一次检测并将检测到的多个测试点处试验土样（4-1)的温度 信号和湿度信号传输给微控制器（13-1)，微控制器（13-1)再将其接收到的多个测试点处 试验土样（4-1)的温度信号和湿度信号通过串口通信电路（13-2)实时传输给计算机（8)， 计算机（8)接收并记录多个测试点处试验土样（4-1)的温度信号和湿度信号，并将各个 测试点处试验土样（4-1)的湿度信号记录为各个测试点处试验土样冻结前的初始含水率 步骤五、模拟冻土环境并测量试验土样冻结前的谷值含水率：调节冷热一体机（7)的 温度为冻土环境温度T4，模拟系统箱体（1)内的温度逐渐下降并达到冻土环境温度T4的过 程中，多个土壤温湿度传感器（33)分别对试验土样（4-1)的温度和湿度进行周期性检测并 将检测到的多个测试点处试验土样（4-1)的温度信号和湿度信号传输给微控制器（13-1)， 微控制器（13-1)再将其接收到的多个测试点处试验土样（4-1)的温度信号和湿度信号通 过串口通信电路（13-2)实时传输给计算机（8)，计算机（8)接收并记录各个采样时刻多个 测试点处试验土样（4-1)的温度信号和湿度信号，且对各个测试点处多个采样时刻的湿度 进行从大到小排列，并将各个测试点处排列在最后的湿度值记录为该测试点处试验土样冻 结前的谷值含水率θν; 步骤六、进行降雪模拟并测量试验土样冻结后的稳定含水率：调节冷热一体机（7) 的温度为降雪温度！\后，操作计算机（8)，启动降雪模式，计算机（8)通过串口通信电路 (13-2)发送降雪模式启动的信号给微控制器（13-1)，微控制器（13-1)通过第一电机驱动 器（13-6)驱动降雪电机（3-5)转动，降雪电机（3-5)带动旋转切冰刀（3-4)转动，切割冰 块（3-7)产生降雪，降雪过程中，超声波测距传感器（3-10)对其中一个所述储冰筒（3-3) 冰块（3-7)的下降高度进行实时检测并将检测到的冰块（3-7)的下降高度实时传输给微控 制器（13-1)，微控制器（13-1)将其接收到的冰块（3-7)的下降高度与单个冰块（3-7)的 下降高度限值h。进行比对，当冰块（3-7)的下降高度达到单个冰块（3-7)的下降高度限值 h。时，微控制器（13-1)通过第一电机驱动器（13-6)驱动降雪电机（3-5)停止转动，此时的 总降雪量达到了 Qz;同时，降雪过程中，多个土壤温湿度传感器（33)分别对试验土样（4-1) 的温度和湿度进行周期性检测并将检测到的多个测试点处试验土样的温度信号和湿度信 号传输给微控制器（13-1)，微控制器（13-1)再将其接收到的多个测试点处试验土样（4-1) 的温度信号和湿度信号通过串口通信电路（13-2)实时传输给计算机（8)，计算机（8)接收 并记录各个采样时刻多个测试点处试验土样（4-1)的温度信号和湿度信号，且对各个测试 点处多个采样时刻的湿度按照时间先后顺序进行排列，当相邻两个采样时刻的湿度差值小 于等于1%时，说明该测试点处试验土样（4-1)的湿度已稳定，将相邻两个采样时刻中后一 个采样时刻的湿度值记录为该测试点处试验土样冻结后的稳定含水率Θ f; 步骤七、进行太阳辐射热模拟：调节冷热一体机（7)的温度为降雪入渗温度1~2后，操作 计算机（8)，启动降雪入渗模式，计算机（8)通过串口通信电路（13-2)发送降雪入渗模式启 动的信号给微控制器（13-1)，微控制器（13-1)控制继电器（13-9)接通电热管（14)的供 电回路，电热管（14)开始加热，电热管（14)加热过程中，电热管温度传感器（29)对电热管 (14)的加热温度进行实时检测并将检测到的信号实时传输给微控制器（13-1)，微控制器 (13-1)将其接收到的加热温度检测值与电热管加热温度T3相比对，当加热温度检测值达到 电热管加热温度1~3时，微控制器（13-1)控制继电器（13-9)断开电热管（14)的供电回路， 电热管（14)停止加热，当加热温度检测值低于电热管加热温度1~3时，微控制器（13-1)控 制继电器（13-9)接通电热管（14)的供电回路，电热管（14)开始加热，从而使电热管（14) 的加热温度保持为T3;电热管（14)加热过程中，按下电热管左右运动按钮（13-3)或电热管 前后运动按钮（13-4)后，微控制器（13-1)控制电热管（14)在模拟系统箱体（1)内左右运 动或前后运动，进行太阳辐射热模拟； 步骤八、进行降雪入渗观测并测量试验土样消融后的稳定含水率和试验土样消融时的 峰值含水率：步骤七中的电热管（14)加热使步骤六中的降雪消融过程中，未渗入试验土 样（4-1)内的消融水从多个所述降雪径流量测量孔内流出并经过多根降雪径流量测量分 管（10-1)和降雪径流量测量总管（10-2)流入降雪径流量测量量杯（11)内；渗出试验土 样（4-1)内的消融水从多个所述降雪出渗量测量孔内流出并经过多根降雪出渗量测量分 管（10-3)和降雪出渗量测量总管（10-4)流入降雪出渗量测量量杯（12)内；同时，多个土 壤温湿度传感器（33)分别对试验土样（4-1)的温度和湿度进行周期性检测并将检测到的 多个测试点处试验土样的温度信号和湿度信号传输给微控制器（13-1)，微控制器（13-1) 再将其接收到的多个测试点处试验土样（4-1)的温度信号和湿度信号通过串口通信电路 (13-2)实时传输给计算机（8)，计算机（8)接收并记录各个采样时刻多个测试点处试验土 样（4-1)的温度信号和湿度信号，且对各个测试点处多个采样时刻的湿度按照时间先后顺 序进行排列，当相邻两个采样时刻的湿度差值小于等于1 %时，说明该测试点处试验土样 (4-1)的湿度已稳定，将相邻两个采样时刻中后一个采样时刻的湿度值记录为该测试点处 试验土样消融后的稳定含水率，而且，计算机（8)还对各个测试点处多个采样时刻的湿 度进行从大到小排列，并将各个测试点处排列在最前的湿度值记录为该测试点处试验土样 消融时的峰值含水率θρ;同时，流量传感器（9)对渗出试验土样（4-1)的消融水流量进行 周期性检测并将检测到的信号输出给微控制器（13-1)，微控制器（13-1)将其接收到的渗 出试验土样（4-1)的消融水流量通过串口通信电路（13-2)传输给计算机（8)，计算机（8) 调用流量曲线绘制模块绘制出渗出试验土样（4-1)的消融水流量随时间t变化的曲线；查 看显示在计算机（8)上的渗出试验土样（4-1)的消融水流量随时间t变化的曲线，当渗出 试验土样（4-1)的消融水流量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明降雪入渗已稳 定，此时，查看降雪径流量测量量杯（11)内未渗入试验土样（4-1)内的消融水的量，并将该 读数记录为降雪径流量Q];查看降雪出渗量测量量杯（12)内渗出试验土样（4-1)内的消融 水的量，并将该读数记录为降雪出渗量Q。； 步骤九：冻土水分迀移规律降雪入渗特征参数计算，具体过程为： 步骤901、根据公式Q Z-Q,，计算得到降雪入渗量Q1^ 步骤902、根据公式Δ S = Q1-Qe计算得到水分亏损量Δ S ; 步骤903、根据公式?: = ρ _计算得到降雪入渗率V」 / 步骤904、根据公式K 计算得到降雪出渗率V。； 步骤905、根据公式《 计算得到降雪入渗系数α ; 步骤903和步骤904中，t为时间。8. 按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤七中，按下电热管左右运动按钮 (13-3)或电热管前后运动按钮（13-4)，使电热管（14)在模拟系统箱体⑴内左右运动或 前后运动，进行太阳辐射热模拟的具体过程为：当按下电热管左右运动按钮（13-3)时，微 控制器（13-1)通过第二电机驱动器（13-7)驱动电热管左右运动电机（13-3)转动，电热 管左右运动电机（13-3)带动所述第三电热管左右运动链轮转动，所述第三电热管左右运 动链轮通过电热管左右运动链条（20)带动第一电热管左右运动链轮（25)转动，第一电热 管左右运动链轮（25)带动电热管左右主动运动导轮（26)转动，电热管左右主动运动导轮 (26)带动门字型框架（16)的一侧沿其中一条电热管左右运动导轨（18)运动，同时，电热管 左右从动运动导轮（25)带动门字型框架（16)的另一侧沿另一条电热管左右运动导轨（18) 从动，门字型框架（16)带动电热管前后运动小车（15)在模拟系统箱体⑴内左右运动，电 热管前后运动小车（15)带动电热管（14)在模拟系统箱体（1)内左右运动；当按下电热管 前后运动按钮（13-4)时，微控制器（13-1)通过第三电机驱动器（13-8)驱动电热管前后运 动电机（13-4)转动，电热管前后运动电机（22)带动所述第二电热管前后运动带轮转动，所 述第二电热管前后运动带轮带动所述电热管前后运动皮带（23)绕所述第二电热管前后运 动带轮和第一电热管前后运动带轮（24)转动，所述电热管前后运动皮带（23)带动电热管 前后运动小车（15)在模拟系统箱体（1)内前后运动，电热管前后运动小车（15)带动电热 管（14)在模拟系统箱体（1)内前后运动。9. 按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤三中电热管加热温度T 3的取值为 20°C~80°C，步骤五中冻土环境温度1\的取值为-20°C~30°C，步骤六中降雪温度T i的取 值为-25°C~0°C，步骤七中降雪入渗温度1~2的取值为-20°C~20°C。
【专利摘要】本发明公开了一种室内冻土水分迁移规律模拟系统，包括模拟系统箱体、冻土水分迁移规律特征参数测量系统和试验数据采集及控制器，以及冷热一体机、降雪模拟系统、地质模型系统和太阳辐射热模拟系统；降雪模拟系统包括降雪槽、固定支架和多个降雪点模拟机构；地质模型系统包括底座、地质模型槽、经纬格栅板和陶土板；太阳辐射热模拟系统包括电热管、电热管前后运动机构和电热管左右运动机构；冻土水分迁移规律特征参数测量系统包括土壤温度及含水率测量系统、降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统；本发明还公开了一种室内冻土水分迁移规律特征参数测定方法。本发明使用操作方便，为进一步研究降雪条件下冻土水分迁移规律提供了途径，实用性强。
【IPC分类】G01N33/24
【公开号】CN105158440
【申请号】CN201510545630
【发明人】毛正君, 魏荣誉
【申请人】西安科技大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月29日