CN206258354U - 一种自补偿供液瓶及土体入渗实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自补偿供液瓶及土体入渗实验装置，自补偿供液瓶的弹性构件竖直设置在敞口容器A和支座之间，所述敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，本实用新型通过水体自重与弹簧弹力相互作用使敞口容器A内的上液面保持高程不变，从而保证敞口容器B上液面高程不变，使实验能稳定进行；土体入渗实验过程中可以在一定限度内自由增减敞口容器A内水量，省去马氏瓶在实验前需要放水以维持水头稳定以及实验过程中不能对瓶内水量做任何控制的弊端；敞口容器A因为可以自由增减水量，所以可以减小敞口容器A内截面底面积以提高实验数据的精度，还可以缩小实验装置体积，做到自由拆装与便携便利。

Description

一种自补偿供液瓶及土体入渗实验装置

技术领域

本实用新型涉及实验设备技术领域，特别是一种自补偿供液瓶及土体入渗实验装置。

背景技术

在某些专业领域比如化学或者农田水利工程进行实验需要稳定水头(恒定的液面高程)供水仪器，现在市场上通行的仪器名为马利奥特瓶(简称马氏瓶)，用于入渗蒸发等实验。但是经实验实际效果反应，马氏瓶主要存在以下两点问题：

1、马氏瓶在实验之前必须一次性加入实验用水量，中途不可向瓶内补充水量，否则会造成水头不稳无法维继实验。因为这一点，导致若需要大量实验用水，就需使用大容量马氏瓶，成本升高，且随着供水瓶底面积的加大，使得读取瓶内阶段耗水量误差加大，影响实验精度。

2、如图1所示，马氏瓶由C端灌入额定水量以后用瓶塞紧封以保持气密性，通过玻璃管A端与大气连通调节瓶内压强，使得瓶内与A端处于同一水平线的水面压强为大气压强，再控制C端的恒水头出流。但是在实际应用中瓶内压强需要降低到一定程度才能在A端吸入空气以平衡瓶内压强，这个阶段中瓶内压强总是在反复变化着，真实水头高度也不能达到稳定效果。

3、马氏瓶在每次灌入液体之后开始试验之前都需要先放出部分液体以调整瓶内压强，造成一定的资源浪费。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种继承马氏瓶优点，解决现有马氏瓶存在缺点的自补偿供液瓶及土体入渗实验装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种自补偿供液瓶，包括一个用于盛放液体的敞口容器A、支座和弹性构件，所述弹性构件竖直设置在敞口容器A和支座之间，敞口容器A的底部连接有出水管，出水管上设置有出水阀；

所述敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，敞口容器A与其所盛放液体的重力之和小于等于所有弹簧的工作极限载荷之和，敞口容器A的重心与弹性构件的中心位于同一垂线上，保证敞口容器A能够稳定设置在弹性构件上；所述敞口容器A的壁厚均匀一致；

所述弹性构件由至少一个竖直设置的弹簧组成；所述弹簧的数量大于等于二时，所有弹簧的上端均与敞口容器A的底部固定连接，所有弹簧的下端均与支座固连，且所有弹簧相同，弹簧的弹力系数为k，k满足如下关系式：

其中，g为重力加速度，S为敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积，ρ为敞口容器A中所盛放液体的密度，n为弹簧的数量。

进一步改进，还包括与弹簧数量相同的套筒，套筒竖直设置，且套筒的下端固定在支座上，每个弹簧均设置于一个套筒中，套筒的长度小于弹簧的长度，所述敞口容器A中盛满液体时，套筒的上端与敞口容器A底部仍存在间隙。通过设置套筒，限制弹簧左右摆动，防止弹簧倾斜，提高实验精度。

进一步改进，所述支座上设置有水平仪，使用前根据水平仪状况对自补偿供液瓶进行调平操作，以保证实验精度。

优选地，所述弹簧的数量为两个。考虑到敞口容器A截面积不宜过大，则弹簧数目不宜超过四个。

进一步改进，所述敞口容器A的横截面为圆形或正多边形中的一种。敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，保证出水管中的实时出水量和流速均相等。

一种土体入渗实验装置，包括一个用于盛放液体的敞口容器A、支座、弹性构件和一个用于盛放入渗土体的敞口容器B，

所述弹性构件竖直设置在敞口容器A和支座之间，敞口容器A与敞口容器B通过出水管连通，出水管上设置有出水阀，敞口容器A与敞口容器B的水平距离恒定；

所述敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，敞口容器A与其所盛放液体的重力之和小于等于所有弹簧的工作极限载荷之和，敞口容器A的重心与弹性构件的中心位于同一垂线上；所述敞口容器A的壁厚均匀一致；

所述弹性构件由至少一个竖直设置的弹簧组成；所述弹簧的数量大于等于二时，所有弹簧的上端均与敞口容器A的底部固定连接，所有弹簧的下端均与支座固连，且所有弹簧相同，弹簧的弹力系数为k满足如下关系式：

其中，g为重力加速度，S为敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积，ρ为敞口容器A中所盛放液体的密度，n为弹簧的数量。

进一步改进，还包括与弹簧数量相同的套筒，套筒竖直设置，且套筒的下端固定在支座上，每个弹簧均设置于一个套筒中，套筒的长度小于弹簧的长度，所述敞口容器A中盛满液体时，套筒的上端与敞口容器A底部仍存在间隙。

进一步改进，所述一种土体入渗实验装置的支座上设置有水平仪。使用前根据水平仪状况对自补偿供液瓶进行调平操作，以保证土体入渗实验的精度。

进一步改进，所述一种土体入渗实验装置的出水管为软管，弹簧恢复力推动敞口容器A向上移动时，软管与敞口容器A相连的一端同时移动。

进一步改进，所述一种土体入渗实验装置的敞口容器A的横截面为圆形或正多边形中的一种。敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，保证水头高度恒定。

本实用新型采用上述结构后，具有如下技术效果：

本实用新型通过水体自重与弹簧弹力相互作用使敞口容器A内的上液面保持高程不变，从而保证敞口容器B上液面高程不变，使实验能稳定进行；土体入渗实验过程中可以在一定限度内自由增减敞口容器A内水量，省去马氏瓶在实验前需要放水以维持水头稳定以及实验过程中不能对瓶内水量做任何控制的弊端；敞口容器A因为可以自由增减水量，所以可以减小敞口容器A内截面底面积以提高实验数据的精度，还可以缩小实验装置体积，做到自由拆装与便携便利。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示了现有技术中马氏瓶的结构。

图2显示了所述一种自补偿供液瓶的一种实施例结构。

图3显示了所述一种自补偿供液瓶的另一种实施例结构。

图4显示了所述一种土体入渗实验装置的一种实施例结构。

图5显示了所述一种土体入渗实验装置的另一种实施例结构。

具体实施方式

为使本实用新型的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型涉及敞口容器A1、弹簧2、出水管3、套筒形支座4、敞口容器B5、水平仪6和支座7等技术特征。

实施例1

本实施例中：以单弹簧为例，即弹性构件为一个弹簧，即n＝1，满足敞口容器A的重心与弹性构件的中心位于同一垂线上的条件；敞口容器A中所盛放液体为水，即ρ为水的密度，所述敞口容器A的横截面为圆形，敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，且与敞口容器A的底面积相等。

如图2所示，一种自补偿供液瓶，包括一个用于盛放液体的敞口容器A、支座和弹性构件，所述弹性构件竖直设置在敞口容器A和支座之间，敞口容器A的底部连接有出水管，出水管上设置有出水阀；所述敞口容器A与其所盛放液体的重力之和小于等于所有弹簧的工作极限载荷之和，所述敞口容器A的壁厚均匀一致；

弹簧的上端与敞口容器A的底部固定连接，弹簧的下端与支座固连，弹簧的弹力系数为k满足如下关系式：

k＝Sρg

其中，g为重力加速度，S为敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积，即为敞口容器A的底面积。

如图2所示，假设敞口容器A中液面距离支座A底面垂直距离为H，敞口容器A中的水通过出水管流入敞口容器B中以维持敞口容器B内的水头高度。设定敞口容器A底面积为S，当敞口容器A向敞口容器B流入质量为Δm的水量后，敞口容器A内的液面高度变为H'，换算至敞口容器A内水层高度降低h₁，由密度质量计算公式可得：

Δm＝h₁Sρ ①

此时支座A中弹簧减轻负重为Δmg(g为重力加速度)，设弹簧弹力系数为k，弹簧回弹高度为h₂，由胡克定律可得：

kh₂＝Δmg ②

由①和②可得kh₂＝h₁Sρg ③

即

当敞口容器A向敞口容器B流入质量为Δm的水量后，敞口容器A内的液面高度变为H'，可得：

H'＝H-h₁+h₂ ⑤

本申请的目的在于由弹簧弹力与水体自重控制使得H'＝H,即可得

h₁＝h₂ ⑥

由④和⑥可得：k＝Sρg ⑦

即可知弹簧弹力系数k与敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积只要可以满足公式⑦的关系，便可保证敞口容器A内的液面距离支座A底面的高度始终为H，从而维持了敞口容器A内上液面的绝对高度不变。

实施例2

本实施例中：以双弹簧为例，即弹性构件为两个弹簧，即n＝2，所述敞口容器A的横截面为正方形，其他技术方案等同于实施例1。

如图3所示，双弹簧中每个弹簧的弹力系数k满足如下关系式：

实施例3

本实施例的一种土体入渗实验装置，以单弹簧为例，即弹性构件为一个弹簧，即n＝1，满足敞口容器A的重心与弹性构件的中心位于同一垂线上的条件；敞口容器A中所盛放液体为水，即ρ为水的密度，所述敞口容器A的横截面为圆形，敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，且与敞口容器A的底面积相等。

如图4所示，一种土体入渗实验装置，包括一个用于盛放液体的敞口容器A、支座、弹性构件和一个用于盛放入渗土体的敞口容器B；

所述弹性构件竖直设置在敞口容器A和支座之间，敞口容器A与敞口容器B通过出水管连通，出水管上设置有出水阀，敞口容器A与敞口容器B的水平距离恒定；

所敞口容器A与其所盛放液体的重力之和小于等于所有弹簧的工作极限载荷之和，敞口容器A的重心与弹性构件的中心位于同一垂线上；所述敞口容器A的壁厚均匀一致；

所述弹性构件为一个竖直设置的弹簧；弹簧的上端与敞口容器A的底部固定连接，弹簧的下端与支座固连，弹簧的弹力系数为k，k满足如下关系式：

k＝Sρg

其中，g为重力加速度，S为敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积。

如图4所示，根据水力学原理，在任一高度划定一条水平线，作为基准线，设定入渗实验稳定时敞口容器A液面距离基准线高度为z₁，敞口容器B液面距离基准线高度为z₂，p₁为敞口容器A中液面压强，p₂为敞口容器B液面压强，水流由敞口容器A到敞口容器B的水头损失为h_w，由伯努利方程可得：

公式中：v₁为敞口容器A中液面下降的速度，v₂为敞口容器B中液面下降的速度，因为实验中敞口容器A、B的截面积很大，所以v₁、v₂都为趋近于0的数值，既简化处理v₂＝v₁，因为容器A与容器B均为敞口设计，故p₂＝p₁。α₁、α₂为动能矫正系数，因为v₁、v₂数值很小，所以两个动能校正系数都取值为1.0。

近似条件：v₁＝0，v₂＝0，p₂＝p₁，可得：

z₁-z₂＝h_w ⑨

水头损失h_w结构本身决定，比如出流孔的大小、橡胶管的长短以及出流孔的高度，所以h_w可以实际应用时测试得到。实际实验过程中，保证敞口容器A与容器B的相对位置不变，从而能保证h_w稳定不变。实验进入稳定阶段，由公式⑤⑥⑦可知，定下基准线位置，可使z₁恒定不变，根据公式⑨可得z₂保持不变，从而达到了稳定敞口容器B水位高度的目的。所述基准线为水平线，任意选取，起参照作用。

实施例4

本实施例的一种土体入渗实验装置，以双弹簧为例，即弹性构件为两个平行设置的弹簧，即n＝2，所述敞口容器A的横截面为正方形，其他技术方案等同于实施例3.

如图5所示，为双弹簧的土体入渗实验装置，装置中每个弹簧的弹力系数k满足如下条件：

以上所述实施例中敞口容器A中所盛放液体可由水向其他范围推广，比如油、溶液、胶体只需要确定液体密度符合以下公式：

其中，g为重力加速度，S为敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积，ρ为敞口容器A中所盛放液体的密度，n为弹簧的数量。

以上所述实施例中所述敞口容器A的横截面可以由正方形、圆形向其他范围推广，比如长方形等，只需要敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等。

以上所有实施例所述支座上最好都设置有水平仪，因为敞口容器A需要保持水平，弹簧需要垂直于敞口容器A底部及支座，且敞口容器A与弹簧的接触点需保证受力均匀，防止侧翻，保证弹簧受到轴向压力，无弯矩作用。使用前根据水平仪状况对自补偿供液瓶进行调平操作，以保证实验精度。

以上所有实施例所述每个弹簧最好均设置于一个套筒中，与弹簧数量相同的套筒竖直设置，且套筒的下端固定在支座上，为了使得套筒与支座连接的稳定性，可在支座上开设用于枢接套筒底端的沉孔，每个弹簧均设置于一个套筒中，套筒的长度小于弹簧的长度，所述敞口容器A中盛满液体时，套筒的上端与敞口容器A底部仍存在间隙。通过设置套筒，限制弹簧左右摆动，防止弹簧倾斜，提高实验精度。还可以将弹簧完整设置于套筒中，在套筒中位于弹簧的上端再设置另一个支座，敞口容器A通过该支座设置于弹簧上，可保证弹簧承受竖直方向轴力且不承受弯矩作用，如图4、5所示。

本实用新型相对于市场现有同种仪器本实用新型体积小巧，可自由拆装，占据空间少；本装置中敞口容器A上方可设计为敞口，可在实验过程中自由增减敞口容器A内的水量且不会影响实验效果，因为有弹簧的支撑作用可以使得敞口容器A内始终保持同一高程，但是所加水量不能超过容量A和支座的最大正常工作高度，且不可使弹簧产生塑性变形。本实用新型因为A上端敞口，所以水在消耗的同时空气也在等量等速补充进敞口容器A，从而可以保证敞口容器A内的水为连续变化，不会出现马氏瓶中阶段性充气导致水头不稳的现象。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种自补偿供液瓶，其特征在于：包括一个用于盛放液体的敞口容器A、支座和弹性构件，所述弹性构件竖直设置在敞口容器A和支座之间，敞口容器A的底部连接有出水管，出水管上设置有出水阀；

所述敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，敞口容器A与其所盛放液体的重力之和小于等于所有弹簧的工作极限载荷之和，敞口容器A的重心与弹性构件的中心位于同一垂线上；所述敞口容器A的壁厚均匀一致；

所述弹性构件由至少一个竖直设置的弹簧组成；所述弹簧的数量大于等于二时，所有弹簧的上端均与敞口容器A的底部固定连接，所有弹簧的下端均与支座固连，且所有弹簧相同，弹簧的弹力系数为k，k满足如下关系式：

$k=\frac{S\mathrm{\ρ}g}{n}$

其中，g为重力加速度，S为敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积，ρ为敞口容器A中所盛放液体的密度，n为弹簧的数量。

2.根据权利要求1所述的自补偿供液瓶，其特征在于：还包括与弹簧数量相同的套筒，套筒竖直设置，且套筒的下端固定在支座上，每个弹簧均设置于一个套筒中，套筒的长度小于弹簧的长度，所述敞口容器A中盛满液体时，套筒的上端与敞口容器A底部仍存在间隙。

3.根据权利要求1或2所述的自补偿供液瓶，其特征在于：所述支座上设置有水平仪。

4.根据权利要求3所述的自补偿供液瓶，其特征在于：所述弹簧的数量为两个。

5.根据权利要求1所述的自补偿供液瓶，其特征在于：所述敞口容器A的横截面为圆形或正多边形中的一种。

6.一种土体入渗实验装置，其特征在于：包括一个用于盛放液体的敞口容器A、支座、弹性构件和一个用于盛放入渗土体的敞口容器B；

所述弹性构件竖直设置在敞口容器A和支座之间，敞口容器A与敞口容器B通过出水管连通，出水管上设置有出水阀，敞口容器A与敞口容器B的水平距离恒定；

所述敞口容器A出水管连接处以上的任意两个高度的横截面面积相等，敞口容器A与其所盛放液体的重力之和小于等于所有弹簧的工作极限载荷之和，敞口容器A的重心与弹性构件的中心位于同一垂线上；所述敞口容器A的壁厚均匀一致；

所述弹性构件由至少一个竖直设置的弹簧组成；所述弹簧的数量大于等于二时，所有弹簧的上端均与敞口容器A的底部固定连接，所有弹簧的下端均与支座固连，且所有弹簧相同，弹簧的弹力系数为k，k满足如下关系式：

$k=\frac{S\mathrm{\ρ}g}{n}$

其中，g为重力加速度，S为敞口容器A出水管连接处以上的任意高度的横截面面积，ρ为敞口容器A中所盛放液体的密度，n为弹簧的数量。

7.根据权利要求6所述的土体入渗实验装置，其特征在于：还包括与弹簧数量相同的套筒，套筒竖直设置，且套筒的下端固定在支座上，每个弹簧均设置于一个套筒中，套筒的长度小于弹簧的长度，所述敞口容器A中盛满液体时，套筒的上端与敞口容器A底部仍存在间隙。

8.根据权利要求6或7所述的土体入渗实验装置，其特征在于：所述支座上设置有水平仪。

9.根据权利要求8所述的土体入渗实验装置，其特征在于：所述出水管为软管。

10.根据权利要求6所述的土体入渗实验装置，其特征在于：所述敞口容器A的横截面为圆形或正多边形中的一种。