CN212275745U - 一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用公开了一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，涉及土体蒸发试验技术领域。本实用包括支架，所述支架的内侧中间设置有电子天平，电子天平的顶端设置有土柱筒，土柱筒内设置有土样，土柱筒内插设有若干TDR水分传感器，一侧支架的一侧设置有风扇，另一侧支架一侧设置有温湿度传感器，支架的内侧设置有弧形板，弧形板滑动连接有滑动杆，滑动杆的上部设置有滑轨，滑动杆的底端设置有红外线灯，支架的顶端设置有螺纹杆，螺纹杆上贯穿设置有移动块，移动块的下部设置有推杆，土柱筒的一旁通过支撑架设置有CCD显微照相机。本实用能够在室内精准模拟所需试验试样的实际蒸发环境，不但有利于对实验效果进行对比，而且减轻了外界的工作量。
Description
技术领域
本实用属于土体蒸发试验技术领域，具体来说，特别涉及一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置。
背景技术
土中水分的蒸发不同于纯水，具有非常复杂的发生发展过程，且受多种因素的影响。长期以来，关于土中水分的蒸发一直是农业和土壤科学领域的研究重点。特别是在一些干旱和半干旱地区，农业科学家们就如何提高土体的保水性能，降低土中水分的蒸发损失，从而保证作物的正常生长，开展了大量的研究工作。在岩土工程领域中，人们对土中水分蒸发问题的重视程度还远远不够，围绕该课题开展的研究还比较少。蒸发影响土体含水量和工程性质，是许多岩土工程问题的直接诱因。随着极端干旱性气候的频发，可以预见的是，由蒸发带来的各种工程问题只会越来越多、越来越显著。因此，有必要进一步掌握土中水分的蒸发过程和制约因素。然而，目前针对室内蒸发模拟的试验装置，还相对较少，也没有广泛的被大家所认可，众多研究学者在研究蒸发量的过程中通常都在外界直接测得，对装置和实验效果等没有对比，缺少比较；而且，现有的装置中模拟日光时，均采用定点照射，不能较为仿真的模拟太阳东升西落、持续移动，太阳照射在土样表面的角度持续变化的实际规律，造成外界日照和室内模拟日照有一定偏差，这样可能会造成试验结果产生较大的偏差。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
实用新型内容
针对相关技术中的问题，本实用提出一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为解决上述技术问题，本实用是通过以下技术方案实现的：
本实用为一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，包括支架，所述支架的内侧中间且位于试验台上设置有电子天平，所述电子天平的顶端设置有土柱筒，所述土柱筒内设置有土样，所述土柱筒从上至下均匀插设有若干TDR水分传感器，一侧所述支架的一侧设置有固定板一，所述固定板一的顶端设置有风扇，另一侧所述支架一侧设置有支杆，所述支杆的端部设置有温湿度传感器，所述支架的内侧且位于所述土柱筒的上方设置有弧形板，所述弧形板的中部开设有通槽，所述弧形板的内部且位于所述通槽的两侧设置有滑槽，所述弧形板通过所述滑槽滑动连接有滑动杆，所述滑动杆的上部一侧设置有滑轨，所述滑动杆的底端设置有红外线灯，所述支架的内侧顶端且位于所述弧形板的上方设置有螺纹杆，所述螺纹杆上贯穿设置有移动块，所述移动块的下部设置有推杆，所述推杆的端部设置有滑块一，所述土柱筒的一旁通过支撑架设置有CCD显微照相机，所述土样的顶端设置有位移传感器，所述土柱筒从上至下均匀插设有与所述TDR水分传感器相对应的温度传感器，所述土柱筒的底端配置有水管。
进一步地，所述滑动杆位于所述通槽内，所述滑动杆的下部两侧对称设置有滑块二，所述滑块二与所述滑槽相匹配。
进一步地，所述TDR水分传感器的探头贯穿所述土柱筒并延伸至所述土样内，所述TDR水分传感器均连接有TDR采集器。
进一步地，所述风扇的出风口与土柱筒的顶端相齐平，所述风扇优选为可调节风速，且调节风速为1m/s和3m/s。
进一步地，所述螺纹杆的一端贯穿所述支架并延伸至其外侧，所述螺纹杆的一端设置有电机。
进一步地，所述移动块与所述螺纹杆螺纹连接，所述推杆为“Z”型杆，所述滑块一与所述滑轨滑动连接。
本实用具有以下有益效果：
首先选用仪器，选用红外线灯(100wh和200wh)、可调节风速的风扇 (1m/s和3m/s)、电子天平(5kg,0.01kg)、土柱筒选用规格：筒径为10cm，高度为20cm；
仪器选用完毕后，进行制作试样，将土样填入土柱筒中，然后将TDR 水分传感器的探头插入土柱筒的侧壁的预留孔中，最后将整个土柱筒置于电子天平上，然后将各装置安装在相应的位置；
试样制作完成后，进行蒸发试验，将试样放置在提前安装好的蒸发试验台上如1图所示，上侧的红外线灯照射，用来模拟室外日光照射情况，实际使用时，电机通过减速器带动螺纹杆低速转动，从而螺纹杆转动的同时带动移动块在螺纹杆上水平移动，通过推杆推动滑动杆在弧形板内移动，同时随着滑动杆位置的变化，滑块在滑轨内滑动，滑动杆通过滑块二与弧形板滑动连接，进而通过控制电机的正反转，使得滑动杆在弧形板上移动，带动红外线灯从左向右或从右向左缓慢移动，实现了模拟太阳东升西落，持续移动的实际自然规律，模拟的室内日照环境更符合实际外界的日照情况，贴合度更高，使得实验结果更准确。此外，具体使用时，调节电机的转速，使得红外线灯从左向右或从右向左移动的时间与外界日照时长大致相同，通过弧形板、滑动杆、移动块和螺纹杆的配合作用，实现了模拟太阳东升西落，持续移动的实际自然规律，模拟的室内日照环境更符合实际外界的日照情况，贴合度更高，使得实验结果更准确；左侧的风扇用来模拟室外的不同风速，温湿度传感器用来测定实验室内的环境温度，总体为了更加接近实际工程的工况。电子天平用来测定实验过程中土体中水分的蒸发速率，在试样旁边均匀布设的TDR水分传感器用来测定土样不同位置的含水率状况。CCD显微照相机可拍摄得到在蒸发试样过程中，土质的表面变化情况。
为了测定蒸发速率的精确性，本次试验采用单独测试的方式，每次试验仅对一组试样进行蒸发速率的测定，首先选用三个相同规格的电子天平, 将每个组别的三个试样分别放置在试验室内电子天平上，测得起始的试样重量，开启红外线灯和风扇，分别调至试验所设定的条件，在试验过程中，尽量控制实验室内部不受外界环境的干扰，每间隔1d读取电子天平的读数，井且读TDR水分传感器的读数，并记录。整个实验过程持续12d，每天从早上7点到晚上19点红外线灯开启，用来模拟当地的日照情况，最终电子天平称重后，所得到的质量损失量就是该试样在一定环境下的蒸发量，既可以得到该试样的蒸发速率。
本次试样公分为四种不同的环境，其中包括红外灯模拟(100w/h和 200w/h)和风速(1m/s和3m/s)，每个不同的试验条件下对纯水试样、不同土质试样、混凝土保护层试样进行蒸发速率的测定。
本实用全程在室内进行，通过对初始饱和的黏土开展室内干燥试验，测试了土中水分蒸发速率随干燥时间的变化，分析了土体在不同环境、风速条件下水分蒸发过程及特征，最终利用数据进行探讨不同干燥阶段水－土相互作用机制及其对蒸发的影响，本实用能够在室内精准模拟所需试验试样的实际蒸发环境，可以在室内模拟出不同外界条件下的蒸发环境，对其蒸发量可在室内通过实验测得，不但有利于对实验效果进行对比，而且减轻了外界的工作量，本实用结构简单、操作方便、具有较强的适用性，且成本较低，效果显著。
当然，实施本实用的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明实用实施例的技术方案，下面将对实施例描述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实用的一些实施例，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为本实用的结构示意图；
图2为本实用的局部结构示意图；
图3为本实用的滑动杆的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、支架；2、电子天平；3、土柱筒；4、土样；5、TDR水分传感器；6、固定板一；7、风扇；8、支杆；9、温湿度传感器；10、弧形板；11、通槽； 12、滑槽；13、滑动杆；1301、滑块二；14、滑轨；15、螺纹杆；1501、电机；16、红外线灯；17、移动块；18、推杆；19、滑块一；20、CCD显微照相机；21、位移传感器；22、温度传感器；23、水管。
具体实施方式
下面将结合实用实施例中的附图，对实用实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是实用一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实用中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于实用保护的范围。
在本实用的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“顶”、“中”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述实用和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用的限制。
请参阅图1-3所示，本实用为一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，包括支架1，所述支架1的内侧中间且位于试验台上设置有电子天平2，电子天平2用来测定实验过程中土样4中水分的蒸发量，从而得出水分的蒸发速率，所述电子天平2的顶端设置有土柱筒3，所述土柱筒3内设置有土样4，所述土柱筒3从上至下均匀插设有若干TDR水分传感器5，在试样旁边均匀布设的TDR水分传感器5用来测定土样4不同位置的含水率状况。一侧所述支架1的一侧设置有固定板一6，所述固定板一6的顶端设置有风扇7，另一侧所述支架1一侧设置有支杆8，所述支杆8的端部设置有温湿度传感器9，所述支架1的内侧且位于所述土柱筒3的上方设置有弧形板 10，所述弧形板10的中部开设有通槽11，所述弧形板10的内部且位于所述通槽11的两侧设置有滑槽12，所述弧形板10通过所述滑槽12滑动连接有滑动杆13，所述滑动杆13的上部一侧设置有滑轨14，所述滑动杆13的底端设置有红外线灯16，通过红外线灯16来模拟室外日光的照射情况，所述支架1的内侧顶端且位于所述弧形板10的上方设置有螺纹杆15，所述螺纹杆15上贯穿设置有移动块17，所述移动块17的下部设置有推杆18，所述推杆18的端部设置有滑块一19，所述土柱筒3的一旁通过支撑架设置有 CCD显微照相机20，所述土样4的顶端设置有位移传感器21，所述土柱筒 3从上至下均匀插设有与所述TDR水分传感器5相对应的温度传感器22，所述土柱筒3的底端配置有水管23，CCD显微照相机20可拍摄得到在蒸发试样过程中，土质的表面变化情况；支架1的一侧设置有控制器，控制器包括有显示屏和控制按钮，且控制器与风扇7、电机1501和红外线灯16均电连接，通过控制器控制风扇7的启停和调节风速和控制电机1501的启停，控制器调节控制红外线灯16，且控制器与温湿度传感器9、CCD显微照相机 20、TDR采集器、位移传感器21和温度传感器22均信号连接，温湿度传感器9将检测到的温度和湿度通过信号的方式传输给控制器，控制器经过处理后以数据的形式显示出来，CCD显微照相机20、TDR采集器、位移传感器 21和温度传感器22同理；如图1所示，水管23外接水槽，且水管23上设置有开关，进而模拟有无地下水补给的自然情况。
在一个实施例中，对于上述滑动杆13来说，所述滑动杆13位于所述通槽11内，所述滑动杆13的下部两侧对称设置有滑块二1301，所述滑块二1301与所述滑槽12相匹配，从而滑动杆13通过滑块二1301与弧形板 10滑动连接，进而通过滑动杆13在弧形板10上移动，带动红外线灯16从左向右或从右向左缓慢移动，实现了模拟太阳东升西落，持续移动的实际自然规律，模拟的室内日照环境更符合实际外界的日照情况，贴合度更高，使得实验结果更准确。此外，具体应用时，风扇7、支杆8和CCD显微照相机20均不遮挡红外线灯16照射向土样4的光线。
在一个实施例中，对于上述TDR水分传感器5来说，所述TDR水分传感器5的探头贯穿所述土柱筒3并延伸至所述土样4内，所述TDR水分传感器5均连接有TDR采集器，从而通过TDR水分传感器5来测定土样4不同位置的含水率状况，然后传输到TDR采集器进行读取，进而较为清晰的观测了解到土样4不同位置的含水率变化情况。
在一个实施例中，对于上述风扇7来说，所述风扇7的出风口与土柱筒3的顶端相齐平，所述风扇7优选为可调节风速，且调节风速为1m/s和 3m/s，从而通过可调节风速的风扇7来模拟室外的不同风速环境。
在一个实施例中，对于上述螺纹杆15来说，所述螺纹杆15的一端贯穿所述支架1并延伸至其外侧，所述螺纹杆15的一端设置有电机1501，从而通过电机1501带动螺纹杆15转动，进而通过螺纹杆15与移动块17的配合作用，推动滑动杆13在弧形板10内缓慢移动，滑动杆13带动红外线灯16缓慢移动。此外，具体应用时，螺纹杆15与支架1的连接处均设置有轴承，螺纹杆15与轴承连接处无螺纹，电机1501的输出端设置减速器，电机1501的输出端通过减速器与螺纹杆15连接。
在一个实施例中，对于上述移动块17来说，所述移动块17与所述螺纹杆15螺纹连接，所述推杆18为“Z”型杆，所述滑块一19与所述滑轨 14滑动连接，从而通过螺纹杆15转动，带动移动块17在螺纹杆15上移动，推杆18为“Z”型杆，可以防止推杆18阻挡滑动杆13上升，滑块一19在滑轨14内能够上下滑动，进而使得滑动杆13能够在弧形板10内沿着弧形板10左右移动。
综上所述，借助于本实用的上述技术方案，首先选用仪器，选用红外线灯16(100wh和200wh)、可调节风速的风扇7(1m/s和3m/s)、电子天平 2(5kg,0.01kg)、土柱筒3选用规格：筒径为10cm，高度为20cm；
仪器选用完毕后，进行制作试样，将土样4填入土柱筒3中，然后将 TDR水分传感器5的探头插入土柱筒3的侧壁的预留孔中，最后将整个土柱筒3置于电子天平2上，然后将各装置安装在相应的位置；
试样制作完成后，进行蒸发试验，将试样放置在提前安装好的蒸发试验台上如1图所示，上侧的红外线灯16照射，用来模拟室外日光照射情况，实际使用时，电机1501通过减速器带动螺纹杆15低速转动，从而螺纹杆 15转动的同时带动移动块17在螺纹杆15上水平移动，通过推杆18推动滑动杆13在弧形板10内移动，同时随着滑动杆13位置的变化，滑块一19 在滑轨14内滑动，滑动杆13通过滑块二1301与弧形板10滑动连接，进而通过控制电机1501的正反转，使得滑动杆13在弧形板10上移动，带动红外线灯16从左向右或从右向左缓慢移动，实现了模拟太阳东升西落，持续移动的实际自然规律，模拟的室内日照环境更符合实际外界的日照情况，贴合度更高，使得实验结果更准确。此外，具体使用时，调节电机1501的转速，使得红外线灯16从左向右或从右向左移动的时间与外界日照时长大致相同；左侧的风扇7用来模拟室外的不同风速，温湿度传感器9用来测定实验室内的环境温度，总体为了更加接近实际工程的工况。电子天平2 用来测定实验过程中土体中水分的蒸发速率，在试样旁边均匀布设的TDR 水分传感器5用来测定土样4不同位置的含水率状况。CCD显微照相机20 可拍摄得到在蒸发试样过程中，土质的表面变化情况，通过不同位置的温度传感器22，从而监测蒸发过程中土样各深度温度的变化，通过土样4顶端放置位移传感器21，从而监测蒸发过程中土样4高度方向体积的变化，通过水管23的设置，能够较为准确的模拟土样4在有无地下水状态下补水条件的蒸发过程，使得整个装置能够尽可能的贴合实际情况，获得的实验数据更加准确。
为了测定蒸发速率的精确性，本次试验采用单独测试的方式，每次试验仅对一组试样进行蒸发速率的测定，首先选用三个相同规格的电子天平 2,将每个组别的三个试样分别放置在试验室内电子天平2上，测得起始的试样重量，开启红外线灯16和风扇7，分别调至试验所设定的条件，在试验过程中，尽量控制实验室内部不受外界环境的干扰，每间隔1d读取电子天平2的读数，并且读TDR水分传感器5的读数，并记录。整个实验过程持续12d，每天从早上7点到晚上19点红外线灯16开启，用来模拟当地的日照情况，最终电子天平2称重后，所得到的质量损失量就是该试样在一定环境下的蒸发量，既可以得到该试样的蒸发速率。
本次试样公分为四种不同的环境，其中包括红外灯模拟(100w/h和 200w/h)和风速(1m/s和3m/s)，每个不同的试验条件下对纯水试样、不同土质试样、混凝土保护层试样进行蒸发速率的测定。
本实用全程在室内进行，通过对初始饱和的黏土开展室内干燥试验，测试了土中水分蒸发速率随干燥时间的变化，分析了土体在不同环境、风速条件下水分蒸发过程及特征，最终利用数据进行探讨不同干燥阶段水－土相互作用机制及其对蒸发的影响。
通过上述技术方案，1、本实用能够在室内精准模拟所需试验试样的实际蒸发环境，可以在室内较为准确的模拟出外界不同条件下的蒸发环境，对其蒸发量在室内通过实验测得，不但有利于对实验效果进行对比，而且减轻了外界的工作量；2、通过弧形板10、滑动杆13、移动块17和螺纹杆 15的配合作用，实现了模拟太阳东升西落，持续移动的实际自然规律，模拟的室内日照环境更符合实际外界的日照情况，贴合度更高，使得实验结果更准确；3、本实用结构简单、操作方便、具有较强的适用性，且成本较低，且实验结果更加准确、可靠，效果显著。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于实用的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的实用优选实施例只是用于帮助阐述实用。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释实用的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用实用。实用仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，包括支架(1)，其特征在于：所述支架(1)的内侧中间且位于试验台上设置有电子天平(2)，所述电子天平(2)的顶端设置有土柱筒(3)，所述土柱筒(3)内设置有土样(4)，所述土柱筒(3)从上至下均匀插设有若干TDR水分传感器(5)，一侧所述支架(1)的一侧设置有固定板一(6)，所述固定板一(6)的顶端设置有风扇(7)，另一侧所述支架(1)一侧设置有支杆(8)，所述支杆(8)的端部设置有温湿度传感器(9)，所述支架(1)的内侧且位于所述土柱筒(3)的上方设置有弧形板(10)，所述弧形板(10)的中部开设有通槽(11)，所述弧形板(10)的内部且位于所述通槽(11)的两侧设置有滑槽(12)，所述弧形板(10)通过所述滑槽(12)滑动连接有滑动杆(13)，所述滑动杆(13)的上部一侧设置有滑轨(14)，所述滑动杆(13)的底端设置有红外线灯(16)，所述支架(1)的内侧顶端且位于所述弧形板(10)的上方设置有螺纹杆(15)，所述螺纹杆(15)上贯穿设置有移动块(17)，所述移动块(17)的下部设置有推杆(18)，所述推杆(18)的端部设置有滑块一(19)，所述土柱筒(3)的一旁通过支撑架设置有CCD显微照相机(20)，所述土样(4)的顶端设置有位移传感器(21)，所述土柱筒(3)从上至下均匀插设有与所述TDR水分传感器(5)相对应的温度传感器(22)，所述土柱筒(3)的底端配置有(23)。
2.根据权利要求1所述的一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，其特征在于，所述滑动杆(13)位于所述通槽(11)内，所述滑动杆(13)的下部两侧对称设置有滑块二(1301)，所述滑块二(1301)与所述滑槽(12)相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，其特征在于，所述TDR水分传感器(5)的探头贯穿所述土柱筒(3)并延伸至所述土样(4)内，所述TDR水分传感器(5)均连接有TDR采集器。
4.根据权利要求1所述的一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，其特征在于，所述风扇(7)的出风口与土柱筒(3)的顶端相齐平，所述风扇(7)为可调节风速，且调节风速为1m/s和3m/s。
5.根据权利要求1所述的一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，其特征在于，所述螺纹杆(15)的一端贯穿所述支架(1)并延伸至其外侧，所述螺纹杆(15)的一端设置有电机(1501)。
6.根据权利要求1所述的一种室内模拟土体蒸发过程的试验装置，其特征在于，所述移动块(17)与所述螺纹杆(15)螺纹连接，所述推杆(18)为“Z”型杆，所述滑块一(19)与所述滑轨(14)滑动连接。
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