一种恒定压力水头精准控制实验装置的制作方法

本发明涉及实验量测仪器技术领域，具体涉及一种恒压恒温供液装置。

背景技术：

土壤饱和导水率是土壤重要的物理性质之一，是估计土壤非饱和导水率，计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要参数，其测定方法包括定水头渗透仪法、变水头渗透仪法、模拟降雨法等，而这些测定方法均离不开恒压供液装置。

现有马氏瓶在供液过程中，若需调节液压，需将马氏瓶作相对高程的移动，或将马氏瓶中进液管作相对高程的移动，这远远不能满足试验的要求且相对麻烦，容易对试验结果造成影响。使用马氏瓶做实验的过程中，不同的人有不同的读数习惯，主要体现为仰视和俯视读数，并且在实验过程中，封闭筒体内会产生大量的气泡，以至于封闭筒体内的液面一直动荡，所以人工读数会不可避免的产生误差。与此同时，马氏瓶中的液温随环境温度的变化而变化，这给很多研究领域需要对不同恒定液温状况下的均匀流进行研究带来了麻烦。在实验过程中，需要长时间人工守候，以至于工作量大；实验数据需要人工读取，造成实验精度低等。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述已存在的问题，根据不同研究领域的设计需求，研究设计一种恒定压力水头精准控制实验装置，旨在解决人工操作繁琐，工作量大，自动化程度低，以解决试验不够方便、试验精度不够高的缺点。

本发明采用的技术方案：包括第一封闭筒体1、第二封闭筒体7、增压泵20，所述第一封闭筒体1固定在底座15上，第二封闭筒体7固定在柜体21上；第一封闭筒体1上端设有排气管3，第一封闭筒体1下端外侧设有出液管4，第一封闭筒体1中设有进液管2并延伸至第一封闭筒体1外，第二封闭筒体7上端设有第一连通管5，进液管2和第一连通管5相连通，第一连通管5通过第二连通管6与第一封闭筒体1相连； 所述进液管2上设有第三控制开关12，第一连通管5上设有第四控制开关13和第一调压阀17，第二连通管6上设有第五控制开关14，排气管3上设有第二控制开关11，出液管4上设有第一控制开关10、差压式流量计；第一控制开关10用于液流的控制，第二控制开关11、第三控制开关12、第四控制开关13、第五控制开关14用于控制气流。

所述第一封闭筒体1外侧设有显示屏38，第一封闭筒体1底端两侧分别设有第一半导体制冷片30和第二半导体制冷31，第一封闭筒体1内侧设有第一感温线34和第二感温线35；

所述增压泵20固定在柜体21中，增压泵20上设有第二导气管22与第二封闭筒体7相连，增压泵20上还设有第一导气管18与供气部分相连；第二导气管22上设有气阀23、第二截断塞门26、第二调压阀24、第三气压表28和第四气压表29，第一导气管18上设有空气净化器19、第一截断塞门25和第二气压表27；

所述进液管2通过固定栓8固定在第一封闭筒体1内。

所述第一调压阀17设置在第一连通管5与第二连通管6之间。

所述差压式流量计孔板9、引压管32和差压计33，所述差压计33通过第一导线36与显示屏38连接。

所述第一半导体制冷片30和第二半导体制冷片31通过第二导线37与显示屏38连接。

本发明的工作原理：本发明基于马氏瓶设计了一种外接装置，利用增压泵工作原理，提供高气压；利用调压阀，提供稳定气压；利用马氏瓶工作原理，通过改变内部气压值，调节单位流量；利用铜热电阻的双工温度控制原理，实现恒温下液体均匀流；利用差压式流量计原理，实现数据自动测量。

本发明的工作过程：注液：关闭止液夹第一控制开关10、第四控制开关13、第五控制开关14，打开第二控制开关11、第三控制开关12，从进液管2中注入试验所用液体，试验所用液体满足试验所需之后停止注入，关闭第二控制开关11、第三控制开关12，此时第一封闭筒体1和进液管2中液面高程相同。

设温：根据要求，在显示屏38上设置预置温度和温度显示间隔时间，通过选择开关S1实现实测温度或预置温度的显示，将液体的温度调至预置温度。测量数据经第二导线37输出，最终显示在显示屏38上。

调压：打开第一截断塞门25和第二截断塞门26，通过增压泵20在气源较低情况下，将气压升至增压泵20可承受的高度；根据要求及第二气压表27和第三气压表28的数据显示，通过调节第二调压阀24，设置气压值，该气压值略大于实际设计气压值（实际设计气压值即可转化为原始马氏瓶作相对高程的移动，或将原始马氏瓶中进液管作相对高程的移动时调节的液压值）。

加压：打开第四控制开关13、第五控制开关14，待第一气压表16的读数略大于试验所需气压值时，调节第一调压阀17，使其值为气压设计值。此时第一封闭筒体1和进液管2中液面高程仍然相同。

测量：在显示屏38上设置流量（流速）显示间隔时间，关闭第四控制开关13、第五控制开关14，打开第一控制开关10，待进液管2中的液体流至管底后，出液管4中的液流即为均匀流。当出液管4中有液体流出的同时，差压计33上的指针开始转动，测量数据经第一导线36输出，最终显示在显示屏38上。

本发明的有益效果：实现在不同液温环境下均匀流的研究；简便试验操作，提高试验精度，方便实验数据提取。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的恒压供气装置示意图；

图3为本发明的恒压排液装置示意图；

图4为本发明的温度显示控制电路图；

图5为本发明的半导体制冷片外观图；

图6为本发明的半导体制冷片原理示意图；

图7为本发明的差压式流量计图；

图中各标号：1—第一封闭筒体，2—进液管，3—排气管，4—出液管，5—第一连通管，6—第二连通管，7—第二封闭筒体，8—固定栓，9—孔板，10—第一控制开关，11—第二控制开关，12—第三控制开关，13—第四控制开关，14—第五控制开关，15—底座，16—第一气压表，17—第一调压阀，18—第一导气管，19—空气净化器，20—增压泵，21—柜体，22—第二导气管，23—气阀，24—第二调压阀，25—第一截断塞门，26—第二截断塞门，27—第二气压表，28—第三气压表，29—第四气压表，30—第一半导体制冷片，31—第二半导体制冷片，32—引压管，33—差压计，34—第一感温线，35—第二感温线，36—第一导线，37—第二导线，38—显示屏，39—红色显示灯，40—绿色显示灯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：如图1-3所示：本恒定压力水头精准控制实验装置包括第一封闭筒体1、第二封闭筒体7、增压泵20，所述第一封闭筒体1固定在底座15上，第二封闭筒体7固定在柜体21上；第一封闭筒体1上端设有排气管3，第一封闭筒体1下端外侧设有出液管4，第一封闭筒体1中设有进液管2并延伸至第一封闭筒体1外，第二封闭筒体7上端设有第一连通管5，进液管2和第一连通管5相连通，第一连通管5通过第二连通管6与第一封闭筒体1相连； 所述进液管2上设有第三控制开关12，第一连通管5上设有第四控制开关13和第一调压阀17，第二连通管6上设有第五控制开关14，排气管3上设有第二控制开关11，出液管4上设有第一控制开关10、差压式流量计；

所述第一封闭筒体1外侧设有显示屏38，第一封闭筒体1底端两侧分别设有第一半导体制冷片30和第二半导体制冷31，第一封闭筒体1内侧设有第一感温线34和第二感温线35；

所述增压泵20固定在柜体21中，增压泵20上设有第二导气管22与第二封闭筒体7相连，增压泵20上还设有第一导气管18与供气部分相连；第二导气管22上设有气阀23、第二截断塞门26、第二调压阀24、第三气压表28和第四气压表29，第一导气管18上设有空气净化器19、第一截断塞门25和第二气压表27；

所述进液管2通过固定栓8固定在第一封闭筒体1内。

所述第一调压阀17设置在第一连通管5与第二连通管6之间。

所述差压式流量计孔板9、引压管32和差压计33，所述差压计33通过第一导线36与显示屏38连接。

所述第一半导体制冷片30和第二半导体制冷片31通过第二导线37与显示屏38连接。

恒压排液：关闭第一控制开关10、第四控制开关13、第五控制开关14，打开第二控制开关11、第三控制开关12，试验所用液体从进液管2中注入，待试验所用液体满足试验所需之后停止注入，关闭第二控制开关11、第三控制开关12，打开第四控制开关13、第五控制开关14，此时第一封闭筒体1和进液管2中液面高度一致；往第一连通管5和第二连通管6中注入目标气体；关闭第五控制开关14，打开第一控制开关10；待进液管2中的液体流至管底后，出液管4中的液体流即为均匀流。

气压调控：打开第四控制开关13和第五控制开关14，通过第二导气管22往第二封闭筒体7中注入目标气体；待第一气压表16显示超过设计值时，调节第一调压阀17，使其值为气压设计值；关闭第五控制开关14，第二导气管22保持稳定供气，此时从第一连通管5中过第一调压阀17后流出的气体所产生的气压即为试验设计气压。

恒压供气：本恒压供气装置通过增压泵20在气源较低情况下，将气压升至增压泵20可承受的高度，通过第二调压阀24调整气压，保证出气口一致恒压输出；空气净化器19可以净化空气中的油、水、尘埃等，减小装置的设备损伤；第二气压表27、第三气压表28和第四气压表29分别安装在不同阶段的导气管上，三个压力表的精度达到0.2，能够使使用者直观的了解使用过程中各个阶段的压力；第一截断塞门25和第二截断塞门26可直接控制气体进出；增压泵20的输出端自带有气阀23，当气压过大时，可以自动排出气体。

实施例2：如图5所示：采用铜热电阻测量，铜热电阻R_T在-50~+150℃温度范围内的阻值与温度成线性关系。该控制器的测控温范围为-50~+150℃，检测精度为±0.1℃，控温精度为±0.3℃。该温控装置的温度显示控制器主要由温度检测放大电路和比较器组成；A1~A3及外围电路构成温度检测放大电路，A4等组成比较器。该温控装置采用半导体制冷片调控温差，半导体制冷片的温差范围为-130~+90℃，它是由N型半导体材料和P型半导体材料联结成的热电偶对，当其有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。

（1）温度显示：通过选择开关S1可实现实测温度或预置温度的显示。当选择开关S1接1时，数字电压表接A3的输出，显示屏38上显示实测温度。当选择开关S1接2时，数字电压表接RP3的滑动端，显示屏38上显示预置温度。经数据转换将温度显示在显示屏38上，隔一固定时间测量、显示一次。

（2）温度控制：通过选择开关S2可实现对第一封闭筒体1内的液体进行温度控制。比较器的参考电压由R₁₁、R₉、R_P3和R₁₀构成的分压电路产生，通过R_P3可以调节不同的预置电压。放大器A3输出与RT检测的温度成比例的电压。由S2切换，使这两个电压分别输入到A4的同相输入端和反相输入端。

制冷控制：当S2倒向1、2时，通过R_P3调节的预置电压加到A4的反相输入端，与温度成比例的A3输出电压加到A4的同相输入端。若A3输出电压高于预置电压，表明实测温度高于预置温度，A4输出高电平，VT1和VT2导通，继电器KA得电吸合，接通第一半导体制冷片30，红色显示灯39亮，表明在制冷，此时电流由N型半导体材料流向P型半导体材料的接头，吸收热量，成为冷端；反之，A4输出低电平，VT1和VT2截止，绿色显示灯40亮，表明处于保温状态。

加热控制：当S2倒向3、4时，通过R_P3调节的预置电压加到A4的同相输入端，与温度成比例的A3输出电压加到A4的反相输入端。若A3输出电压低于预置电压，表明实测温度低于预置温度，A4输出高电平，VT1和VT2导通，继电器KA得电吸合，接通第二半导体制冷片31，红色显示灯39亮，表明在加热，如图5-6所示：此时电流由P型半导体材料流向N型半导体材料的接头，释放热量，成为热端；反之，A4输出低电平，VT1和VT2截止，绿色显示灯40亮，表明处于保温状态。

实施例3：如图7所示：所述差压式流量计包括孔板9、引压管32和差压计33。

差压式流量计由一次装置和二次装置组成，一次装置称为流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量（流速）成比例的压力差，供二次装置进行流量显示；二次装置称为显示仪表，它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示。该压差式流量计由显示装置、节流装置和差压计组成，节流装置是安装在流体流动的管道中的节流元件。该测量装置将管道中流体的瞬时流量转换为管路内节流装置的前后压力差。经数据转换将水压、液体流量、流速等显示在显示屏38上，隔一固定时间测量、显示一次。

第一调压阀17显示工作气压；红色显示灯39在液温调节中提示制热或制冷过程，绿色显示灯40在液温调节中提示保温过程；智能温控装置用于液温调控，智能测量装置用于液体流量测量，两个智能装置通过第一导线36和第二导线37输出，经前置放大器放大成为0~5V的电压信号送至多路转换器，多路转换器将根据命令选择一路信号送至A/D转换器，A/D转换器将输入的信号转换为数字信号传入显示器中，并在显示屏38上显示测量结果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。