CN206945212U - 包气带气体压力计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及土壤以及包气带水文学技术领域，特别涉及一种包气带气体压力计，包括微压传感器、数据采集器和计算机，还包括感应气体压力的气体压力探头和用于连接气体压力探头和微压传感器的连接杆，所述微压传感器与数据采集器相连并将微压传感器探测到的连接管内的压力信息传输给数据采集器，所述计算机与数据采集器相连并对数据采集器采集到的信息控制、显示和分析处理。本实用新型的压力计能够自动测量包气带压力、采样间隔时间可以任意设定，测量时气体压力传递路径较短且测量精度高。

Description

包气带气体压力计

技术领域

本实用新型涉及土壤以及包气带水文学技术领域，特别涉及一种包气带气体压力计。

背景技术

水在非饱和带中的入渗实质上是水、气两种互不相溶的流体水和空气在土壤中互相替代的过程，气相流动在传统的非饱和带水的流动研究中通常被忽略，即认为气体的驱替过程是自由的，在此过程中气相压力与大气压平衡，这主要是根据Richards近似方法，有如下假定：①气相压力为一常数值；②可近似忽略气相的黏度，从而忽略气相对水相运动的影响，可简单概化为单相水流运动。

多年来，许多学者通过大量试验发现，在降雨强度较大的条件下，由于土壤中快速推进的水流作用，空气由于来不及排出而对入渗水流产生阻滞作用，从而降低入渗速率。试验研究为定性分析和定量化研究非饱和带中水、气二相流的运移机理提供了一个必要的手段，从而为数值模拟奠定了基础。在试验研究过程中，包气带中气体压力的测定成为研究过程中的关键。测定包气带中气体压力的传统方法是采用双U型管测定，该方法存在以下缺点：①气体压力较小时无法测定；②测量的时间间隔人为控制，很难达到秒级，不能快速地捕捉气体压力峰值；③双U型管的压力变化主要靠人工读数，人为误差大；④气体压力传递路径长，造成气体压力衰减大，不能准确地测定气体压力。因此，针对上述问题，发明了一种自动测定包气带气体的压力计。

实用新型内容

本发明的目的在于提供一种自动测量包气带压力、采样间隔任意设定、气体压力传递路径较短且测量精度高的包气带气体压力计。

本实用新型所采取的技术方案是：包气带气体压力计，包括微压传感器、数据采集器和计算机，还包括感应气体压力的气体压力探头和用于连接气体压力探头和微压传感器的连接杆，所述微压传感器与数据采集器相连并将微压传感器探测到的连接管内的压力信息传输给数据采集器，所述计算机与数据采集器相连并对数据采集器采集到的信息控制、显示和分析处理。

所述的包气带气体压力计还包括两端分别连接微压传感器和数据采集器以将微压传感器的压力信息转换并传输给数据采集器的逆变电路板。

所述微压传感器的外部设置有微压传感器外壳，所述连接杆与微压传感器外壳相连，所述逆变电路板的外部设置有逆变电路板外壳，所述微压传感器与逆变电路板外壳连接的一端设置有微压传感器密封胶环，所述逆变电路板外壳的另外一端设置有PG09密封胶环；所述逆变电路板外壳内设置有空心电缆固定架以及设置在空心电缆固定架上的用于连接逆变电路板和数据采集器的空心电缆。

所述气体压力探头包括安装在一起的内花管和外花管，所述内花管和外花管之间设置有橡胶密封环，所述内花管与连接杆连接。

所述外花管为一端为圆锥形的空心结构体，所述空心结构体上开设有气孔；所述内花管为一端与外花管配合的圆柱状管体，所述圆柱状管体上设置有通气孔，所述内花管的另外一端为与连接杆配合连接的连接部。

所述连接杆为空心结构，所述连接杆的一端与内花管配合连接，所述连接杆的另外一端与传感器外壳螺纹连接。

本实用新型的有益效果是：

1、该包气带气体压力计采用微压传感器作为气体压力测量传感器，测量精度可以达到0.4 mm，降低了人工读数的误差，提高了测量精度，同时将传感器信号传输至数据采集器，经过简单运算可以在显示器上直接读出瞬时气体压力值。

2、该装置通过与数据采集器相连接的上位机软件可以实现连续测量包气带中的气体压力，采样间隔（1~999 s）可根据试验要求及目的确定，实现捕捉气体的压缩和逃逸过程。

3、该压力计的气体压力探头采用双花管结构，消除水分入渗过程中水分对气体压力的影响，保证测量过程的科学性。

附图说明

图1为本实用新型包气带气体压力计的结构示意图；

图2为外花管结构示意图；

图3为内花管的结构示意图；

图4为本实用新型的本包气带气体压力计在降雨入渗研究中的应用示意图；图5为本实用新型的包气带气体压力计在曝气过程的应用示意图。

图中：1、外花管；2、橡胶密封环；3、内花管；4、连接杆；5、传感器外壳；6、微压传感器；7、微压传感器密封胶环；8、逆变电路板；9、空心电缆空心管；10、空心电缆固定架；11、PG09密封接头；12、空心电缆；13、数据采集器；14、计算机；15、逆变电路板外壳；16、气孔；17、通气孔；18、连接部；4-1 针式降雨器；4-2 降雨收集器；4-3 上滤料层；4-4 溢流口；4-5试验土柱；4-6 试验介质；4-7 含水量传感器；4-8 降水雨供水管；4-9 降雨供水箱；4-10降雨增压泵；4-11 供排水阀门；4-12 降雨补给量收集器；4-13 下粗滤料层；4-14下细滤料层；4-15 水位控制器；4-16 数据采集器；4-17 计算机；4-18 包气带气体压力计；4-19 降雨收集器排水口；5-1 溢流口；5-2 上滤料层；5-3 试验土柱；5-4 试验介质；5-5 下细滤料层；5-6下粗滤料层；5-7 供水阀门；5-8 供水管；5-9水位控制器；5-10排气排水阀门；5-11气体压力控制阀；5-12 气体压力溢流阀；5-13 试验气体压力灌；5-14 数据采集器；5-15包气带气体压力计；5-16 计算机。

具体实施方式

本实用新型包气带气体压力计的实施例一，如图1~3所示，包气带气体压力计，包括微压传感器6、数据采集器13和计算机14，还包括感应气体压力的气体压力探头和用于连接气体压力探头和微压传感器6的连接杆4，所述微压传感器6与数据采集器13相连并将微压传感器探测到的压力信息传输给数据采集器13，所述计算机14与数据采集器13相连并对数据采集器采集到的信息控制、显示和分析处理。

所述的包气带气体压力计还包括两端分别连接微压传感器6和数据采集器13以将微压传感器6的压力信息转变并传输给数据采集器13的逆变电路板8。

所述微压传感器的外部设置有微压传感器外壳5，所述连接杆4与微压传感器外壳5相连，所述逆变电路板8的外部设置有逆变电路板外壳，所述微压传感器6与逆变电路板外壳连接的一端设置有微压传感器密封胶环7，所述逆变电路板外壳的另外一端设置有PG09密封胶环11；所述逆变电路板外壳内设置有空心电缆固定架10以及设置在空心电缆固定架10上的用于连接逆变电路板8和数据采集器13的空心电缆12，空心电缆12内含有空心电缆空心管9。

所述气体压力探头包括安装在一起的内花管3和外花管1，所述内花管3和外花管1之间设置有橡胶密封环2，所述内花管3与连接杆4连接。

所述外花管1为一端为圆锥形的空心结构体，所述空心结构体上开设有气孔16；所述内花管3为一端与外花管配合的圆柱状管体，所述圆柱状管体上设置有通气孔17，所述内花管的另外一端为与连接杆4配合连接的连接部18。

所述连接杆4为空心结构，所述连接杆的一端与内花管配合连接，所述连接杆的另外一端与传感器外壳螺纹连接。

本实施例中，连接外花管1和内花管3组成包气带气体压力探头，气体压力探头主要实现气体压力向微压传感器的传递过程，该探头为了消除水分入渗过程中水分对气体压力的影响，将探头设计为双花管形式；连接杆主要是连接气体压力探头和微压传感器，连接杆的长度由试验的土柱和砂槽模型确定；微压传感器6和逆变电路板8组成包气带气体压力的测量部分，微压传感器主要用于测量包气带中的气体压力，该包气带气体压力计选择的微压传感器满足量程为±2 kPa、测量精度为0.001 kPa，可以测量气体入渗过程中气体压缩和逃逸过程中的气体压力变化；通过空心电缆12连接数据采集器13，组成包气带气体压力测量装置的数据存储部分；通过232或485接口将数据采集器13与计算机14连接，组成包气带气体压力测量的控制、显示和数据分析部分，数据采集器的输出信号为4～20 mA，便于选择通用的数据采集器，这样，数据采集器与计算机上安装的上位机软件连接，可以实现气体压力测量结果的实时显示、数据存储、采样间隔测定以及数据标定4项功能。

在组装包气带气体压力计时需要注意：①外花管1、内花管3和连接杆4之间连接时加橡胶密封环2，确保密封；②微压传感器6两侧需要用密封胶环7密封；③空心电缆12中的空心管9不能折弯，避免微压传感器6与外界大气压之间不平衡。

包气带气体压力计主要用于包气带中气体压力的测定，主要用于以下两个方面：

如图4所示，包气带气体压力计在降雨入渗研究中的应用，包气带气体压力计在研究气体对水分入渗的影响过程中是不可缺少的一种仪器，具体实施过程如下：

将加工好的试验土柱4-5安装垂直，通过软管连接水位控制器4-15，利用供排水阀门4-11控制流量；在排水口位置铺上滤网防止介质阻塞排水口，在其上铺设5～10 cm的下粗滤料层4-13（可选用含砾粗砂），在下粗滤料层4-13上铺设5～10 cm下细滤料层4-14，在下细滤料层4-14上面铺设一层与试验介质颗粒接近的滤网。

在试验土柱4-5内壁上涂上凡士林防止边界效应，将制备好的试验介质4-6填装进试验土柱4-5内，调节水位控制器4-15的高度，通过冲水和排水对试验介质4-6进行密实；当冲排水2次后，打开试验土柱4-5侧壁预留的安装孔，在不同位置安装含水量传感器4-7和包气带气体压力计4-18，并连接数据采集器4-16，通过数据通讯线连接计算机4-17，4-19 为降雨收集器排水口。

在试验土柱4-5上方50～100 cm范围内安装针式降雨器4-1，在试验土柱4-5顶端安装降雨收集器4-2，利用降雨增压泵4-10调节降雨供水箱4-9中的供水压力，以控制针式降雨器4-1的降雨强度，实现不同的降雨特征。

根据使用者所确定的研究目的与试验方案，利用针式降雨器4-1确定降雨强度，利用水位控制器4-15设定试验方案所设定的水位埋深。打开计算机4-17和数据采集器4-16的电源，设置采样间隔与频次。启动针式降雨器4-1，开始试验，通过水位控制器4-15将降雨入渗补给的水收集在降雨补给量收集器4-12中，分析不同水位埋深条件下降雨入渗补给的特征。

如图5所示，包气带气体压力计在曝气过程的应用，包气带气体压力计在研究曝气过程中气体压力的变化规律方面是不可缺少的一种仪器，具体实施过程如下：

将加工好的试验土柱5-3安装垂直，通过供水软管5-8连接水位控制器5-9，利用供水阀门5-7控制供水流量，实现试验介质5-4的密实；在排水口位置铺上滤网防止介质阻塞排水口，在其上铺设5～10 cm的下滤料层5-6（可选用含砾粗砂），在下粗滤料层5-6上面铺设5～10 cm的下细滤料层5-5，在下细滤料层5-5上面铺设一层与试验介质颗粒接近的滤网。

在试验土柱5-3内壁上涂上凡士林防止边界效应，将制备好的试验介质5-4填装进试验土柱5-3内，调节水位控制器5-9的高度，通过冲水和排水对试验介质5-4进行密实；当冲排水2次后，打开试验土柱5-3侧壁预留的安装孔，在不同位置安装包气带气体压力计5-15，并连接数据采集器5-14，通过数据通讯线连接计算机5-16。

在试验土柱5-3下方利用胶管通过气体压力控制阀5-11和气体压力溢流阀5-12连接试验气体压力罐5-13，实现不同曝气过程的气体压力监测。

根据使用者所确定的研究目的与试验方案，通过气体压力控制阀5-11和气体压力溢流阀5-12，调节曝气过程中的气体压力，将排气和排水阀门5-10使试验介质中的水排干；打开计算机5-16和数据采集器5-14的电源，设置采样间隔与频次。打开气体压力控制阀5-11，开始试验，试验气体压力罐5-13中的气体按设定的压力进入试验土柱5-3，利用包气带气体压力计5-15监测包气过程中气体压力的变化。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.包气带气体压力计，包括微压传感器、数据采集器和计算机，其特征在于：还包括感应气体压力的气体压力探头和用于连接气体压力探头和微压传感器的连接杆，所述微压传感器与数据采集器相连并将微压传感器探测到的压力信息传输给数据采集器，所述计算机与数据采集器相连并对数据采集器采集到的信息控制、显示和分析处理。

2.根据权利要求1所述的包气带气体压力计，其特征在于：所述的包气带气体压力计还包括两端分别连接微压传感器和数据采集器以将微压传感器的压力信息转换并传输给数据采集器的逆变电路板。

3.根据权利要求2所述的包气带气体压力计，其特征在于：所述微压传感器的外部设置有微压传感器外壳，所述连接杆与微压传感器外壳相连，所述逆变电路板的外部设置有逆变电路板外壳，所述微压传感器与逆变电路板外壳连接的一端设置有微压传感器密封胶环，所述逆变电路板外壳的另外一端设置有PG09密封胶环；所述逆变电路板外壳内设置有空心电缆固定架以及设置在空心电缆固定架上的用于连接逆变电路板和数据采集器的空心电缆。

4.根据权利要求1所述的包气带气体压力计，其特征在于：所述气体压力探头包括安装在一起的内花管和外花管，所述内花管和外花管之间设置有橡胶密封环，所述内花管与连接杆连接。

5.根据权利要求4所述的包气带气体压力计，其特征在于：所述外花管为一端为圆锥形的空心结构体，所述空心结构体上开设有气孔；所述内花管为一端与外花管配合的圆柱状管体，所述圆柱状管体上设置有通气孔，所述内花管的另外一端为与连接杆配合连接的连接部。

6.根据权利要求1所述的包气带气体压力计，其特征在于：所述连接杆为空心结构，所述连接杆的一端与内花管配合连接，所述连接杆的另外一端与传感器外壳螺纹连接。