专利名称：一种土壤水分特征曲线测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及土壤物理学领域，特别是关于一种土壤水分特征曲线测量装置及其测
量方法。
背景技术：
土壤水分特征曲线也叫做土壤特征曲线或土壤pF曲线，它表述了土壤水势和土壤水分含量之间的关系。压力膜仪是目前广泛使用的土壤水分特征曲线测量仪器设备， 国际上广泛接受这种设备所测定获得的数据，在国内外很多领域都有应用。它的原理是用高压气体(如高压氮气)向一个密封的容器中充气加压，压力范围可调，一般为O 15bar(巴，压强单位)。土壤样品置于压力容器中，土壤样品下垫有特制陶瓷板，用于通过其排水。由于气体不能通过陶瓷板，因此，可以维持压力容器内的压力稳定。在稳定压力下进行排水，将稳定压力下土壤中排出的水分通过陶瓷板转移至压力容器外部，待土壤样品的排水完成，水分保持恒定后取出土壤样品，称重，烘干，再称重，测定土壤样品的含水量， 从而得到上述设定压力下对应的土壤含水量。在其他设定压力下，重复上述步骤，测出不同压力所对应的土壤含水量，则得到土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线测量的标准步骤如下。将饱和土壤样品放在充分饱和的陶瓷板上，要求土壤样品与陶瓷板建立可靠的水力连续，然后将其放入压力容器中加压，一般在陶瓷板上放置多个土壤样品。当在某一设定压力下达到水力平衡后，将一定数量的(一般为 3-6个)土壤样品取出，称重，烘干，再称重，计算该设定压力下土壤含水量。经烘干后的土壤样品不再重复使用。再用其余的土壤样品继续加压至下一设定压力，然后再将一定数量的土壤样品取出，称重，烘干，再称重，计算该设定压力下的土壤含水量。如此重复上述过程，直至完成需要测定的所有压力点及其对应的土壤含水量。这种标准方法需要制备大量的土壤样品，并且需要多次开启和关闭压力容器，在新的设定压力下重新加压平衡。上述步骤要消耗大量的时间，根据土壤类型及待测定压力点的数量，一般完成一条完整的土壤水分特征曲线测量需要I 3个月的时间，具体时间与被测量土壤的性质有关。土壤水分特征曲线测量还可以采用一种简化的测试步骤。其中，土壤样品的制备等步骤同上，测量步骤有一定差异。当待测土壤样品在压力室内达到水力平衡后，取出土壤样品，称量湿重；然后将取出的土壤样品(再饱和后)放入压力容器重新利用，并在土壤样品与陶瓷板接触面加水，使其保持可靠的水力连续。重复上述过程，直至完成所有测定压力点的测量。在最后一次取出土壤样品，称量湿重后，烘干，再称量干重，并计算所有测量压力点对应的土壤含水量。这种方法最大程度的减少了所需土壤样品的数量。但由于重复利用的土壤样品需要与陶瓷板重新建立水力连续，操作很难得到保证；同时，由于这种方式也需要在每个设定测试压力点下打开与密闭压力容器，取出土壤样品，并且重复利用的土壤样品与陶瓷板重新取得水力连续也要消耗时间。因此，这种简化的测试步骤消耗的时间较标准步骤更长，重复利用的土壤样品与陶瓷板重新取得水力连续可靠性较差，同时由于土壤滞后性的影响，测量的重复性或精度也难以保证。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种不需要制备大量土壤样品，能够保证可靠水力连续，测量效率及精度高，且在一定压力范围内能够连续自动完成土壤水分特征曲线测量的装置及其测量方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种土壤水分特征曲线测量装置，其特征在于它包括一压力容器、一电子天平、一陶瓷板部件、一套排水系统、一套进气系统和一控制器；所述压力容器包括压力锅体和设置在其顶部的压力容器盖；所述电子天平设置在所述压力锅体内，所述电子天平电连接所述控制器；所述陶瓷板部件设置在所述电子天平上，所述陶瓷板部件包括上下分层设置的陶瓷板和陶瓷板密封橡胶，所述陶瓷板上设置有一出水口 ；所述陶瓷板上设置有若干土壤样品；所述排水系统包括连接所述陶瓷板上所述出水口的出水管，所述出水管穿出所述压力锅体的端部上设置有一电磁阀，所述电磁阀电连接所述控制器；所述进气系统包括高压气源，所述高压气源通过进气管连接入所述压力锅体内，所述进气管上依次设置有电控减压阀和压力传感器；所述电控减压阀和压力传感器均电连接所述控制器；所述控制器设置在所述压力锅体的外部。所述陶瓷板部件通过若干支撑块设置在所述电子天平上。所述土壤样品包括土壤与环刀，所述土壤设置在所述环刀内。所述排水系统中的所述出水管包括一直接连接所述陶瓷板的所述出水口的柔性连接管，所述柔性连接管连接一锅体出水管，所述锅体出水管穿出所述压力锅体，所述电磁阀设置在所述锅体出水管上。上述一种土壤水分特征曲线测量装置的测量方法，其包括以下步骤1)根据需要测量的压力范围内的土壤水分特征曲线，选取若干压力等级的陶瓷板部件，每一个压力等级的陶瓷板部件对应一定的压力范围，按照压力等级从小到大的顺序对各陶瓷板部件上的土壤样品进行测量；2)将取得水力连续的若干土壤样品与一定压力等级的陶瓷板部件放置在压力锅体内的电子天平上；将陶瓷板上的出水口经出水管连接出压力锅体外；将压力锅体与压力容器盖密闭；将高压气源通过其上设置有电控减压阀和压力传感器的进气管连接入压力锅体内；3)通过控制器控制出水管上的电磁阀开启；4)通过控制器控制高压气源通过进气管向压力锅体内通入高压气体，同时控制电控减压阀和压力传感器，调节压力锅体内通入的高压气体，使高压锅体内达到与该压力等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的一个设定压力；5) 土壤样品内的水分经陶瓷板内部孔隙进入陶瓷板与陶瓷板密封橡胶之间形成的空间，然后经陶瓷板上的出水口，以及出水管流到压力锅体外；6)在该设定压力下，土壤吸力与压力容器内压力平衡后，不打开压力锅体，直接在压力锅体内测量土壤样品及电子天平上的所有实验装置的重量；增加压力至下一设定压力，平衡后称重；两次平衡后的重量差即为对应设定压力及压力差下土壤样品的排水重量；再次增加压力至下一设定压力，重复上述过程，直至该等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的测量结束；最后一次平衡后，打开压力容器，测量土壤样品的湿重，烘干土壤样品，测量土壤样品干重，计算最后一次设定压力对应的土壤含水量；由最后一次设定压力对应的土壤含水量及之前各个设定压力对应的排水量，依次计算各设定压力下的土壤含水量，完成该等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的土壤水分特征曲线测量；7)更换下一个压力等级的陶瓷板部件，重复步骤2)至6)，直至完成更换后的该压力等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的土壤水分特征曲线测量；8)将各个压力范围内的土壤水分特征曲线整理、组合，完成需要测量的压力范围内的整条土壤水分特征曲线。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明将制备好的土壤样品放入压力容器内充气加压，在设定测试压力下，土壤吸力与压力平衡后，不打开压力容器， 直接在压力容器内测量土壤样品及电子天平上所有实验装置的重量；增加压力至下一设定压力，待平衡后再称重；两次平衡后的重量差即为对应设定压力及压力差下土壤样品的排水重量；重复上述过程直至测量结束；最后一次平衡后，打开压力容器，测量土壤样品的湿重，烘干土壤样品，测量土壤样品干重，计算最后一次设定压力对应的土壤含水量；由最后一次设定压力对应的土壤含水量及之前各个设定压力对应的排水量，依次计算各设定压力下的土壤含水量，完成该压力范围内的土壤水分特征曲线测量；本发明由于不需要在每个设定压力下打开及密闭压力容器，不需要卸压与再次加压后的平衡过程，因此，缩短了测量时间，避免了土壤样品与陶瓷板重新取得水力连续的过程及由此带来的滞后性影响，从而最大程度地提高了测量效率及精度。2、本发明由于在压力容器内设置电子天平，可以直接在压力容器内测量土壤样品的排水量，土壤样品可以重复使用，因此，解决了在每个设定压力点均需一定数量的土壤样品，需要制备大量的土壤测试样品，以及该过程耗时较多等问题。3、本发明由于在每个测量压力点重复利用相同土壤样品，因此，解决了土壤与陶瓷板可靠的水力连续性的问题，以及重新湿润土壤样品带来的滞后效应等对测量精度的影响。4、 本发明的测量装置在控制器的控制下，各个执行部件协调配合，在各个平衡压力点的测量由装置自动完成，避免了多次称量的误差，提高了系统的测量精度。5、本发明装置在控制器的控制下，能够按照设定的测量步骤，在一定压力范围内，自动完成土壤水分特征曲线的测量，最大程度的降低了人力成本。本发明的测量过程完全在控制器的控制下自动完成，自动化程度高，不需要卸压与再次加压平衡过程，缩短了测量时间；不需要制备大量土壤样品， 能够保证土壤样品与陶瓷板可靠的水力连续，测量装置结构简单，方便实用，工作可靠，可广泛用于土壤水分特征曲线的测量过程中。
图I是本发明结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图I所示，本发明包括一压力容器I、一电子天平2、一陶瓷板部件3、一套排水系统4、一套进气系统5和一控制器6。本发明的压力容器I包括压力锅体11，压力锅体11顶部设置有压力容器盖12。本发明的电子天平2设置在压力锅体11内，电子天平2通过天平信号线21连接位于压力锅体11外部的控制器6。本发明的陶瓷板部件3设置在电子天平2上，电子天平2与陶瓷板部件3之间通过若干支撑块7支撑。陶瓷板部件3包括下上分层设置的陶瓷板密封橡胶31和陶瓷板32， 即陶瓷板密封橡胶31位于下层，陶瓷板32位于上层，陶瓷板32与陶瓷板密封橡胶32之间形成空间，陶瓷板32上设置有一出水口 33。陶瓷板32上设置有若干土壤样品8，土壤样品 8包括土壤81与环刀82，土壤81设置在环刀82内。本发明的排水系统4包括连接陶瓷板部件3的陶瓷板32上出水口 33的柔性连接管41，柔性连接管41的输出端对应连接一设置在压力锅体11上的锅体出水管42，锅体出水管42穿出压力锅体11的端部上设置有一微型电磁阀43 (出水口直径在5mm以下)，微型电磁阀43通过一电磁阀控制线44与控制器6连接。本发明的进气系统5包括高压气源51，高压气源51通过进气管52连接于压力锅体11内，进气管52上依次设置有电控减压阀53和压力传感器54 ;电控减压阀53通过阀门控制线55连接于控制器6，压力传感器54通过压力信号线56连接于控制器6。本发明装置的测量方法包括以下步骤。I)根据需要测量的压力范围内的土壤水分特征曲线，选取若干压力等级的陶瓷板部件3，每一个压力等级的陶瓷板部件3对应一定的压力范围，按照压力等级从小到大的顺序对各陶瓷板部件3上的土壤样品8进行测量；2)将取得可靠水力连续的若干土壤样品8与一定压力等级的陶瓷板部件3通过若干支撑块7放置在压力锅体11内的电子天平2上；将陶瓷板32上的出水口 33经柔性连接管41与锅体出水管42连接；将压力锅体11与压力容器盖12密闭；将高压气源51通过其上设置有电控减压阀53和压力传感器54的进气管52连接入压力锅体11内；3)通过控制器6控制锅体出水管42上的微型电磁阀43开启，即打开陶瓷板部件 3上的陶瓷板32上的出水口 33，使该出水口 33与锅体出水管42连通；4)通过控制器6控制高压气源51通过进气管52向压力锅体11内通入高压气体， 通过控制器6控制电控减压阀53和压力传感器54，调节通过进气管52向压力锅体11内通入的高压气体，使高压锅体11内达到与该压力等级的陶瓷板部件3对应的压力范围内的一个设定压力；5) 土壤样品8内的水分经陶瓷板32内部孔隙进入陶瓷板32与陶瓷板密封橡胶 31之间形成的空间，然后经陶瓷板32上的出水口 33、柔性连接管41、锅体出水管42和微型电磁阀43流出；6)各个设定压力下的土壤样品8及电子天平2上的所有实验装置的重量由置于压力锅体11内的电子天平2测量；在该设定测试压力点下，土壤吸力与压力容器I内压力平衡后，不打开压力锅体11，直接在压力锅体11内测量土壤样品8及电子天平2上的所有实验装置的重量；增加压力至下一设定压力，平衡后称重；两次平衡后的重量差即为对应设定压力及压力差下土壤样品的排水重量；再次增加压力至下一设定压力，重复上述过程，直至该等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的测量结束；最后一次平衡后，打开压力容器1， 测量土壤样品8的湿重，烘干土壤样品8，测量土壤样品8干重，计算最后一次设定压力对应的土壤含水量；由最后一次设定压力对应的土壤含水量及之前各个设定压力对应的排水量，依次计算各设定压力下的土壤含水量，完成该压力范围内的土壤水分特征曲线测量；7)更换下一个压力等级的陶瓷板部件3，重复步骤2)至6)，直至完成更换后的该等级的陶瓷板部件3对应的压力范围内的土壤水分特征曲线测量；8)将各个压力范围的土壤水分特征曲线整理、组合，完成需要测量的压力范围内的整条土壤水分特征曲线。
上述实施例中，可以设置若干不同压力等级的陶瓷板部件3，以满足特定压力范围内的土壤水分特征曲线测量。例如需要测量0至5bar压力范围的土壤水分特征曲线，可以采用两种压力等级的陶瓷板部件3，即Ibar的陶瓷板与5bar的陶瓷板。虽然只用5bar 的陶瓷板也可以完成0至5bar压力范围的土壤水分特征曲线，但平衡的时间就太长了，这是因为低压的陶瓷板孔隙大，排水快，达到平衡的时间就快，节省时间，所以在不同的压力范围内用若干不同的压力等级的陶瓷板就是为了最大限度的节省时间；lbar的陶瓷板当压力大于Ibar时，气体也能通过，起不到只排水不排气的作用，所以，Ibar的陶瓷板只适用于压力范围小于Ibar的情况。因此，该实施例用Ibar的陶瓷板和5bar的陶瓷板，测量0 至5bar压力范围的土壤水分特征曲线，其具体测量步骤如下。I)将上述土壤样品8充分饱和后，与Ibar的陶瓷板32通过若干支撑块7放置在置于压力锅体11内的电子天平2上；并将各陶瓷板32上出水口 33用柔性连接管41与锅体出水管42连接，将压力容器盖12与压力锅体11密封。2)通过控制器6控制锅体出水管42上的微型电磁阀43打开，即打开陶瓷板部件 3与压力锅体11外部连接的锅体出水管42。3)通过控制器6控制电控减压阀53设置压力锅体11内达到与Ibar的陶瓷板32 相对应的压力范围内的一个设定压力，土壤样品8中的水分流出压力锅体11，每隔设定的时间间隔称量土壤样品8及电子天平2上所有仪器部件的重量，当连续两次的称量结果相同时，认为在该设定压力下土壤样品8的吸力与设定压力取得了平衡，记录该设定压力下的平衡重量；控制器通过控制电控减压阀53设定压力锅体11内该压力范围内的下一设定压力，重复上述称量过程，直至记录这一设定压力下的平衡重量；两个设定压力下平衡重量的差值即为陶瓷板上所有土壤样品8在对应的压力及压力增量下的排水重量；重复上述过程，直至完成Ibar以内压力范围中的各个设定压力点的测量；最后一次平衡后，打开压力容器，测量土壤样品8的湿重，烘干土壤样品8，测量土壤样品8干重，计算最后一次设定压力对应的土壤含水量；由最后一次设定压力对应的土壤含水量及之前各个设定压力对应的排水量，依次计算各设定压力下的土壤含水量，完成0至Ibar范围内的土壤水分特征曲线测量；4)将Ibar的陶瓷板部件更换为5bar的陶瓷板部件，重复步骤I)至3)，完成I 5bar压力范围内的土壤水分特征曲线；5)将0 Ibar与I 5bar的土壤水分特征曲线整理、组合，完成0至5bar压力范围内的土壤水分特征曲线。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种土壤水分特征曲线测量装置，其特征在于它包括一压力容器、一电子天平、一陶瓷板部件、一套排水系统、一套进气系统和一控制器；所述压力容器包括压力锅体和设置在其顶部的压力容器盖；所述电子天平设置在所述压力锅体内，所述电子天平电连接所述控制器；所述陶瓷板部件设置在所述电子天平上，所述陶瓷板部件包括上下分层设置的陶瓷板和陶瓷板密封橡胶，所述陶瓷板上设置有一出水口 ；所述陶瓷板上设置有若干土壤样品；所述排水系统包括连接所述陶瓷板上所述出水口的出水管，所述出水管穿出所述压力锅体的端部上设置有一电磁阀，所述电磁阀电连接所述控制器；所述进气系统包括高压气源，所述高压气源通过进气管连接入所述压力锅体内，所述进气管上依次设置有电控减压阀和压力传感器；所述电控减压阀和压力传感器均电连接所述控制器；所述控制器设置在所述压力锅体的外部。
2.如权利要求I所述的一种土壤水分特征曲线测量装置，其特征在于所述陶瓷板部件通过若干支撑块设置在所述电子天平上。
3.如权利要求I所述的一种土壤水分特征曲线测量装置，其特征在于所述土壤样品包括土壤与环刀，所述土壤设置在所述环刀内。
4.如权利要求2所述的一种土壤水分特征曲线测量装置，其特征在于所述土壤样品包括土壤与环刀，所述土壤设置在所述环刀内。
5.如权利要求I或2或3或4所述的一种土壤水分特征曲线测量装置，其特征在于 所述排水系统中的所述出水管包括一直接连接所述陶瓷板的所述出水口的柔性连接管，所述柔性连接管连接一锅体出水管，所述锅体出水管穿出所述压力锅体，所述电磁阀设置在所述锅体出水管上。
6.一种如权利要求I 5任一项所述土壤水分特征曲线测量装置的测量方法，其包括以下步骤1)根据需要测量的压力范围内的土壤水分特征曲线，选取若干压力等级的陶瓷板部件，每一个压力等级的陶瓷板部件对应一定的压力范围，按照压力等级从小到大的顺序对各陶瓷板部件上的土壤样品进行测量；2)将取得水力连续的若干土壤样品与一定压力等级的陶瓷板部件放置在压力锅体内的电子天平上；将陶瓷板上的出水口经出水管连接出压力锅体外；将压力锅体与压力容器盖密闭；将高压气源通过其上设置有电控减压阀和压力传感器的进气管连接入压力锅体内；3)通过控制器控制出水管上的电磁阀开启；4)通过控制器控制高压气源通过进气管向压力锅体内通入高压气体，同时控制电控减压阀和压力传感器，调节压力锅体内通入的高压气体，使高压锅体内达到与该压力等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的一个设定压力；5)土壤样品内的水分经陶瓷板内部孔隙进入陶瓷板与陶瓷板密封橡胶之间形成的空间，然后经陶瓷板上的出水口，以及出水管流到压力锅体外；6)在该设定压力下，土壤吸力与压力容器内压力平衡后，不打开压力锅体，直接在压力锅体内测量土壤样品及电子天平上的所有实验装置的重量；增加压力至下一设定压力，平衡后称重；两次平衡后的重量差即为对应设定压力及压力差下土壤样品的排水重量；再次增加压力至下一设定压力，重复上述过程，直至该等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的测量结束；最后一次平衡后，打开压力容器，测量土壤样品的湿重，烘干土壤样品，测量土壤样品干重，计算最后一次设定压力对应的土壤含水量；由最后一次设定压力对应的土壤含水量及之前各个设定压力对应的排水量，依次计算各设定压力下的土壤含水量，完成该等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的土壤水分特征曲线测量；7)更换下一个压力等级的陶瓷板部件，重复步骤2)至6)，直至完成更换后的该压力等级的陶瓷板部件对应的压力范围内的土壤水分特征曲线测量；8)将各个压力范围内的土壤水分特征曲线整理、组合，完成需要测量的压力范围内的整条土壤水分特征曲线。
全文摘要
本发明涉及一种土壤水分特征曲线测量装置及其测量方法，其特征在于它包括压力容器、电子天平、陶瓷板部件、排水系统、进气系统和控制器；压力容器包括压力锅体和设置在其顶部的压力容器盖；电子天平设置在压力锅体内，电子天平电连接控制器；陶瓷板部件设置在电子天平上，陶瓷板部件包括上下分层设置的陶瓷板和陶瓷板密封橡胶，陶瓷板上设置有一出水口；陶瓷板上设置有若干土壤样品；排水系统包括连接陶瓷板上出水口的出水管，出水管穿出压力锅体的端部上设置有一电磁阀，电磁阀电连接控制器；进气系统包括高压气源，高压气源通过进气管连接于压力锅体内，进气管上依次设置有电控减压阀和压力传感器；电控减压阀和压力传感器均电连接控制器；控制器设置在压力锅体的外部。
文档编号G01N5/04GK102590016SQ20121003497
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者王伟, 雷廷武 申请人:中国农业大学