专利名称：基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水利科研仪器技术领域，具体涉及一种基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统。
背景技术：
现有的称重式蒸渗仪可分为液压式、机械式、电子式等，其均要求被测量土体的体积和重量大，则土体中水分总重量大，而由于在测定过程中待测土体中水分的实际变化量比较小，利用宽范围的测定装置去感受较小的变化特征，难以获得较高精度的测定，这也是现有称重式蒸渗仪难以获得需要的测量精度的根本原因
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，与现有技术相比，能实现较高精度的土体水分变化量测定。本实用新型所采用的技术方案是，一种基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，包括第一支点，第一支点的一侧斜上方设置有第二支点，第一支点的另一侧斜上方设置有用于放置待测土体的土箱，土箱的底部设置有竖直方向的弹性支撑件，第一支点上安装有第一杠杆，第二支点上安装有第二杠杆，第一杠杆一力臂的端部与土箱的底部刚性连接，第一杠杆一侧力臂上安装有第一配重块且端部通过连接杆与第二杠杆相连接，第二杠杆上连接有连接杆的力臂上还安装有第二配重块，第二杠杆的另一侧力臂上连接有称重传感器，称重传感器上连接有用于获得待测土体水分变化量的数据处理装置。连接杆为竖直方向设置。第二配重块和称重传感器分别位于第二杠杆的两个力臂的端部。弹性支撑件包括均匀设置的多个支撑弹簧，各支撑弹簧的底部均固定在下夹板上，各支撑弹簧的顶部均固定在上夹板上，土箱放置在上夹板上并通过该上夹板与第一杠杆连接。上夹板上对应各支撑弹簧的固定位置上均焊接有竖直内筒，上夹板上位于各内筒的内部均开有通气孔，各支撑弹簧设置在对应的内筒中，且支撑弹簧的底部与对应内筒的内壁固定连接，下夹板上对应支撑弹簧的固定位置上均焊接有竖直向外筒，各外筒设置在对应内筒的外侧，各外筒内均注有润滑液。连接杆的两端部均安装有刀片，第一杠杆和第二杠杆与连接杆相连接的部位均安装有与所述刀片相配合的刀托。数据处理装置包括与称重传感器相连接的数据采集单元，数据采集单元上连接有用于将模拟信号转为数字信号的信号转换单元，信号转换单元上连接有用于计算待测土体水分变化量的信号处理单元，信号处理单元上连接有显示单元。本实用新型改变了现有称重式蒸渗仪的基本结构，在土箱下方设置弹性支撑件以构成弹性平衡承重系统，能把待测土体中固体的重量基本平衡掉，再利用第一杠杆和第二杠杆等构成的杠杆传力系统将待测土体中水分重量的微小变化传递出来，采用称重传感器测定第二杠杆端部输出的荷载变化，最后通过数据处理装置对传感器数据进行处理，从而测出待测土体的重量变化量，即从待测土体中作物蒸腾、土壤蒸发或降雨、灌溉等入渗的水量。本实用新型的有益效果是结构简便，制作成本低，使用方便能实现较高精度的土体水分变化量测定，并对测量的数据进行实时在线快速分析处理和处理；能自由设定采样间隔，做到采集的高速化、准确化，增强了稳定性和可靠性，大大提高了工作效率。
图I是本实用新型基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统的结构示意图；图2是本实用新型中上夹板、支撑弹簧和下夹板的装配图； 图3是本实用新型中的数据处理装置框图；图4是本实用新型第一杠杆和第二杠杆的受力分析图。其中，I.支撑弹簧，2.第一杠杆，3.第一支点，4.第一配重块，5.连接杆，6.外筒，7.内筒，8.润滑液，9.第二杠杆，10.第二配重块，11.上夹板，12.下夹板，13.通气孔，14.第二支点，15.称重传感器，16. 土箱，17.数据采集单元，18.信号转换单元，19.信号处理单元，20.显示单元。
具体实施方式
如图I所示，本实用新型基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，包括第一支点3，第一支点3的一侧斜上方设置有第二支点14，第一支点3的另一侧斜上方设置有用于放置待测土体的土箱16。土箱16的底部设置有竖直方向的弹性支撑件。第一支点3上安装有第一杠杆2。第二支点14上安装有第二杠杆9。第一杠杆2 —力臂的端部与土箱16的底部刚性连接，第一杠杆2 —侧力臂上安装有第一配重块4且端部通过连接杆5与第二杠杆9相连接，连接杆5为竖直方向设置。第二杠杆9上连接有连接杆5的力臂上还安装有第二配重块10，第二杠杆9的另一侧力臂上连接有称重传感器15，第二配重块10和称重传感器15分别位于第二杠杆9的两个力臂的端部。如图2所示，弹性支撑件包括均匀设置的多个支撑弹簧I。各支撑弹簧I的底部均固定在下夹板12上，各支撑弹簧I的顶部均固定在上夹板11上，土箱16放置在上夹板11上并通过该上夹板11与第一杠杆2连接。上夹板11上对应支撑弹簧I的固定位置上均焊接有竖直内筒7，上夹板11上位于各内筒7的内部均开有通气孔13，各支撑弹簧I设置在对应的内筒7中，且各支撑弹簧I的底部与对应内筒7的内壁固定连接，下夹板12上对应各支撑弹簧I的固定位置上均焊接有竖直向外筒6，各外筒6设置在对应内筒7的外侧，各外筒6内均注有润滑液8。对应的内筒7和外筒6以及润滑液8能有效降低由于震荡、温度变化以及由于潮湿空气与支撑弹簧I发生电化学腐蚀等对支撑弹簧I的影响，达到良好的稳定和减震效果。连接杆5的两端部均安装有刀片，第一杠杆2和第二杠杆9与连接杆5相连接的部位均安装有与所述刀片相配合的刀托。由于一般情况下待测土体的体积和重量大，而所需测量的水分变化量却很小，则要求本实用新型能够承受大荷载、且测量精度高和敏感度要高，因此第一杠杆2和第二杠杆9与连接杆5均以刀片、刀托的形式互相承接进行力的传递，由于刀片和刀托是线接触，而不是传统的面接触，这样可以有效地将接触点到支点的距离保持在一个基本不变的长度范围，从而减小因受力点的位置变化对杠杆传力系统所造成的系统误差。如图3所示，称重传感器15上连接有数据处理装置。数据处理装置包括与称重传感器15相连接的数据采集单元17，数据采集单元17上连接有用于将模拟信号转为数字信号的信号转换单元18，信号转换单元18上连接有用于计算待测土体水分变化量的信号处理单元19,信号处理单元19上连接有显示单元20。本实用新型中，支撑弹簧I、外筒6、内筒7、上夹板11和下夹板12共同构成弹性平衡承重系统，第一杠杆2、第一支点3、第一配重块4、连接杆5、第二杠杆9、第二支点14和第二配重块10构成杠杆传力系统。一般情况下，待测土样的体积和重量大，为了测出待测土样每天腾发或入渗的微小变化量，首先利用弹性平衡承重系统将土体中固体的重量基本平衡掉，留下较小的重量由第一杠杆2平衡；第一杠杆2给予待测土体的支撑力由第一配重块 4提供，并将第一杠杆2与连接杆5连接，当待测土体重量变化时，该变化的重量则由连接杆5平衡；在把力传递给第二杠杆9上时，第二配重块10预置给称重传感器15 —个初始的受力，且此第二杠杆9与连接杆5连接，当连接杆5上所受的力变化时，则此变化的力将传递给称重传感器15，称重传感器15将原来的机械量转换为电量；最后通过数据处理装置根据称重传感15输出的模拟信号获得待测土体水分变化量。本实用新型工作状态初始化称重传感器15因两个配重块而产生的输出值标定为受力大小的基准零点。如图4所示，本实用新型的测量原理遵守受力平衡原则系统最初设定待测土体力平衡P = nF+ ε P,弹簧底座连接杠杆受力ε PXX = GXY，连接传感器杠杆受力G' XY' = RXZ',当待测土体发生腾发作用或外界补水时，产生Λ P，此时，土样变化量力平衡ΛΡ = Δ ε P,弹簧底座连接杠杆受力变化Λ ε PXX = TXZ,连接传感器杠杆受力变化Τ' XX' = ARXZ'，其中，P为待测土体原重量；F为每个支撑弹簧I的支撑力；ε P为第一杠杆2的支撑力；G和G'分别为第一配重块4和第二配重块10的重量；R为称重传感器15初始受力；n为支撑弹簧I的数量；Λ P为待测土体因为蒸渗而产生的重量变化；Λ ε P为第一杠杆5提供的支撑力变化大小；T为连接杆5上的受力大小；Τ'与T互为作用力与反作用力；Λ R为称重传感器15受力的变化大小；X为力ε P到支点的距离；Y为第一配重块4产生的力G到支点距离；Y'为第二配重块10产生的力G'到支点的距离；[0040]Z'为称重传感器15受力点到支点的距离；X'为连接杆5与第一杠杆2相连接的点到支点的距离；Z为连接杆5与第一杠杆2相连接的点到支点的距离； 测得AR，便可以反推出ΛΡ，从而推出因腾发或外界补水作用导致待测土体的重量改变的变化量，以此来达到测定蒸渗量大小变化的效果。
权利要求1.一种基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，包括第一支点(3)，所述第一支点(3)的一侧斜上方设置有第二支点(14)，所述第一支点(3)的另一侧斜上方设置有用于放置待测土体的土箱(16)，所述土箱(16)的底部设置有竖直方向的弹性支撑件，所述第一支点(3)上安装有第一杠杆(2)，所述第二支点(14)上安装有第二杠杆(9)，所述第一杠杆(2) —力臂的端部与土箱(16)的底部刚性连接，所述第一杠杆(2) —侧力臂上安装有第一配重块(4)且端部通过连接杆(5)与第二杠杆(9)相连接，所述第二杠杆(9)上连接有连接杆(5)的力臂上还安装有第二配重块(10)，所述第二杠杆(9)的另一侧力臂上连接有称重传感器(15)，所述称重传感器(15)上连接有用于获得待测土体水分变化量的数据处理装置。
2.按照权利要求I所述的基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，所述连接杆(5)为竖直方向设置。
3.按照权利要求I或2所述的基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，所述第二配重块(10)和称重传感器(15)分别位于第二杠杆(9)的两个力臂的端部。
4.按照权利要求I或2所述的基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，所述弹性支撑件包括均匀设置的多个支撑弹簧(I)，所述各支撑弹簧(I)的底部均固定在下夹板(12)上，所述各支撑弹簧(I)的顶部均固定在上夹板(11)上，所述土箱(16)放置在上夹板(11)上并通过该上夹板(11)与第一杠杆(2)连接。
5.按照权利要求4所述的基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，所述上夹板(11)上对应各支撑弹簧(I)的固定位置上均焊接有竖直内筒(7)，所述上夹板(11)上位于各内筒(7)的内部均开有通气孔(13)，所述各支撑弹簧(I)设置在对应的内筒(7)中，且支撑弹簧⑴的底部与对应内筒(7)的内壁固定连接，所述下夹板(12)上对应支撑弹簧(I)的固定位置上均焊接有竖直向外筒￠)，所述各外筒(6)设置在对应内筒(7)的外侧，所述各外筒(6)内均注有润滑液(8)。
6.按照权利要求I或2所述的基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，所述连接杆(5)的两端部均安装有刀片，所述第一杠杆(2)和第二杠杆(9)与连接杆(5)相连接的部位均安装有与所述刀片相配合的刀托。
7.按照权利要求I或2所述的基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，其特征在于，所述数据处理装置包括与称重传感器(15)相连接的数据采集单元(17)，所述数据采集单元(17)上连接有用于将模拟信号转为数字信号的信号转换单元(18)，所述信号转换单元(18)上连接有用于计算待测土体水分变化量的信号处理单元(19)，所述信号处理单元(19)上连接有显示单元(20)。
专利摘要本实用新型公开了一种基于弹簧平衡的高精度杠杆式称重蒸渗系统，包括第一支点，第一支点的一侧斜上方设置有第二支点另一侧斜上方设置有土箱，土箱的底部设置有弹性支撑件，第一支点上安装有第一杠杆，第二支点上安装有第二杠杆，第一杠杆一力臂的端部与土箱的底部刚性连接，第一杠杆一侧力臂上安装有第一配重块且端部通过连接杆与第二杠杆相连接，第二杠杆上连接有连接杆的力臂上还安装有第二配重块，第二杠杆的另一侧力臂上连接有称重传感器，称重传感器上连接有用于获得待测土体水分变化量的数据处理装置。本实用新型与现有技术相比，能实现较高精度的土体水分变化量测定。
文档编号G01N5/00GK202649069SQ20122014728
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者张建丰, 张蕾, 耿小江 申请人:西安理工大学, 西安碧水环境新技术有限公司