一种针网式室内人工降雨试验系统及方法与流程

本发明属于土质研究领域，具体涉及一种针网式室内人工降雨试验系统及方法。

背景技术：

降雨引起的土壤中的水分运动和溶质迁移规律一直是农林、水土保持和岩土工程等领域研究的热点问题，而室外原位试验通常费时费力，经济成本大，因此通常开展室内人工模拟降雨试验来进行研究。一维试验是这类室内试验中较基础的一种，试验过程中，在圆柱形土柱上部模拟降雨，并在土柱内部埋设传感器来监测土样内部的各项参数的响应。

目前实验室中实现人工模拟降雨的方法有两种：

(1)在由针头组成的针网上方维持一恒定水头，在该水头下液体通过针头下落形成降雨，其优点是可以实现降雨的均匀分布，缺点是降雨强度无法实现实时调节，仅能进行恒定雨强试验，无法模拟实际降雨过程中降雨强度随时间而发生变化；

(2)采用水泵与雾化喷头的组合，水泵为喷头供水，并提供一定压力，流体通过喷头过程中被压缩分散形成锥形喷雾，此方法理论上可以实现降雨强度的调节，但降雨强度是降雨量、时间、降雨面积的函数，该类设备调节降雨量的同时必然要改变供水压力，而改变供水压力则会引起喷头喷射角的变化，导致实际降雨强度与设计值之间产生较大的误差，且降雨均匀性较差，因此在降雨的模拟中，该类设备通常也仅用于恒定雨强降雨的模拟。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种针网式室内人工降雨试验系统及方法解决了现有人工降雨实验系统降雨强度无法实时调节的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种针网式室内人工降雨试验系统，包括土样室模块、模拟降雨模块和控制模块；

所述土样室模块用于装载试验土样，提供传感器布设通道，收集土体表面产生的径流；

所述模拟降雨模块的输出端与土样室模块的输入端连接，其用于在土样室模块中进行人工模拟降雨试验；

所述控制模块的输出端与模拟降雨模块的输入端连接，其用于按照降雨强度-时间函数控制模拟降雨模块进行人工降雨模拟试验。

优选的，所述土样室模块包括径流收集口、柱形土样室、传感器布设通道、连接法兰、紧固螺栓、硅胶垫片、底部排水口、透水石、第一连接机构、第二连接机构、第三连接机构和第四连接机构；

所述柱形土样室包括两段圆柱体，第一段圆柱体与模拟降雨模块连接，第二段圆柱体为柱形土样室的主体，且其直径小于第一段圆柱体；

所述径流收集口安装在第一段圆柱体上，并靠近第二段圆柱体的一端，所述第二段圆柱体的一端与第一段圆柱体连接，第二段圆柱体的另一端安装有底部排水口和透水石，所述底部排水口设置在第二段圆柱体上，所述透水石设置在第二段圆柱体内部；

所述柱形土样室的第二段圆柱体上安装有第一连接机构、第二连接机构、第三连接机构和第四连接机构，且柱形土样室的第二段圆柱体被第一连接机构、第二连接机构、第三连接机构和第四连接机构分为多层，每个连接机构相同，均包括连接法兰、多个紧固螺栓和硅胶垫片，所述连接法兰和硅胶垫片通过多个紧固螺栓固定连接；每个连接机构上均设置有传感器布设通道。

采用上述优选方案的有益效果为：土样室模块结构简单，易于安装，方便传感器的布控，实验过程中实时采集土壤的数据，底部设有底部排水口，避免了实验时土样室的积水。

优选的，所述模拟降雨模块包括针网、三级管路、多通、二级管路、蠕动泵一级管路、水箱和步进电机；

所述针网安装在柱形土样室的第一段圆柱体内部，并通过三级管路与多通连接，所述多通通过二级管路与蠕动泵的输出端连接，所述蠕动泵安装在步进电机的输出端，其输入端通过一级管路与水箱连接。

优选的，所述蠕动泵的输入端用于进水，其输出端用于出水；

所述针网由多个等间距的9号针头组成；

所述三级管路、多通、二级管路和一级管路均为硅胶材质制成的管路。

采用上述优选方案的有益效果为：模拟降雨模块中采用的步进电机保证了出口降雨质量不受水箱中水位变化和连接管路中流量变化等因素的影响，实现了降雨强度控制的同时保证了降雨均匀度。

优选的，所述控制模块包括步进电机驱动器、直流电源、plc可编程控制器、编程电缆和计算机；

所述直流电源的输入端与220v的交流电连接，其输出端与步进电机驱动器的电源输入端连接；

所述plc可编程控制器的电源输入端与220v交流电连接，其24v+输出接口分别与步进电机驱动器的ena+接口、dir+接口和pul+接口电连接，其y0接口、y1接口和y3接口分别与步进电机驱动器的ena-接口、dir-接口和pul-接口通信连接，其程序读写接口通过编程电缆与计算机通信连接；

所述步进电机驱动器的a+接口、a-接口、b+接口和b-接口分别与步进电机的a+接口、a-接口、b+接口和b-接口一一对应连接。

优选的，所述直流电源输出电压为18v-24v。

采用上述优选方案的有益效果为：实现了降雨全过程自动控制，操作方便，减少了人工操作带来的误差。

一种使用针网式室内人工降雨试验系统进行人工降雨实验的方法，包括以下步骤：

s1、率定蠕动泵输出端的流量q与plc输出脉冲频率f的关系；

s2、进行人工降雨试验系统的土样填筑；

s3、给定雨强-时间函数r(t)与降雨持续时间d，根据调节精度将降雨持续时间d划分为n段，并计算每一段降雨持续时间对应的plc脉冲频率f；

s4、根据步骤s2得到的plc脉冲频率f，通过plc可编程控制器和步进电机驱动器进行降雨实验。

所述步骤s4包括以下分步骤：

s4.1、根据步骤s2得到的plc脉冲频率f，通过计算机设定好plc程序；

s4.2、将plc程序通过编程电缆传输至plc可编程控制器；

s4.3、通过plc程序和plc可编程控制器控制电机驱动器驱动步进电机工作；

s4.4、通过步进电机带动蠕动泵进而带动水箱中的水沿一级管路、二级管路、多通和三级管路送至针网；

s4.5、通过针网在土样室模块中进行降雨试验。

优选的，所述步骤s1中流量q与plc输出脉冲频率f的关系为：

q＝af+b(1)

其中，a和b为拟合参数。

优选的，所述步骤s3中每一段降雨持续时间对应的plc脉冲频率fk为：

其中，tk表示第k段降雨持续时间，tk-1表示第k-1段降雨持续时间，k＝1,2,...,n，s为土样面积。

采用上述优选方案的有益效果为：实现了人工模拟降雨过程中降雨强度的自动控制，降雨强度可按照用户给定的函数进行变化。

本发明的有益效果为：土样室模块结构简单，易于安装，方便传感器的布控，实验过程中实时采集土壤的数据，底部设有底部排水口，避免了实验时柱形土样室的积水。模拟降雨模块中采用的步进电机保证了针网的降雨质量不受水箱中水位变化和连接管路中流量变化的影响，实现了降雨强度控制的同时保证了降雨均匀度。控制模块实现了降雨全过程自动控制，操作方便，减少了人工操作带来的误差。

本发明实现了人工模拟降雨过程中降雨强度的自动控制，降雨强度可按照用户给定的函数进行变化。

附图说明

图1为本发明提出的一种针网式室内人工降雨试验系统示意图。

图2为本发明提出的土样室模块平面结构示意图。

图3为本发明提出的土样室模块立体结构示意图。

图4为本发明提出的控制模块电路图。

图5为本发明提出的一种使用针网式室内人工降雨试验系统的方法流程图。

其中：1-径流收集口、2-柱形土样室、3-传感器布设通道、4-连接法兰、5-紧固螺栓、6-硅胶垫片、7-底部排水口、8-透水石、9-第一连接机构、10-第二连接机构、11-第三连接机构、12-第四连接机构、13-针网、14-三级管路、15-多通、16-二级管路、17-蠕动泵、18-一级管路、19-水箱、20-步进电机、21-步进电机驱动器、22-直流电源、23-plc可编程控制器、24-编程电缆和25-计算机。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

下面结合附图详细说明本发明的一个实施例。

如图1所示，一种针网式室内人工降雨试验系统，包括土样室模块、模拟降雨模块和控制模块；

所述土样室模块用于装载试验土样，提供传感器布设通道，收集土体表面产生的径流；

所述模拟降雨模块的输出端与土样室模块的输入端连接，其用于在土样室模块中进行人工模拟降雨试验；

所述控制模块的输出端与模拟降雨模块的输入端连接，其用于按照降雨强度-时间函数控制模拟降雨模块进行人工降雨模拟试验。

模拟降雨模块包括针网13、三级管路14、多通15、二级管路16、蠕动泵17、一级管路18、水箱19和步进电机20；

针网13安装在柱形土样室2的第一段圆柱体内部，并通过三级管路14与多通15连接，所述多通15通过二级管路16与蠕动泵17的输出端连接，所述蠕动泵17安装在步进电机20的输出端，其输入端通过一级管路18与水箱19连接。

所述蠕动泵17的输入端用于进水，其输出端用于出水；

所述针网13由多个等间距的9号针头组成；

所述三级管路14、多通15、二级管路16和一级管路18均为硅胶材质制成的管路。

如图2和图3所示，土样室模块包括径流收集口1、柱形土样室2、传感器布设通道3、连接法兰4、紧固螺栓5、硅胶垫片6、底部排水口7、透水石8、第一连接机构9、第二连接机构10、第三连接机构11和第四连接机构12；

柱形土样室2包括两段圆柱体，第一段圆柱体与模拟降雨模块连接，第二段圆柱体为柱形土样室2的主体，且其直径小于第一段圆柱体；

径流收集口1安装在第一段圆柱体上，并靠近第二段圆柱体的一端，所述第二段圆柱体的一端与第一段圆柱体连接，第二段圆柱体的另一端安装有底部排水口7和透水石8，所述底部排水口7设置在第二段圆柱体上，所述透水石8设置在第二段圆柱体内部；

柱形土样室2的第二段圆柱体上安装有第一连接机构9、第二连接机构10、第三连接机构11和第四连接机构12，且柱形土样室2的第二段圆柱体被第一连接机构9、第二连接机构10、第三连接机构11和第四连接机构12分为多层，每个连接机构结构相同，均包括连接法兰4、多个紧固螺栓5和硅胶垫片6，所述连接法兰4和硅胶垫片6通过多个紧固螺栓5固定连接；每个连接机构上均设置有传感器布设通道3。

如图4所示，控制模块包括步进电机驱动器21、直流电源22、plc可编程控制器23、编程电缆24和计算机25。

直流电源22的输入端与220v的交流电连接，其输出端与步进电机驱动器21的电源输入端连接。

plc可编程控制器23的电源输入端与220v交流电连接，其24v+输出接口分别与步进电机驱动器21的ena+接口、dir+接口和pul+接口电连接，其y0接口、y1接口和y3接口分别与步进电机驱动器21的ena-接口、dir-接口和pul-接口通信连接，其程序读写接口通过编程电缆24与计算机25通信连接。

步进电机驱动器21的a+接口、a-接口、b+接口和b-接口分别与步进电机(20)的a+接口、a-接口、b+接口和b-接口一一对应连接。

所述直流电源22输出电压为18v-24v。

所述电机驱动器21用于驱动步进电机20转动，直流电源22用于控制模块直流供电，plc可编程控制器23和计算机25用于编制plc程序，编程电缆24用于plc可编程控制器23和计算机25之间的通信。

如图5所示，使用针网式室内人工降雨试验系统进行人工降雨试验的方法包括以下步骤：

s1、率定蠕动泵17输出端的流量q与plc输出脉冲频率f的关系；

s2、进行人工降雨试验系统的土样填筑；

s3、给定雨强-时间函数r(t)与降雨持续时间d，根据调节精度将降雨持续时间d划分为n段，并计算每一段降雨持续时间对应的plc脉冲频率f；

s4、根据步骤s2得到的plc脉冲频率f，通过plc可编程控制器23和步进电机驱动器21进行降雨实验。

所述步骤s4包括以下分步骤：

s4.1、根据步骤s2得到的plc脉冲频率f，通过计算机25设定好plc程序；

s4.2、将plc程序通过编程电缆24传输至plc可编程控制器23；

s4.3、通过plc程序和plc可编程控制器23控制电机驱动器21驱动步进电机20工作；

s4.4、通过步进电机20带动蠕动泵17进而带动水箱19中的水沿一级管路18、二级管路16、多通15和三级管路14送至针网13；

s4.5、通过针网13在土样室模块中进行降雨试验。

所述步骤s1中流量q与plc输出脉冲频率f的关系为：

q＝af+b(1)

其中，a和b为拟合参数；

在本实施例中，通过实验得到a和b的值，a＝0.2206，b＝-0.2825，所述步骤s1只在系统第一次使用时进行。

所述步骤s3中每一段降雨持续时间对应的plc脉冲频率fk为：

其中，tk表示第k段降雨持续时间，tk-1表示第k-1段降雨持续时间，k＝1,2,...,n，s为土样面积。

本发明提供的针网式室内人工降雨试验系统的工作原理为：率定蠕动泵17输出端的流量q与plc输出脉冲频率f的关系，进行人工降雨试验系统的土样填筑，给定雨强-时间函数r(t)与降雨持续时间d，根据调节精度将降雨持续时间d划分为n段，并计算每一段降雨持续时间对应的plc脉冲频率f，根据得到的plc脉冲频率f，通过plc可编程控制器23和步进电机驱动器21进行降雨实验。用户通过plc程序设定好降雨时间和降雨强度，然后将设定好的程序通过编程电缆24传输到plc可编程控制器23中，plc可编程控制器23实时发送降雨命令给步进电机驱动器21，步进电机驱动器21实时驱动步进电机20开始工作，步进电机20带动蠕动泵17带动水箱19中的水依次通过一级管路18、二级管路16、多通16和三级管路14运输至针网13，针网13在土样室模块中完成降雨试验。降雨时间与降雨强度为对应关系，每个降雨时间段内都有相应的降雨强度，等待用户设定降雨时间结束后，降雨试验结束。

本发明的土样室模块结构简单，易于安装，方便传感器的布控，实验过程中实时采集土壤的数据，底部设有底部排水口7，避免了实验时柱形土样室2的积水。模拟降雨模块中采用的步进电机20保证了针网13的降雨质量不受水箱19中水位变化和连接管路中流量变化的影响，实现了降雨强度控制的同时保证了降雨均匀度。控制模块实现了降雨全过程自动控制，操作方便，减少了人工操作带来的误差。

本发明实现了人工模拟降雨过程中降雨强度的自动控制，降雨强度可按照用户给定的函数进行变化。