,起到节水的作用,另一组设置在出水管与流量计进水管之间,实现自动控制降雨历时、降雨周期、降雨次数;所述控制系统包括两个流量计、设置在两个流量计上的两个控制旋钮和流量计进水管;流量计进水管设置在出水管与降雨系统进水管之间,流量计进水管中段设有并联设置的两个分支流管,两个流量计设置在两个分支流管上,所述观察系统包括带孔有机玻璃圆盘和电动转盘;所述排水系统包括位于雨盒下方的集水筒和排水管。
所述供水系统采用实验室自来水供水,水压约为0.06MPa,所述集水箱的直径为600mm,高度为900mm,集水箱高600mm处设有限位水管,以保持水位控制在600mm高度。
所述雨盒由有机玻璃加工而成,为圆筒形,尺寸为Φ700mm×15mm,上表面安装有分流筒,分流筒与8条分流管相连,分流管另一端连接至雨盒的针头布置区域,雨盒下表面分布有268个注射针头插口,间距为40mm,梅花状布置,针头插口为2.5ml医用注射器针筒切割安装而成,针头采用工业卡胶针头;雨盒置于支撑支架上表面。
所述两组液体加压器中与集水箱相连的液体加压器A高度低于集水箱最高点,所述两组液体加压器中与流量计相连的液体加压器B高度低于集水箱高600mm处。
所述流量计进水管的最高点高于集水箱高600mm处,所述流量计根据装置设计模拟的降雨量范围选择量程为0~25mL/min、25~250mL/min、0.25~2L/min三种规格的流量计交替搭配使用。
所述有机玻璃圆盘分为上下两层,圆盘的上表面分布有直径为2mm,间距为10mm,梅花状布置的小孔。
所述电动转盘采用BL-130电动转盘,转速为3min/转,带动有机玻璃圆盘缓慢转动,增加圆盘受雨的均匀性。
所述两个液体加压器均采用ORS25-10型液体加压器,额定电压为220V~50Hz,输出功率为200W,扬程为10m,最大流量为90L/min,管径为20mm(4分)。
所述两个定时控制器采用KG316T型微电脑单相时控开关,额定电压为220V~50Hz,输出功率≦3500W,程序可支持每天十组开关,每天可设置不同时段通断,一次设置,长期循环。
所述支架包括集水箱放置支架A和雨盒放置支架C,支架A底部为加强支撑支架B。支架C上表面中空,不对雨盒底部针头喷洒雨水造成影响,放在支架A上的集水箱的底部高度高于雨盒水平高度。
本发明具有如下优点:
该装置可以在室内精确模拟不同降雨强度、降雨量、雨滴大小、降雨历时等条件下的降雨;可以实现自动控制降雨历时、降雨周期、降雨次数;模拟降雨过程中无需人工管理,可以节约大量的人工管理时间;可以按时止水,起到节约水资源、避免浪费的作用;具有可自控、智能化、精确度高、原理简单、易于安装和使用、节能环保等优点。
附图说明
图1为本试验装置结构示意图;
图2为支架结构示意图;
图3为支架C18-3顶面俯视图;
图4为雨盒仰视图;
其中:1-1、集水箱进水管,1-2、流量计进水管,1-3、降雨系统进水管,2-1、过滤器A,2-2、过滤器B,3-1、液体加压器A,3-2、液体加压器B,4-1、定时控制器A,4-2定时控制器B,5、集水箱,6、限位水管,7、出水管,8、控制旋钮,9、流量计,10、分流筒,11、分流管,12、雨盒,13、针头,14、有机玻璃圆盘,15、电动转盘,16、集水筒,17、排水管,18-1、支架A,18-2、支架B,18-3、支架C。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明,本发明结构如图1所示。本发明结构包括供水系统、降雨系统、自控系统、控制系统、观察系统、排水系统和支架。所述供水系统包括集水箱5、集水箱进水管1-1、限位水管6、与集水箱进水管1-1相连的过滤器A2-1和与出水管7相连的过滤器B2-2,它的主要功能是收集集水箱进水管1-1的水流,通过限位水管6限制集水箱5中水位在固定高度,使流经出水管7的水流水压恒定;所述降雨系统包括进水管1-3、雨盒12、分流筒10、分流管11以及针头13,它是雨滴的产生部位,作用是将进水管1-3的水流均匀分流给各个针头11,产生雨滴;所述自控系统包括与过滤器A2-1相连的液体加压器A3-1和定时控制器A4-1、与过滤器B2-2相连的液体加压器B3-2和定时控制器B4-2,前者实现自动给集水箱供断水,起到节水的作用,后者实现自动控制降雨历时、降雨周期、降雨次数;所述控制系统包括两个流量计9和两个控制旋钮8,它的作用是控制水压并调节降雨强度;所述观察系统包括带孔有机玻璃圆盘14和电动转盘15,它是受雨部位,也是采集雨滴和进行装置实验应用的平台;所述排水系统包括集水筒16和排水管17,作用是收集并排除雨水,同时也是土壤侵蚀等试验冲刷物的收集部位;辅助设备为三维可拆装支架,用于固定和调节装置的水平度和高度。
所述供水系统采用实验室自来水供水,水压约为0.06MPa。集水箱5的直径为600mm,高度为900mm;集水箱高600mm处设有限位水管6,以保持水位控制在600mm高度;集水箱5置于支架A18-1中。雨盒12由有机玻璃加工而成,为圆筒形,尺寸为Φ700mm×15mm,上表面安装有分流筒10,分流筒10与8条分流管11相连,分流管11另一端连接至雨盒12的针头布置区域,雨盒12下表面分布有268个注射针头13插口,间距为40mm,梅花状布置,针头13插口为2.5ml医用注射器针筒切割安装而成,针头13采用工业卡胶针头;雨盒12置于支架C18-3顶部上表面。与集水箱5相连的液体加压器A3-1高度低于集水箱5最高点。流量计进水管1-2的最高点高于集水箱5高600mm处。与流量计9相连的液体加压器B3-2高度低于集水箱5高600mm处。根据装置设计模拟的降雨量范围选择量程为:0~25mL/min、25~250mL/min、0.25~2L/min三种规格流量计9交替搭配使用。有机玻璃转盘14分为上下两层,圆盘14的上表面分布有直径为2mm,间距为10mm,梅花状布置的小孔,用来模拟土壤的渗透性能。电动转盘15采用BL-130电动转盘,转速为3min/转,带动有机玻璃圆盘缓慢转动,增加圆盘受雨的均匀性。液体加压器A3-1和液体加压器B3-2均采用ORS25-10型液体加压器,额定电压为220V~50Hz,输出功率为200W,扬程为10m,最大流量为90L/min,管径为20mm(4分)。定时控制器A4-1和定时控制器B4-2采用KG316T型微电脑单相时控开关,额定电压为220V~50Hz,输出功率≦3500W,程序可支持每天十组开关。支架采用三维可拆装稳定三角钢架结构,由三部分拼装而成,具体尺寸如图2所示。
本发明的工作原理:将进水管1-1连接到自来水龙头,打开并控制龙头,利用自来水水压形成稳定的水头高度,水头高度控制在与集水箱5相连的液体加压器A3-1以上、集水箱5最高处以下,再根据试验要求设置好液体加压器A3-1的定时控制器A4-1,液体加压器A3-1按时自动打开,使得水流流进集水箱,集水箱中水位上升直至限位水管中有水流出,此时集水箱内水位高度保持恒定为600mm。集水箱中固定的水头高度产生固定水压力,使得流量计进水管1-2内的水位保持恒定,水位高于与其相连的液体加压器B3-2且水流不流进流量计9中,再根据试验要求设置好该液体加压器上B3-2的定时控制器B4-2,液体加压器B3-2按时自动打开,水流加压流进流量计9中,通过流量计9控制流量,水流通过分流筒10后分成8条支流,均匀地流入雨盒12中,由工业卡胶针头13形成雨滴,落于缓慢旋转的带孔有机玻璃圆盘14上,进行模拟降雨过程。定时控制器A4-1和定时控制器B4-2按已设定的时间自行控制液体加压器A3-1和液体加压器B3-2的开关,实现模拟降雨装置自动运行。
本发明的使用方法具体如下:
试验装置安装:按支架结构示意图(图2)安装好支架;在支架A18-1中放入集水箱5;将集水箱进水管1-1一端连接实验室水龙头,一端经过过滤器A2-1、液体加压器A3-1置于集水箱5中,液体加压器A3-1高度低于集水箱5最高处;限位水管6一端安装在集水箱5高600mm的固定位置,一端接地漏;集水箱出水管7依次通出水管7、过滤器2-2、液体加压器B3-2、两个流量计9,液体加压器B3-2高度低于集水箱5高600mm的固定位置,流量计进水管1-2最高处高于集水箱5高600mm的固定位置;将雨盒12置于支架C18-3顶部上表面,通过进水管1-3将流量计9与雨盒分流筒10连接,分流筒10通过八根分流管11与雨盒12连接;在液体加压器A3-1与液体加压器B3-2上分别安装定时控制器A4-1和定时控制器B4-2;根据试验要求选择针头13,插入固定的注射针头插口;观察系统、排水系统置于支架C18-3内,集水筒16中自上而下依次安装有机玻璃圆盘14和电动转盘15;排水系统的排水管17接地漏。
具体使用方法:试验开始之前保持所有阀门为关闭状态,根据试验要求调整降雨高度;根据试验要求选择符合要求的工业卡胶针头;根据试验要求打开电动转盘14开关,使转盘14工作稳定;打开并调节进水管1-1末端的水龙头开关,利用自来水水压在进水管1-1中形成稳定的水头高度,水头高度控制在与进水管相连的液体加压器3-1A以上、集水箱5最高点以下;再根据试验要求设置好液体加压器A3-1上的定时控制器A4-1,与进水管1-1相连的液体加压器3-1按时自动打开,使得水流流进集水箱5,集水箱5中水位上升直至限位水管6中有水流出,此时集水箱5内水位高度保持恒定为600mm,从而使得流量计进水管1-2内的水位保持恒定,水位高度高于液体加压器3-2且水流不流进流量计9中;然后根据试验要求设置好该液体加压器B3-2上的定时控制器B4-2,液体加压器B3-2按时自动打开,水流流进流量计9中,通过控制旋钮8控制流量,水流通过分流筒10后分成八条支流,均匀地流入雨盒12中,由工业卡胶针头13形成雨滴,雨滴滴落在放置于有机玻璃圆盘14上的试样上,进行模拟降雨过程。定时控制器A4-1与定时控制器B4-2分别按已设定的时间自行控制液体加压器A3-1与液体加压器B3-2的开关,实现模拟降雨装置自动运行。
本发明采用了对比的方法,结合IPP、Origin等分析软件,对降雨装置进行了测试和率定试验。结果表明:当降雨高度为1.6m时,装置的降雨覆盖面积为196250mm2,降雨强度范围为0~15mm/h,雨滴粒径为0~10mm,降雨均匀度>90%。与天然降雨相比,该装置产生的模拟降雨更稳定、可靠,可以减少相关试验研究的误差。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例,显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内,则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:包括供水系统、降雨系统、自控系统、控制系统、观察系统、排水系统和支架,所述供水系统包括集水箱、与集水箱腔体上表面连通的集水箱进水管、与集水箱侧壁限位高度处连通的限位水管、与集水箱底部出水口连接的出水管和连接在集水箱进水管上的过滤器A、连接在出水管上的过滤器B;所述降雨系统包括降雨系统进水管、与降雨系统进水管末端连接的分流筒,分流筒底部连接若干分流管,分流管与雨盒内部连通,雨盒底部设有若干针头;所述自控系统包括两组液体加压器和定时控制器,一组设置在集水箱进水管上实现自动给集水箱供断水,起到节水的作用,另一组设置在出水管与流量计进水管之间,实现自动控制降雨历时、降雨周期、降雨次数;所述控制系统包括两个流量计、设置在两个流量计上的两个控制旋钮和流量计进水管;流量计进水管设置在出水管与降雨系统进水管之间,流量计进水管中段设有并联设置的两个分支流管,两个流量计设置在两个分支流管上,所述观察系统包括带孔有机玻璃圆盘和电动转盘;所述排水系统包括位于雨盒下方的集水筒和排水管。
2.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述供水系统采用实验室自来水供水,水压约为0.06MPa,所述集水箱的直径为600mm,高度为900mm,集水箱高600mm处设有限位水管,以保持水位控制在600mm高度。
3.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述雨盒由有机玻璃加工而成,为圆筒形,尺寸为Φ700mm×15mm,上表面安装有分流筒,分流筒与8条分流管相连,分流管另一端连接至雨盒的针头布置区域,雨盒下表面分布有268个注射针头插口,间距为40mm,梅花状布置,针头插口为2.5ml医用注射器针筒切割安装而成,针头采用工业卡胶针头;雨盒置于支撑支架上表面。
4.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述两组液体加压器中与集水箱相连的液体加压器A高度低于集水箱最高点,所述两组液体加压器中与流量计相连的液体加压器B高度低于集水箱高600mm处。
5.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述流量计进水管的最高点高于集水箱高600mm处,所述流量计根据装置设计模拟的降雨量范围选择量程为0~25mL/min、25~250mL/min、0.25~2L/min三种规格的流量计交替搭配使用。
6.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述有机玻璃圆盘分为上下两层,圆盘的上表面分布有直径为2mm,间距为10mm,梅花状布置的小孔。
7.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述电动转盘采用BL-130电动转盘,转速为3min/转,带动有机玻璃圆盘缓慢转动,增加圆盘受雨的均匀性。
8.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述两个液体加压器均采用ORS25-10型液体加压器,额定电压为220V~50Hz,输出功率为200W,扬程为10m,最大流量为90L/min,管径为20mm(4分)。
9.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述两个定时控制器采用KG316T型微电脑单相时控开关,额定电压为220V~50Hz,输出功率≦3500W,程序可支持每天十组开关,每天可设置不同时段通断,一次设置,长期循环。
10.如权利要求1所述的一种自动控制的针管式人工模拟降雨装置,其特征在于:所述支架包括集水箱放置支架A和雨盒放置支架C,支架A底部为加强支撑支架B。支架C上表面中空,不对雨盒底部针头喷洒雨水造成影响,放在支架A上的集水箱的底部高度高于雨盒水平高度。
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