一种室内土箱土壤水分入渗自动试验测定系统的制作方法

本发明涉及水文观测技术领域，更具体地，涉及一种室内土箱土壤水分入渗自动试验测定系统。

背景技术：

灌溉条件下土壤水分入渗是一种物理现象，受土壤质地，灌溉方式、供水强度和时长、土壤前期含水量、地下水位等因素影响。定量描述土壤水分入渗过程是灌溉水利用的重要内容，对于研究土壤入渗、提高灌溉水利用率等具有重要的理论意义和时间价值。

土壤入渗是指降落到地面的雨水从土壤表面渗入土壤形成土壤水的过程。土壤入渗是陆地水循环的关键一环，它是降水、地表水、土壤水、以及地下水相互转化的重要环节。土壤入渗速率是表征土壤入渗快慢的重要参数，它是评价土壤水源涵养能力和抗侵蚀能力的重要指标，也是模拟坡面水文与土壤侵蚀过程的基本输入参数。土壤入渗速率的准确测定对于降雨入渗、坡面产流、坡面产沙、非点源污染的模拟和预测等具有重要意义。

目前对于土壤水入渗的测定主要分为两类，一类是田间试验测定，一类为室内柱状土箱测定。其中，田间试验常用测量方法包括单环法、双环法、圆盘法、hood入渗仪、guelph入渗仪、人工模拟降雨法等。上述两类测定试验多为人工手动测量。人工手动测量需要实验人员长时间观察试验动态并记录数据，尤其是室内试验时，需要试验者手动为马氏瓶补水。这无疑会占用实验人员大量的时间，另外手动测量数据精度较差，而且存在实验数据不易保存、处理等问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种土壤水分入渗自动控制系统，可以实现对土壤入渗过程的自动控制，同时还可以实现实验数据的采集存储等功能。

本发明所提供的土壤水分入渗自动控制系统，包括：工控机、含有进水管道和出水管道的马氏瓶、置于所述马氏瓶中的液位传感器、装有土壤的土箱和置于所述土箱内的微润管；

其中，所述马氏瓶的进水管道和出水管道上分别设有供水电磁阀和出水电磁阀，所述马氏瓶的出水管道与所述微润管相连，所述工控机控制所述液位传感器、供水电磁阀和出水电磁阀。

优选地，所述土箱的一侧设有小孔，所述微润管埋设在所述小孔所在的水平直线上。

优选地，所述微润管通过单头锁扣直通与所述出水管道相连。

优选地，所述单头锁扣直通的外径大小与所述小孔的孔径大小相等。

优选地，所述系统还包括置于所述土箱内的土壤水分传感器和用于实时采集土壤图像信息的视频采集器；所述土壤水分传感器用于检测和记录土壤的水分含量；所述工控机控制所述土壤水分传感器和视频采集器。

优选地，所述土壤水分传感器置于所述微润管所在水平面的垂直方向上。

优选地，在所述微润管所在水平面的垂直方向上，分别在5cm、10cm、15cm处放置7、5、3个土壤水分传感器。

优选地，在所述土箱远离与所述出水管道相连的另一侧标有刻度。

优选地，所述视频采集器设在土箱远离与所述出水管道相连的另一侧，通过支架架高放置。

优选地，所述土箱为透明有机玻璃材质。

本发明的土壤水分入渗自动控制系统有以下有益效果：

1)本发明系统实现自动测定试验数据并自动为供水器补给灌溉水的功能，试验人员不必长时间守在试验前观察、记录试验数据。因此可以有效解放人力资源；

2)系统测定方便，准确度较高，适用于与土壤有关的水分入渗的测定工作，具有较高的使用价值和广泛的应用前景；

3)系统采集的数据直接传送至工控机易于数据的保存和处理。

附图说明

图1为本发明一个优选实施方式中土壤水分入渗自动控制系统的结构示意图；

图2为本发明一个优选实施方式中土壤水分传感器放置剖面图，a为水平剖面图，b为垂直剖面图，其中，○：土壤水分传感器，□：微润管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供了一种土壤水分入渗自动控制系统，该系统包括：工控机10、含有进水管道和出水管道的马氏瓶1、置于马氏瓶1中的液位传感器2、装有土壤的土箱11和置于土箱11内的微润管6；

其中，马氏瓶1的进水管道和出水管道上分别设有供水电磁阀3和出水电磁阀4，马氏瓶1的出水管道与微润管6相连，工控机10控制液位传感器2、供水电磁阀3和出水电磁阀4。

其中，微润管6与马氏瓶1的出水管道相连，工控机控制出水电磁阀4来使得马氏瓶1与微润管6相连，向土箱中的土壤的供水通路由此连通。

工控机10对液位传感器2的输出电流进行实时监测，并通过模拟量到数字量的计算转换，得到马氏瓶1中的水位信息，当马氏瓶1中水位下降到下限值(补水液位)时，工控机10控制进水电磁阀3打开，对马氏瓶中水量进行补给；当马氏瓶1中水位上升到上限值(关阀液位)时，工控机10控制进水电磁阀关闭；并可以记录补水次数，从而实现对马氏瓶1的自动补水的实时采集记录。

本发明的系统更适用于室内。

在土箱11的一侧可以设有一小孔，置于土箱11中微润管可以埋设在该小孔所在的水平直线上，从而更好地通过微润管来连通土箱中土壤的供水通路。该小孔可以置于在土箱的左侧。

在一个优选实施方式中，置于土箱11中的微润管可以通过单头锁扣直通与马氏瓶的出水管道相连。

为了使监控和监测更加精确，小孔的孔径大小与单头锁扣直通5的外径大小相等。

在一个优选实施方式中，该系统中还可以包括置于土箱11内的土壤水分传感器7和用于实时采集土壤图像信息的视频采集器9；土壤水分传感器7用于检测和记录土壤的水分含量；工控机10控制土壤水分传感器7和视频采集器9。

含有上述结构的系统也可以称为室内土箱土壤水分入渗自动试验测定系统。

在一个优选实施方式中，土壤水分入渗自动控制系统中包括工控机10、含有进水管道和出水管道的马氏瓶1、置于马氏瓶1中的液位传感器2、装有土壤的土箱11、置于土箱11内的微润管6、置于土箱11内的土壤水分传感器7和用于实时采集土壤图像信息的视频采集器9；

其中，马氏瓶1的进水管道和出水管道上分别设有供水电磁阀3和出水电磁阀4，马氏瓶1的出水管道与微润管6相连，土壤水分传感器7用于检测和记录土壤的水分含量，工控机10控制液位传感器2、供水电磁阀3、出水电磁阀4、土壤水分传感器7和视频采集器9。

工控机10控制出水电磁阀4，同时开启土壤水分传感器7和视频采集器9，本领域技术人员可以根据需要来设定出水时间或是试验时间，当达到设定时间时，设定工控机在一定的时间间隔记录一次土壤水分传感器7的土壤水分含量，在一定的时间间隔获取视频采集器9中连续的图像信息，分别对图像信息通过图像处理功能，获取土壤湿润峰信息。

其中，可以先对获取的图像利用分割算法进行图像分割，然后利用图像识别算法识别出湿润峰所达位置，通过与实际刻度的换算，计算出此时湿润峰的刻度信息。

在上述检测过程中工控机同时对马氏瓶1中的水位信息进行监控，当其中水位发生变化时，可以按上述的调控方式进行调控。

其中，可以在土箱11远离与出水管道相连的另一侧标有刻度，当用于将微润管与出水管道相连的小孔设在土箱的左侧时，可以在土箱的右侧贴有刻度表。当土箱上标有刻度，可以使用刻度信息来表征土壤湿润峰信息。

即通过对图像信息通过图像处理功能，获取土壤湿润峰信息，最后取均值。

为了使检测更加精确，可以将土壤水分传感器7置于微润管6所在水平面的垂直方向上。

在一个优选实施方式中，在微润管6所在水平面的垂直方向上，可以设置多个土壤水分传感器，为了使得到的信息更加准确，进一步优选地是，分别在5cm、10cm、15cm处放置7、5、3个土壤水分传感器，如图2所示。

其中，视频采集器9可以设在土箱远离与出水管道相连的另一侧，通过支架8架高放置。当小孔设在土箱的左侧时，视频采集器可以设在土箱的右侧，放置的距离以采集到的视频清楚为准，通常为50cm处。在本发明一个优选实施中，可以将视频采集器设置在土箱标有刻度的一侧，设置的距离以采集到的视频清楚为准。在本发明一个实施方式中，土箱11可以为透明有机玻璃材质。

在本发明的系统中，连接管道如进水管道和出水管道可以分别通过pe管与马氏瓶上的进水口和出水口连接，即微润管6通过单头锁扣直通与pe管连接，最终与马氏瓶1连通。

实施例1

如图1所示，一种土壤水分入渗自动控制系统，也可称室内土箱微润灌溉条件下土壤水分入渗自动试验测定系统，马氏瓶1右下部的进水管道上设置进水电磁阀3，左下部的出水口管道上设置电磁阀4。马氏瓶内部设置液位传感器2。

土箱11左侧打有小孔，孔径大小与单头锁扣直通5的外径大小相等，土箱右侧贴有刻度表。微润管6埋设在土箱小孔所在水平直线上，通过单头纽扣直通与pe管连接，最终与马氏瓶1连通。微润管所在水平面的垂直方向上分别在5cm、10cm、15cm处放置7，5，3共15个土壤水分传感器7，如图2所示。土壤水分传感器通过接口与工控机10连接。

在距离土箱标有刻度一侧50处，通过支架8架高，放置可以清晰拍摄土箱的视频采集器9。液位传感器2、供水电磁阀3、出水电磁阀4、视频采集器9通过接口分别与工控机10连接。

工控机10对液位传感器2的输出电流进行实时监测，并通过模拟量到数字量的计算转换，得到马氏瓶1中的水位信息；当马氏瓶1中水位下降到下限值(补水液位)时，工控机10控制进水电磁阀3打开，对马氏瓶中水量进行补给；当马氏瓶1中水位上升到上限值(关阀液位)时，工控机10控制进水电磁阀关闭，并记录补水次数，从而实现对马氏瓶1的自动补水的实时采集记录。

试验周期设置为72小时，试验开始时，工控机10控制出水电磁阀4打开并进行计时操作，同时开启传感器和视频采集器。试验时间达到72小时时，工控机10通过控制出水电磁阀4关闭结束试验。试验过程中视频采集器实时录像，设定工控机10每隔30分钟记录一次土壤水分传感器7的土壤水分含量，每隔30分钟获取视频采集器10中连续的两帧图像信息，分别对两帧图像通过图像处理功能(即先对获取的图像利用分割算法进行图像分割，然后利用图像识别出湿润峰所达位置，通过与实际刻度的换算，计算出此时湿润峰的刻度信息)获取土壤湿润峰在该时刻对应的刻度信息，最后取均值。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。