CN115266534A - 一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，包括高度检测模块、人机交互模块、处理模块和升降模块，高度检测模块用于检测土壤样品的高度位置信息并发送；人机交互模块用于输入实验水位差并发送；处理模块用于根据高度检测模块检测的土壤样品的高度位置信息以及人机交互模块输入的实验水位差，确定土壤样品的位移信息；升降模块用于根据处理模块确定的位置信息，驱动土壤样品移动到目标位置，目标位置为位移信息指示的土壤样品最终到达的位置；处理模块还能根据土壤样品在确定的位移信息下检测的实验数据，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率，并发送给人机交互模块。本发明适用于对变水头的饱和导水率进行批量试验。

Description

一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统

技术领域

本发明涉及饱和导水率测量技术领域，具体涉及一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统。

背景技术

土壤饱和导水率又称土壤渗透系数，是在单位水压梯度下，通过垂直于水流方向的单位土壤截面积的水流速度，是土壤重要的物理性质之一。土壤饱和导水率在研究和设计水利工程、农田灌溉和排水系统以及研究土壤水分移动等工作中是重要的参数之一，同时也是比较农业土壤渗透性能好坏的一个指标，直接影响到作物的生长发育，也是水文模型中的重要参数，其准确与否严重影响模型精度。

目前，实验室测定饱和导水率主要依据达西定律，但是现有的检测设备无法同时控制多个样品的上下精确移动，因此，并不适用于对变水头的饱和导水率进行批量试验。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，该检测系统能够通过高度检测模块和人机交互模块采集的土壤样品的位移信息，并通过升降模块控制土壤样品的上下移动，适用于对变水头的饱和导水率进行批量试验。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，包括：

高度检测模块，用于检测土壤样品的高度位置信息并发送；

人机交互模块，用于输入实验水位差并发送；

处理模块，用于根据所述高度检测模块检测的土壤样品的高度位置信息以及所述人机交互模块输入的实验水位差，确定土壤样品的位移信息；

升降模块，用于根据所述处理模块确定的位置信息，驱动土壤样品移动到目标位置，所述目标位置为位移信息指示的土壤样品最终到达的位置；

所述处理模块还能根据土壤样品在确定的位移信息下检测的实验数据，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率，并发送给所述人机交互模块。

进一步，所述人机交互模块与所述处理模块电连接，所述处理模块分别与所述高度检测模块、所述升降模块电连接。

进一步，该检测系统还包括：

止水控制模块，用于对实验用水进入土壤样品的路径进行截止控制；

流量检测模块，用于对渗透过土壤样品的液体的流速进行检测并发送；

称重模块，用于对流速恒定之后渗透过土壤样品的液体进行称重并发送；

计时模块，用于对流速恒定之后渗透过土壤样品的液体的渗透时间进行测定并发送；

所述处理模块分别与所述止水控制模块、所述流量检测模块、所述称重模块、所述计时模块电连接；

所述处理模块用于根据所述流量检测模块检测到的流速，并对一段时间内的流速变化趋势进行统计，然后根据统计结果确定是否对所述称重模块以及所述计时模块执行开始操作；

当确定对所述称重模块以及所述计时模块执行开始操作时，所述处理模块接收所述称重模块检测到的重量，并对检测到的重量与设定的重量进行比对，并根据比对结果确定是否对所述止水控制模块执行截止操作；

当确定对所述止水控制模块执行截止操作时，所述处理模块根据接收到的数据，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率。

进一步，该检测系统还包括：

测温模块，用于对渗透过土壤样品的实验用水的温度进行检测；

样品信息模块，用于对土壤样品的编号、长度、横截面积以及实验水位差进行记录；

所述处理模块根据所述测温模块检测到的温度，确定该温度下试验用水的密度，还根据所述样品信息模块记录的相应编号的土壤样品的长度、横截面积以及实验水位差，所述称重模块检测到的重量，所述计时模块检测到的渗透时间，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率。

更进一步，土壤样品的饱和导水率根据如下模型计算：

，

式中，K_s为土壤样品的饱和导水率，cm/s；

M为所述称重模块（3）检测到的重量，g；

L为土壤样品的长度，cm；

ρ_T为所述测温模块（6）检测到的温度下试验用水的密度，g/cm³；

A为土壤样品的横截面积，cm²；

t为所述计时模块（4）检测到的渗透时间，s；

△H为实验水位差，cm。

更进一步，该检测系统还包括：

检测台，所述检测台的一侧垂直设置有支撑板；

多个环刀组，设置于所述支撑板上，用于盛装采集的土壤样品；

盛水容器，设置于所述环刀组的一侧；所述盛水容器的高度高于所述环刀组的高度；所述盛水容器通过多根进水管路分别与其对应的环刀组的进口连接；

多个接水容器，设置于所述检测台上；每个所述环刀组的出口均通过多根出水管路分别与其对应的接水容器连接；

所述止水控制模块包括多个电磁阀；每个所述电磁阀均设置于与其对应的进水管路上；

所述流量检测模块包括多个流量计；每个所述流量计均设置于与其对应的出水管路上。

所述称重模块包括多个微型电子秤，每个所述微型电子秤均设置于所述检测台上，每个所述接水容器均设置于与其对应的微型电子秤上。

更进一步，所述升降模块包括：

多根滑动轨道，设置于所述支撑板上；

多个升降滑台，可滑动的设置于与其对应的滑动轨道上；

多个驱动单元，设置于与其对应的滑动轨道上；每个所述驱动单元均能够驱动与其对应的升降滑台滑动；

所述盛水容器以及多个所述环刀组均设置于与其对应的升降滑台上。

更进一步，所述支撑板上设置有第一支撑架，多根所述进水管路均架设于所述第一支撑架上；

所述检测台上设置有第二支撑架，多根所述出水管路均设置于所述第二支撑架上。

本发明的有益效果：

1、本发明能够根据高度检测模块和人机交互模块采集的土壤样品的位移信息，确定土壤样品的位移信息；然后通过升降模块驱动土壤样品移动到位移信息指示的目标位置，以此控制土壤样品的上下移动，适用于对变水头的饱和导水率进行批量试验。

2、本发明能够避免人为参与高度调整以及称重的误差干扰，提高检测结果的精确度。

3、本发明通过流速检测模块，可以精确计算各个支路渗透的液体流速，当1分钟内液体流速变化较小（趋于恒定）时，再开始打开电磁阀使液体流出，开始计时、称重。这可以保证在液体渗透流速均匀时开始计时，使各个环刀出水的测量更准确，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例的检测系统中各控制单元的连线图。

图2为本发明实施例的检测系统的操作流程图。

图3为本发明实施例中升降模块的结构示意图。

图4为本发明实施例中滑动轨道和升降滑台的结构示意图。

图5为本发明实施例的检测系统的结构示意图。

图中：1、高度检测模块；2、人机交互模块；3、处理模块；4、升降模块；401、滑动轨道；402、升降滑台；403、驱动单元；5、止水控制模块；6、流量检测模块；7、称重模块；8、计时模块；9、测温模块；10、样品信息模块；11、检测台；12、支撑板；13、环刀组；14、盛水容器；15、进水管路；16、接水容器；17、出水管路；18、第一支撑架；19、第二支撑架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1至图5，一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，包括高度检测模块1、人机交互模块2、处理模块3、升降模块4、止水控制模块5、流量检测模块6、称重模块7、计时模块8、测温模块9和样品信息模块10。

高度检测模块1位于装有土壤样品的环刀组13上，用于检测土壤样品的高度位置信息并发送给处理模块3；例如，高度检测模块1包括红外线测距传感器，通过红外线测距传感器发出的红外线来测量环刀组与检测台之间的距离。

人机交互模块2位于检测台的侧缘上，用于输入实验水位差并发送给处理模块3；例如，人机交互模块包括10寸液晶触摸操控人机交互界面屏，通过输入实验程序，并根据输入的实验程序启动检测系统。

处理模块3用于根据高度检测模块1检测的土壤样品的高度位置信息以及人机交互模块2输入的实验水位差，确定土壤样品的位移信息；

升降模块4用于根据处理模块3确定的位置信息，驱动土壤样品移动到目标位置，目标位置为位移信息指示的土壤样品最终到达的位置；处理模块3还能根据土壤样品在确定的位移信息下检测的实验数据，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率，并发送给人机交互模块2。

人机交互模块2与处理模块3电连接，处理模块3分别与高度检测模块1、升降模块4电连接。该检测系统还包括电源模块，用于提供电源，电源模块用于向高度检测模块1、人机交互模块2、处理模块3、升降模块4、止水控制模块5、流量检测模块6、称重模块7、计时模块8、测温模块9和样品信息模块10提供工作所需的电源。

请参阅图5，该检测系统还包括：检测台11、支撑板12、多个环刀组13、盛水容器14、多根进水管路15、多个接水容器16以及多根出水管路17。

其中，检测台11的一侧垂直设置有支撑板12；多个环刀组13设置于支撑板12上，用于盛装采集的土壤样品；盛水容器14设置于环刀组13的一侧；盛水容器14的高度高于环刀组13的高度；盛水容器14通过多根进水管路15分别与其对应的环刀组13的进口连接；多个接水容器16设置于检测台11上；每个环刀组13的出口均通过多根出水管路17分别与其对应的接水容器16连接；

请参阅图3至图4，升降模块4包括：多根滑动轨道401、多个升降滑台402以及多个驱动单元403。多根滑动轨道401固定设置于支撑板12上；多个升降滑台402可滑动的设置于与其对应的滑动轨道401上；多个驱动单元403设置于与其对应的滑动轨道401上；每个驱动单元403均能够驱动与其对应的升降滑台402滑动；盛水容器14以及多个环刀组13均设置于与其对应的升降滑台402上。

为了保证进水管路和出水管路的稳定，支撑板12上设置有第一支撑架18，多根进水管路15均架设于第一支撑架18上；检测台11上设置有第二支撑架19，多根出水管路17均设置于第二支撑架19上。例如，第一支撑架上具有多个第一安置槽，多根进水管路均架设于对应的第一安置槽内；第二支撑架上具有多个第二安置槽，多根出水管路均架设于对应的第二安置槽内。

止水控制模块5位于土壤样品的上侧，用于对实验用水进入土壤样品的路径进行截止控制；例如，止水控制模块5包括多个电磁阀；每个电磁阀均设置于与其对应的进水管路15上。通过电磁阀能够控制盛水容器14内的实验用水向土壤样品流动的路径的通断。

流量检测模块6位于土壤样品的下侧，用于对渗透过土壤样品的液体的流速进行检测并发送；例如，流量检测模块6包括多个流量计；每个流量计均设置于与其对应的出水管路17上。通过流量计检测渗透过土壤样品的液体流出环刀组，并向接水容器16流入的流速大小。通过流速计201可以精确计算各个支路渗透过对应的土壤样品的液体流速，当1分钟内液体流速变化较小（趋于恒定）时，再开始打开止水电磁阀101使液体流出，开始计时、称重，这可以保证在液体渗透流速均匀时开始计时，提高测量精度。

称重模块7位于接收渗透过土壤样品的液体的接水容器16的下侧，用于对流速恒定之后渗透过土壤样品的液体进行称重并发送；例如，称重模块7包括多个微型电子秤，每个微型电子秤均设置于检测台11上，每个接水容器16均设置于与其对应的微型电子秤上。通过微型电子秤自动读取渗透过土壤样品的液体的重量，并发送给处理模块，使得结果更加精确，也避免了实验员读取过程中的错误以及操作过程顺序混淆等问题，更节省了人力及时间成本。

计时模块8包括计时器，例如秒表，用于对流速恒定之后渗透过土壤样品的液体的渗透时间进行测定并发送给处理模块5。在一键启动后，秒表开始计时；在达到一定重量后，停止水流通过同时停止计时，该时间段为t。此过程避免了实验人员操作、反应时间造成实验误差，以及多组实验所需的多个秒表计时器，或由于停止时间先后及记录实验顺序混淆等问题。

处理模块3分别与止水控制模块5、流量检测模块6、称重模块7、计时模块8电连接；处理模块3用于根据流量检测模块6检测到的流速，并对一段时间内的流速变化趋势进行统计，然后根据统计结果确定是否对称重模块7以及计时模块8执行开始操作；当确定对称重模块7以及计时模块8执行开始操作时，处理模块3接收称重模块7检测到的重量，并对检测到的重量与设定的重量进行比对，并根据比对结果确定是否对止水控制模块5执行截止操作；当确定对止水控制模块5执行截止操作时，处理模块3根据接收到的数据，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率。

测温模块9用于对渗透过土壤样品的实验用水的温度进行检测；例如，测温模块6包括温度传感器，温度传感器设置于盛水容器中，通过温度传感器实时监测盛水容器中实验用水的水温，并进行记录，得到T温度下的密度ρ_T，使计算结果更加准确。

样品信息模块10用于对土壤样品的编号、长度、横截面积以及实验水位差进行记录并发送给处理模块3。

处理模块3根据测温模块9检测到的温度，确定该温度下试验用水的密度，还根据样品信息模块10记录的相应编号的土壤样品的长度、横截面积以及实验水位差，称重模块7检测到的重量，计时模块8检测到的渗透时间，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率。具体的，土壤样品的饱和导水率根据如下模型计算：

，

式中，K_s为土壤样品的饱和导水率，cm/s；

M为称重模块3检测到的重量，g；

L为土壤样品的长度，cm；

ρ_T为测温模块6检测到的温度下试验用水的密度，g/cm³；

A为土壤样品的横截面积，cm²；

t为计时模块4检测到的渗透时间，s；

△H为实验水位差，cm。

请参阅图2，该检测系统的使用方法如下：

首先，开机上电，系统进行自检：一是流量计、重力传感器清零，电磁阀关闭；二是将环刀组安装在试验机环刀座上；三是将烧杯放置于重力传感器上。

自检完成后，输入实验程序，启动实验程序。

处理器采集环刀组的高度信息，并与人机交互模块输入的实验水位差，并以此计算出环刀组的位移信息；升降模块根据处理模块确定的位置信息，驱动环刀组移动到位置信息指示的目标位置。

然后通过处理模块打开进水管路上的电磁阀，并采集出水管路上的流量计数据，当流量趋于稳定后，开始计时和称重；

当重量达到一定的数值范围时，实验程序执行完毕，关闭电磁阀，同时计时模块停止计时以及称重模块停止采集重力数据；

处理模块将采集的时间、流量、重量信息输入计算机模型自动计算结果。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，包括：

高度检测模块(1)，用于检测土壤样品的高度位置信息并发送；

人机交互模块(2)，用于输入实验水位差并发送；

处理模块(3)，用于根据所述高度检测模块(1)检测的土壤样品的高度位置信息以及所述人机交互模块(2)输入的实验水位差，确定土壤样品的位移信息；

升降模块(4)，用于根据所述处理模块(3)确定的位置信息，驱动土壤样品移动到目标位置，所述目标位置为位移信息指示的土壤样品最终到达的位置；

所述处理模块(3)还能根据土壤样品在确定的位移信息下检测的实验数据，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率，并发送给所述人机交互模块(2)。

2.根据权利要求1所述的用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，所述人机交互模块(2)与所述处理模块(3)电连接，所述处理模块(3)分别与所述高度检测模块(1)、所述升降模块(4)电连接。

3.根据权利要求1所述的用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，该检测系统还包括：

止水控制模块(5)，用于对实验用水进入土壤样品的路径进行截止控制；

流量检测模块(6)，用于对渗透过土壤样品的液体的流速进行检测并发送；

称重模块(7)，用于对流速恒定之后渗透过土壤样品的液体进行称重并发送；

计时模块(8)，用于对流速恒定之后渗透过土壤样品的液体的渗透时间进行测定并发送；

所述处理模块(3)分别与所述止水控制模块(5)、所述流量检测模块(6)、所述称重模块(7)、所述计时模块(8)电连接；

所述处理模块(3)用于根据所述流量检测模块(6)检测到的流速，并对一段时间内的流速变化趋势进行统计，然后根据统计结果确定是否对所述称重模块(7)以及所述计时模块(8)执行开始操作；

当确定对所述称重模块(7)以及所述计时模块(8)执行开始操作时，所述处理模块(3)接收所述称重模块(7)检测到的重量，并对检测到的重量与设定的重量进行比对，并根据比对结果确定是否对所述止水控制模块(5)执行截止操作；

当确定对所述止水控制模块(5)执行截止操作时，所述处理模块(3)根据接收到的数据，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率。

4.根据权利要求1所述的用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，该检测系统还包括：

测温模块(9)，用于对渗透过土壤样品的实验用水的温度进行检测；

样品信息模块(10)，用于对土壤样品的编号、长度、横截面积以及实验水位差进行记录；

所述处理模块(3)根据所述测温模块(9)检测到的温度，确定该温度下试验用水的密度，还根据所述样品信息模块(10)记录的相应编号的土壤样品的长度、横截面积以及实验水位差，所述称重模块(7)检测到的重量，所述计时模块(8)检测到的渗透时间，依据模型计算出土壤样品的饱和导水率。

5.根据权利要求4所述的用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，土壤样品的饱和导水率根据如下模型计算：

式中，K_s为土壤样品的饱和导水率，cm/s；

M为所述称重模块(3)检测到的重量，g；

L为土壤样品的长度，cm；

ρ_T为所述测温模块(6)检测到的温度下试验用水的密度，g/cm³；

A为土壤样品的横截面积，cm²；

t为所述计时模块(4)检测到的渗透时间，s；

△H为实验水位差，cm。

6.根据权利要求3所述的用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，该检测系统还包括：

检测台(11)，所述检测台(11)的一侧垂直设置有支撑板(12)；

多个环刀组(13)，设置于所述支撑板(12)上，用于盛装采集的土壤样品；

盛水容器(14)，设置于所述环刀组(13)的一侧；所述盛水容器(14)的高度高于所述环刀组(13)的高度；所述盛水容器(14)通过多根进水管路(15)分别与其对应的环刀组(13)的进口连接；

多个接水容器(16)，设置于所述检测台(11)上；每个所述环刀组(13)的出口均通过多根出水管路(17)分别与其对应的接水容器(16)连接；

所述止水控制模块(5)包括多个电磁阀；每个所述电磁阀均设置于与其对应的进水管路(15)上；

所述流量检测模块(6)包括多个流量计；每个所述流量计均设置于与其对应的出水管路(17)上。

所述称重模块(7)包括多个微型电子秤，每个所述微型电子秤均设置于所述检测台(11)上，每个所述接水容器(16)均设置于与其对应的微型电子秤上。

7.根据权利要求6所述的用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，所述升降模块(4)包括：

多根滑动轨道(401)，设置于所述支撑板(12)上；

多个升降滑台(402)，可滑动的设置于与其对应的滑动轨道(401)上；

多个驱动单元(403)，设置于与其对应的滑动轨道(401)上；每个所述驱动单元(403)均能够驱动与其对应的升降滑台(402)滑动；

所述盛水容器(14)以及多个所述环刀组(13)均设置于与其对应的升降滑台(402)上。

8.根据权利要求6所述的用于变水头测量的土壤饱和导水率检测系统，其特征在于，所述支撑板(12)上设置有第一支撑架(18)，多根所述进水管路(15)均架设于所述第一支撑架(18)上；

所述检测台(11)上设置有第二支撑架(19)，多根所述出水管路(17)均设置于所述第二支撑架(19)上。

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