本發(fā)明涉及水文觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種室內(nèi)土箱土壤水分入滲自動(dòng)試驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

灌溉條件下土壤水分入滲是一種物理現(xiàn)象，受土壤質(zhì)地，灌溉方式、供水強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)、土壤前期含水量、地下水位等因素影響。定量描述土壤水分入滲過(guò)程是灌溉水利用的重要內(nèi)容，對(duì)于研究土壤入滲、提高灌溉水利用率等具有重要的理論意義和時(shí)間價(jià)值。

土壤入滲是指降落到地面的雨水從土壤表面滲入土壤形成土壤水的過(guò)程。土壤入滲是陸地水循環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)，它是降水、地表水、土壤水、以及地下水相互轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)。土壤入滲速率是表征土壤入滲快慢的重要參數(shù)，它是評(píng)價(jià)土壤水源涵養(yǎng)能力和抗侵蝕能力的重要指標(biāo)，也是模擬坡面水文與土壤侵蝕過(guò)程的基本輸入?yún)?shù)。土壤入滲速率的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于降雨入滲、坡面產(chǎn)流、坡面產(chǎn)沙、非點(diǎn)源污染的模擬和預(yù)測(cè)等具有重要意義。

目前對(duì)于土壤水入滲的測(cè)定主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是田間試驗(yàn)測(cè)定，一類(lèi)為室內(nèi)柱狀土箱測(cè)定。其中，田間試驗(yàn)常用測(cè)量方法包括單環(huán)法、雙環(huán)法、圓盤(pán)法、hood入滲儀、guelph入滲儀、人工模擬降雨法等。上述兩類(lèi)測(cè)定試驗(yàn)多為人工手動(dòng)測(cè)量。人工手動(dòng)測(cè)量需要實(shí)驗(yàn)人員長(zhǎng)時(shí)間觀察試驗(yàn)動(dòng)態(tài)并記錄數(shù)據(jù)，尤其是室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，需要試驗(yàn)者手動(dòng)為馬氏瓶補(bǔ)水。這無(wú)疑會(huì)占用實(shí)驗(yàn)人員大量的時(shí)間，另外手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)精度較差，而且存在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不易保存、處理等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種土壤水分入滲自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤入滲過(guò)程的自動(dòng)控制，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)等功能。

本發(fā)明所提供的土壤水分入滲自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括：工控機(jī)、含有進(jìn)水管道和出水管道的馬氏瓶、置于所述馬氏瓶中的液位傳感器、裝有土壤的土箱和置于所述土箱內(nèi)的微潤(rùn)管；

其中，所述馬氏瓶的進(jìn)水管道和出水管道上分別設(shè)有供水電磁閥和出水電磁閥，所述馬氏瓶的出水管道與所述微潤(rùn)管相連，所述工控機(jī)控制所述液位傳感器、供水電磁閥和出水電磁閥。

優(yōu)選地，所述土箱的一側(cè)設(shè)有小孔，所述微潤(rùn)管埋設(shè)在所述小孔所在的水平直線上。

優(yōu)選地，所述微潤(rùn)管通過(guò)單頭鎖扣直通與所述出水管道相連。

優(yōu)選地，所述單頭鎖扣直通的外徑大小與所述小孔的孔徑大小相等。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括置于所述土箱內(nèi)的土壤水分傳感器和用于實(shí)時(shí)采集土壤圖像信息的視頻采集器；所述土壤水分傳感器用于檢測(cè)和記錄土壤的水分含量；所述工控機(jī)控制所述土壤水分傳感器和視頻采集器。

優(yōu)選地，所述土壤水分傳感器置于所述微潤(rùn)管所在水平面的垂直方向上。

優(yōu)選地，在所述微潤(rùn)管所在水平面的垂直方向上，分別在5cm、10cm、15cm處放置7、5、3個(gè)土壤水分傳感器。

優(yōu)選地，在所述土箱遠(yuǎn)離與所述出水管道相連的另一側(cè)標(biāo)有刻度。

優(yōu)選地，所述視頻采集器設(shè)在土箱遠(yuǎn)離與所述出水管道相連的另一側(cè)，通過(guò)支架架高放置。

優(yōu)選地，所述土箱為透明有機(jī)玻璃材質(zhì)。

本發(fā)明的土壤水分入滲自動(dòng)控制系統(tǒng)有以下有益效果：

1)本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)并自動(dòng)為供水器補(bǔ)給灌溉水的功能，試驗(yàn)人員不必長(zhǎng)時(shí)間守在試驗(yàn)前觀察、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此可以有效解放人力資源；

2)系統(tǒng)測(cè)定方便，準(zhǔn)確度較高，適用于與土壤有關(guān)的水分入滲的測(cè)定工作，具有較高的使用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景；

3)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)直接傳送至工控機(jī)易于數(shù)據(jù)的保存和處理。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中土壤水分入滲自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中土壤水分傳感器放置剖面圖，a為水平剖面圖，b為垂直剖面圖，其中，○：土壤水分傳感器，□：微潤(rùn)管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明提供了一種土壤水分入滲自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：工控機(jī)10、含有進(jìn)水管道和出水管道的馬氏瓶1、置于馬氏瓶1中的液位傳感器2、裝有土壤的土箱11和置于土箱11內(nèi)的微潤(rùn)管6；

其中，馬氏瓶1的進(jìn)水管道和出水管道上分別設(shè)有供水電磁閥3和出水電磁閥4，馬氏瓶1的出水管道與微潤(rùn)管6相連，工控機(jī)10控制液位傳感器2、供水電磁閥3和出水電磁閥4。

其中，微潤(rùn)管6與馬氏瓶1的出水管道相連，工控機(jī)控制出水電磁閥4來(lái)使得馬氏瓶1與微潤(rùn)管6相連，向土箱中的土壤的供水通路由此連通。

工控機(jī)10對(duì)液位傳感器2的輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)模擬量到數(shù)字量的計(jì)算轉(zhuǎn)換，得到馬氏瓶1中的水位信息，當(dāng)馬氏瓶1中水位下降到下限值(補(bǔ)水液位)時(shí)，工控機(jī)10控制進(jìn)水電磁閥3打開(kāi)，對(duì)馬氏瓶中水量進(jìn)行補(bǔ)給；當(dāng)馬氏瓶1中水位上升到上限值(關(guān)閥液位)時(shí)，工控機(jī)10控制進(jìn)水電磁閥關(guān)閉；并可以記錄補(bǔ)水次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)馬氏瓶1的自動(dòng)補(bǔ)水的實(shí)時(shí)采集記錄。

本發(fā)明的系統(tǒng)更適用于室內(nèi)。

在土箱11的一側(cè)可以設(shè)有一小孔，置于土箱11中微潤(rùn)管可以埋設(shè)在該小孔所在的水平直線上，從而更好地通過(guò)微潤(rùn)管來(lái)連通土箱中土壤的供水通路。該小孔可以置于在土箱的左側(cè)。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，置于土箱11中的微潤(rùn)管可以通過(guò)單頭鎖扣直通與馬氏瓶的出水管道相連。

為了使監(jiān)控和監(jiān)測(cè)更加精確，小孔的孔徑大小與單頭鎖扣直通5的外徑大小相等。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，該系統(tǒng)中還可以包括置于土箱11內(nèi)的土壤水分傳感器7和用于實(shí)時(shí)采集土壤圖像信息的視頻采集器9；土壤水分傳感器7用于檢測(cè)和記錄土壤的水分含量；工控機(jī)10控制土壤水分傳感器7和視頻采集器9。

含有上述結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)也可以稱為室內(nèi)土箱土壤水分入滲自動(dòng)試驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，土壤水分入滲自動(dòng)控制系統(tǒng)中包括工控機(jī)10、含有進(jìn)水管道和出水管道的馬氏瓶1、置于馬氏瓶1中的液位傳感器2、裝有土壤的土箱11、置于土箱11內(nèi)的微潤(rùn)管6、置于土箱11內(nèi)的土壤水分傳感器7和用于實(shí)時(shí)采集土壤圖像信息的視頻采集器9；

其中，馬氏瓶1的進(jìn)水管道和出水管道上分別設(shè)有供水電磁閥3和出水電磁閥4，馬氏瓶1的出水管道與微潤(rùn)管6相連，土壤水分傳感器7用于檢測(cè)和記錄土壤的水分含量，工控機(jī)10控制液位傳感器2、供水電磁閥3、出水電磁閥4、土壤水分傳感器7和視頻采集器9。

工控機(jī)10控制出水電磁閥4，同時(shí)開(kāi)啟土壤水分傳感器7和視頻采集器9，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)定出水時(shí)間或是試驗(yàn)時(shí)間，當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，設(shè)定工控機(jī)在一定的時(shí)間間隔記錄一次土壤水分傳感器7的土壤水分含量，在一定的時(shí)間間隔獲取視頻采集器9中連續(xù)的圖像信息，分別對(duì)圖像信息通過(guò)圖像處理功能，獲取土壤濕潤(rùn)峰信息。

其中，可以先對(duì)獲取的圖像利用分割算法進(jìn)行圖像分割，然后利用圖像識(shí)別算法識(shí)別出濕潤(rùn)峰所達(dá)位置，通過(guò)與實(shí)際刻度的換算，計(jì)算出此時(shí)濕潤(rùn)峰的刻度信息。

在上述檢測(cè)過(guò)程中工控機(jī)同時(shí)對(duì)馬氏瓶1中的水位信息進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)其中水位發(fā)生變化時(shí)，可以按上述的調(diào)控方式進(jìn)行調(diào)控。

其中，可以在土箱11遠(yuǎn)離與出水管道相連的另一側(cè)標(biāo)有刻度，當(dāng)用于將微潤(rùn)管與出水管道相連的小孔設(shè)在土箱的左側(cè)時(shí)，可以在土箱的右側(cè)貼有刻度表。當(dāng)土箱上標(biāo)有刻度，可以使用刻度信息來(lái)表征土壤濕潤(rùn)峰信息。

即通過(guò)對(duì)圖像信息通過(guò)圖像處理功能，獲取土壤濕潤(rùn)峰信息，最后取均值。

為了使檢測(cè)更加精確，可以將土壤水分傳感器7置于微潤(rùn)管6所在水平面的垂直方向上。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在微潤(rùn)管6所在水平面的垂直方向上，可以設(shè)置多個(gè)土壤水分傳感器，為了使得到的信息更加準(zhǔn)確，進(jìn)一步優(yōu)選地是，分別在5cm、10cm、15cm處放置7、5、3個(gè)土壤水分傳感器，如圖2所示。

其中，視頻采集器9可以設(shè)在土箱遠(yuǎn)離與出水管道相連的另一側(cè)，通過(guò)支架8架高放置。當(dāng)小孔設(shè)在土箱的左側(cè)時(shí)，視頻采集器可以設(shè)在土箱的右側(cè)，放置的距離以采集到的視頻清楚為準(zhǔn)，通常為50cm處。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施中，可以將視頻采集器設(shè)置在土箱標(biāo)有刻度的一側(cè)，設(shè)置的距離以采集到的視頻清楚為準(zhǔn)。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中，土箱11可以為透明有機(jī)玻璃材質(zhì)。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，連接管道如進(jìn)水管道和出水管道可以分別通過(guò)pe管與馬氏瓶上的進(jìn)水口和出水口連接，即微潤(rùn)管6通過(guò)單頭鎖扣直通與pe管連接，最終與馬氏瓶1連通。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種土壤水分入滲自動(dòng)控制系統(tǒng)，也可稱室內(nèi)土箱微潤(rùn)灌溉條件下土壤水分入滲自動(dòng)試驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)，馬氏瓶1右下部的進(jìn)水管道上設(shè)置進(jìn)水電磁閥3，左下部的出水口管道上設(shè)置電磁閥4。馬氏瓶?jī)?nèi)部設(shè)置液位傳感器2。

土箱11左側(cè)打有小孔，孔徑大小與單頭鎖扣直通5的外徑大小相等，土箱右側(cè)貼有刻度表。微潤(rùn)管6埋設(shè)在土箱小孔所在水平直線上，通過(guò)單頭紐扣直通與pe管連接，最終與馬氏瓶1連通。微潤(rùn)管所在水平面的垂直方向上分別在5cm、10cm、15cm處放置7，5，3共15個(gè)土壤水分傳感器7，如圖2所示。土壤水分傳感器通過(guò)接口與工控機(jī)10連接。

在距離土箱標(biāo)有刻度一側(cè)50處，通過(guò)支架8架高，放置可以清晰拍攝土箱的視頻采集器9。液位傳感器2、供水電磁閥3、出水電磁閥4、視頻采集器9通過(guò)接口分別與工控機(jī)10連接。

工控機(jī)10對(duì)液位傳感器2的輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)模擬量到數(shù)字量的計(jì)算轉(zhuǎn)換，得到馬氏瓶1中的水位信息；當(dāng)馬氏瓶1中水位下降到下限值(補(bǔ)水液位)時(shí)，工控機(jī)10控制進(jìn)水電磁閥3打開(kāi)，對(duì)馬氏瓶中水量進(jìn)行補(bǔ)給；當(dāng)馬氏瓶1中水位上升到上限值(關(guān)閥液位)時(shí)，工控機(jī)10控制進(jìn)水電磁閥關(guān)閉，并記錄補(bǔ)水次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)馬氏瓶1的自動(dòng)補(bǔ)水的實(shí)時(shí)采集記錄。

試驗(yàn)周期設(shè)置為72小時(shí)，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，工控機(jī)10控制出水電磁閥4打開(kāi)并進(jìn)行計(jì)時(shí)操作，同時(shí)開(kāi)啟傳感器和視頻采集器。試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到72小時(shí)時(shí)，工控機(jī)10通過(guò)控制出水電磁閥4關(guān)閉結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中視頻采集器實(shí)時(shí)錄像，設(shè)定工控機(jī)10每隔30分鐘記錄一次土壤水分傳感器7的土壤水分含量，每隔30分鐘獲取視頻采集器10中連續(xù)的兩幀圖像信息，分別對(duì)兩幀圖像通過(guò)圖像處理功能(即先對(duì)獲取的圖像利用分割算法進(jìn)行圖像分割，然后利用圖像識(shí)別出濕潤(rùn)峰所達(dá)位置，通過(guò)與實(shí)際刻度的換算，計(jì)算出此時(shí)濕潤(rùn)峰的刻度信息)獲取土壤濕潤(rùn)峰在該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的刻度信息，最后取均值。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。