一種土壤水分入滲參數(shù)測量裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種土壤水分入滲參數(shù)測量裝置，屬于農(nóng)田水利科研儀器技術(shù)領(lǐng)域。所述測量裝置包括雙環(huán)系統(tǒng)(1)以及馬利奧特瓶系統(tǒng)(2)，其特征在于，所述測量裝置還包括：液位計(jì)以及液位監(jiān)控器(4)；所述液位計(jì)位于所述馬利奧特瓶系統(tǒng)(2)中的馬利奧特瓶瓶體(21)內(nèi)部，所述液位計(jì)用于獲取所述馬利奧特瓶瓶體(21)內(nèi)的液位數(shù)據(jù)以及采集所述液位數(shù)據(jù)的時間；所述液位計(jì)與所述液位監(jiān)控器(4)電連接，所述液位監(jiān)控器(4)用于記錄所述液位數(shù)據(jù)以及采集所述液位數(shù)據(jù)的時間，并根據(jù)所述液位數(shù)據(jù)以及采集所述液位數(shù)據(jù)的時間計(jì)算所述土壤水分入滲參數(shù)。該測量裝置實(shí)現(xiàn)了土壤水分入滲參數(shù)測量的自動化，降低勞動強(qiáng)度，提高測量精度。
【專利說明】
一種土壤水分入滲參數(shù)測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及農(nóng)田水利科研儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種土壤水分入滲參數(shù)測 量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤入滲特性是影響地面灌溉過程的重要因素，是地面灌溉工程設(shè)計(jì)的重要依 據(jù)。而土壤入滲參數(shù)是土壤入滲特性的定量表現(xiàn)，其測量方法是地面灌溉研究的重要內(nèi)容 之一。
[0003] 雙環(huán)入滲法是目前土壤入滲參數(shù)測量中最常用的方法。采用雙環(huán)入滲法測量土壤 入滲參數(shù)時所用的測量裝置包括:雙環(huán)系統(tǒng)和馬利奧特瓶系統(tǒng)。其中，雙環(huán)系統(tǒng)包括內(nèi)外兩 個直徑不相等的圓環(huán)，馬利奧特瓶系統(tǒng)包括馬利奧特瓶以及設(shè)置在馬利奧特瓶內(nèi)的通氣 管。在測量過程中，將內(nèi)環(huán)和外環(huán)插入土層一定深度，利用馬利奧特瓶系統(tǒng)向內(nèi)環(huán)注水，連 續(xù)觀測并記錄馬利奧特瓶內(nèi)水位隨時間的變化，當(dāng)水位變化相對穩(wěn)定，即相同時間間隔內(nèi) 水位下降的絕對值趨于一致時，則認(rèn)為該點(diǎn)土壤水分入滲過程已基本穩(wěn)定，測量結(jié)束。
[0004] 在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過程中，設(shè)計(jì)人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:現(xiàn)有的土 壤入滲參數(shù)測量裝置中，需要工作人員用肉眼觀測馬利奧特瓶的水位變化，并且人工不間 斷記錄水位動態(tài)變化過程，不僅精確度較低并且工作量較大。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種能夠自動測量、自動記錄水位 變化、自動計(jì)算土壤水分入滲參數(shù)并且精確度高、所需人工較少的土壤水分入滲參數(shù)測量 裝置。
[0006] 具體而言，包括以下技術(shù)方案：
[0007] -種土壤水分入滲參數(shù)測量裝置，所述測量裝置包括雙環(huán)系統(tǒng)以及馬利奧特瓶系 統(tǒng)，所述測量裝置還包括:液位計(jì)以及液位監(jiān)控器;所述液位計(jì)位于所述馬利奧特瓶系統(tǒng)中 的馬利奧特瓶瓶體內(nèi)部，所述液位計(jì)用于獲取所述馬利奧特瓶瓶體內(nèi)的液位數(shù)據(jù)以及采集 所述液位數(shù)據(jù)的時間；所述液位計(jì)與所述液位監(jiān)控器電連接，所述液位監(jiān)控器用于記錄所 述液位數(shù)據(jù)以及采集所述液位數(shù)據(jù)的時間，并根據(jù)所述液位數(shù)據(jù)以及采集所述液位數(shù)據(jù)的 時間計(jì)算所述土壤水分入滲參數(shù)。
[0008] 進(jìn)一步地，所述液位計(jì)為磁致伸縮液位計(jì)。
[0009] 進(jìn)一步地，所述馬利奧特瓶系統(tǒng)中的馬利奧特瓶瓶口處設(shè)置有第一密封塞;所述 第一密封塞上設(shè)置有第一通孔、第二通孔以及第三通孔;所述第一通孔用于固定所述磁致 伸縮液位計(jì)的電子倉;所述第二通孔用于固定所述馬利奧特瓶系統(tǒng)中的通氣管，所述第三 通孔用于向所述馬利奧特瓶瓶體內(nèi)部注水。
[0010] 進(jìn)一步地，所述馬利奧特瓶瓶體內(nèi)部還設(shè)置有雙環(huán)箍，所述雙環(huán)箍上設(shè)置有用于 固定所述磁致伸縮液位計(jì)的探測桿的通孔以及用于固定所述通氣管的通孔。
[0011] 進(jìn)一步地，所述馬利奧特瓶瓶體下端設(shè)置有出水口，所述出水口連接有導(dǎo)水管，所 述導(dǎo)水管上設(shè)置有閥門。
[0012] 進(jìn)一步地，所述雙環(huán)系統(tǒng)包括內(nèi)環(huán)以及外環(huán);所述內(nèi)環(huán)的頂端設(shè)置有內(nèi)環(huán)受力臺， 所述內(nèi)環(huán)的側(cè)面設(shè)置有內(nèi)環(huán)提把;所述外環(huán)的頂端設(shè)置有外環(huán)受力臺，所述外環(huán)的側(cè)面設(shè) 置有外環(huán)提把。
[0013] 進(jìn)一步地，所述內(nèi)環(huán)的頂端設(shè)置有多個內(nèi)環(huán)受力臺，所述多個內(nèi)環(huán)受力臺沿所述 內(nèi)環(huán)的圓周方向均勻分布;所述外環(huán)的頂端設(shè)置有多個外環(huán)受力臺，所述多個外環(huán)受力臺 沿所述外環(huán)的圓周方向均勻分布。
[0014] 進(jìn)一步地，所述液位監(jiān)控器為工控機(jī)，所述液位監(jiān)控器包括機(jī)箱，所述機(jī)箱上設(shè)置 有觸摸屏以及接線端口；所述觸摸屏用于顯示所述土壤水分入滲參數(shù)以及用于輸入操作指 令;所述接線端口用于連接所述液位計(jì)。
[0015] 進(jìn)一步地，所述機(jī)箱上上設(shè)置有多個接線端口，每個接線端口與一臺液位計(jì)連接。
[0016] 進(jìn)一步地，所述機(jī)箱上還設(shè)置有報警器。
[0017] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0018] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種具備自動測量、自動記錄以及自動擬合計(jì)算功能的 土壤水分入滲參數(shù)測量裝置。該測量裝置中，利用設(shè)置在馬利奧特瓶瓶體內(nèi)部的液位計(jì)獲 取液位數(shù)據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間，液位監(jiān)控器則對液位數(shù)據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間 進(jìn)行記錄，并根據(jù)液位數(shù)據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間計(jì)算土壤水分入滲參數(shù)。本實(shí)施例新 型實(shí)施例提供的測量裝置實(shí)現(xiàn)了土壤水分入滲參數(shù)測量的自動化，一方面降低工作人員的 勞動強(qiáng)度，便于野外測量，另一方面提高土壤水分測量的精確度。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的 測量裝置適用于各類型的土壤水分參數(shù)測量，尤其適用于測量灌區(qū)田間土壤水分入滲參 數(shù)。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需 要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí) 施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其他的附圖。
[0020] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置中雙環(huán)箍的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0022] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置中雙環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0023] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置中液位控制器的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0024] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置的尺寸示意圖。
[0025] 圖中的附圖標(biāo)記分別表示：
[0026] 1-雙環(huán)系統(tǒng)；
[0027] II-內(nèi)環(huán)；111-內(nèi)環(huán)受力臺；112-內(nèi)環(huán)提把；
[0028] 12-外環(huán)；121-外環(huán)受力臺；122-外環(huán)提把；
[0029] 2-馬利奧特瓶系統(tǒng)；
[0030] 21-馬利奧特瓶瓶體;22-通氣管;23-馬利奧特瓶基座;24-出水口；
[0031] 25-第一密封塞；
[0032] 26-第二密封塞；
[0033] 3-磁致伸縮液位計(jì)；
[0034] 31-電子倉;32-探測桿;33-液位浮球;34-鎖緊環(huán)；
[0035] 4-液位監(jiān)控器；
[0036] 41-機(jī)箱;42-觸摸屏;43-報警器;44-充電口及電源開關(guān);45-USB接口；
[0037] 46-接線端口；
[0038] 5-雙環(huán)箍；
[0039] 6-閥門；
[0040] 7-導(dǎo)水管；
[0041] 8-信號及電源線。
【具體實(shí)施方式】
[0042]為使本實(shí)用新型的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型實(shí)施 方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。除非另有定義，本實(shí)用新型實(shí)施例所用的所有技術(shù)術(shù)語均具有 與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的相同的含義。
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 本實(shí)施例提供一種土壤水分入滲參數(shù)測量裝置，參見圖1，該測量裝置包括雙環(huán)系 統(tǒng)1以及馬利奧特瓶系統(tǒng)2,該測量裝置還包括:液位計(jì)以及液位監(jiān)控器4。液位計(jì)位于馬利 奧特瓶系統(tǒng)2中的馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)部，液位計(jì)用于獲取馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)的液位數(shù) 據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間；液位計(jì)與液位監(jiān)控器4電連接，液位監(jiān)控器4用于記錄液位數(shù) 據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間，并根據(jù)液位數(shù)據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間計(jì)算土壤水分入滲 參數(shù)。
[0045]本實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置中，利用設(shè)置在馬利奧特瓶瓶體21內(nèi) 部的液位計(jì)獲取液位數(shù)據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間，液位監(jiān)控器4則對液位數(shù)據(jù)以及采集 液位數(shù)據(jù)的時間進(jìn)行記錄，并根據(jù)液位數(shù)據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間計(jì)算土壤水分入滲參 數(shù)。該測量裝置具備自動測量、自動記錄以及自動擬合計(jì)算的功能，實(shí)現(xiàn)了土壤水分入滲參 數(shù)測量的自動化，一方面降低工作人員的勞動強(qiáng)度，便于野外測量，另一方面提高土壤水分 測量的精確度。該測量裝置適用于各類型的土壤水分參數(shù)測量，尤其適用于測量灌區(qū)田間 土壤水分入滲參數(shù)。
[0046]進(jìn)一步地，本實(shí)施例中所用的液位計(jì)優(yōu)選采用磁致伸縮液位計(jì)3。參見圖1，磁致伸 縮液位計(jì)3包括：電子倉31、探測桿32、液位浮球33以及鎖緊環(huán)34。電子倉31與探測桿32彼此 連接。液位浮球33套設(shè)在探測桿32上，并且能夠隨水位的變化沿探測桿32滑動，鎖緊環(huán)34固 定在探測桿32的下端，對液位浮球33進(jìn)行限位。磁致伸縮液位計(jì)3在工作時，電子倉31內(nèi)的 電子電路產(chǎn)生起始脈沖，該起始脈沖作用于探測桿32內(nèi)的波導(dǎo)絲并產(chǎn)生一個環(huán)形磁場，該 環(huán)形磁場以光速沿波導(dǎo)絲向下傳播，當(dāng)該磁場與液位浮球3 3中的磁環(huán)形成的磁場相遇時， 磁場相疊加導(dǎo)致波導(dǎo)絲瞬間發(fā)生形變，稱為磁致形變，并伴隨產(chǎn)生一個應(yīng)變電流脈沖，該應(yīng) 變電流脈沖信號沿波導(dǎo)絲兩端傳播，當(dāng)傳播至探測桿32上端時，被所述應(yīng)變電流脈沖檢測 電路接收，電流脈沖發(fā)生的時間和被接收的時間差乘以其傳播速度即為電子倉31和液位浮 球33之間的距離。根據(jù)上述原理，磁致伸縮液位計(jì)3能夠獲取液位數(shù)據(jù)及采集液位數(shù)據(jù)的時 間。磁致伸縮液位計(jì)3與液位監(jiān)控器4之間通過信號及電源線8連接。磁致伸縮液位計(jì)3的具 體型號本實(shí)施例不作特殊限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況，例如測量精度要求、馬 利奧特瓶瓶體21尺寸等選擇合適型號的磁致伸縮液位計(jì)3。
[0047] 本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以采用其他類型的液位計(jì)，只要能夠獲取液位數(shù)據(jù)以及采集 液位數(shù)據(jù)的時間，并且能夠?qū)@取的數(shù)據(jù)傳輸給液位監(jiān)控器4即可。
[0048] 進(jìn)一步地，參見圖1，本實(shí)施例中，馬利奧特瓶系統(tǒng)2包括馬利奧特瓶瓶體21、通氣 管22以及馬利奧特瓶基座23。其中，馬利奧特瓶瓶口處設(shè)置有第一密封塞25;第一密封塞25 上設(shè)置有第一通孔、第二通孔以及第三通孔。其中，第一通孔用于固定磁致伸縮液位計(jì)3的 電子倉31;第二通孔用于固定馬利奧特瓶系統(tǒng)2中的通氣管22,第三通孔用于向馬利奧特瓶 瓶體21內(nèi)部注水。馬利奧特瓶瓶體21的材質(zhì)可以采用有機(jī)玻璃，其具體尺寸本實(shí)施例不作 特殊限定，本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)手段即可。第一密封塞25可以為橡膠塞，第一通孔、第二通孔的 直徑應(yīng)當(dāng)分別與磁致伸縮液位計(jì)3的電子倉31的直徑以及通氣管22的直徑相配合。在不需 要向馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)注水時，可以用第二橡膠塞26將第三通孔密封。第二密封塞26也 可以為橡膠塞。為了防止液位浮球33在測量的過程中碰到通氣管22或者馬利奧特瓶瓶壁， 產(chǎn)生測量誤差，利用雙環(huán)箍5將探測桿32以及通氣管22下端固定。參見圖2,雙環(huán)箍5的外側(cè) 邊緣呈圓弧形，圓弧的半徑與馬利奧特瓶瓶體21的半徑相配合，從而使雙環(huán)箍5能夠固定在 瓶壁上。雙環(huán)箍5的中部設(shè)置有用于固定磁致伸縮液位計(jì)3的探測桿32的通孔以及用于固定 通氣管22的通孔。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，用于固定磁致伸縮液位計(jì)3的探測桿32的 通孔應(yīng)當(dāng)與第一通孔對應(yīng)設(shè)置，用于固定通氣管22的通孔應(yīng)當(dāng)與第二通孔對應(yīng)設(shè)置，以保 證探測桿32和通氣管22保持豎直，以保證馬利奧特瓶瓶體21、探測桿32及通氣管22這三者 相對位置的穩(wěn)定。雙環(huán)箍5的尺寸應(yīng)當(dāng)根據(jù)馬利奧特瓶瓶體21直徑、探測桿32直徑及通氣管 22直徑設(shè)計(jì)，可以采用3D打印的方式制作，其材質(zhì)可以為光硬化樹脂。
[0049]進(jìn)一步地，參見圖1，馬利奧特瓶瓶體21下端設(shè)置有出水口 24，出水口 24連接有導(dǎo) 水管7，導(dǎo)水管7上設(shè)置有閥門6。在進(jìn)行土壤水分入滲參數(shù)測量時，閥門6處于開啟狀態(tài)，馬 利奧特瓶瓶體21內(nèi)的水通過導(dǎo)水管7注入雙環(huán)系統(tǒng)1。出水口 24的材質(zhì)也可以采用有機(jī)玻 璃，其直徑按照本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)手段進(jìn)行設(shè)置。導(dǎo)水管7可以采用橡膠管。
[0050] 進(jìn)一步地，參見圖3,本實(shí)施例中，雙環(huán)系統(tǒng)1包括內(nèi)環(huán)11以及外環(huán)12。其中，內(nèi)環(huán)11 的頂端設(shè)置有內(nèi)環(huán)受力臺111，內(nèi)環(huán)11的側(cè)面設(shè)置有內(nèi)環(huán)提把112;外環(huán)12的頂端設(shè)置有外 環(huán)受力臺121，外環(huán)12的側(cè)面設(shè)置有外環(huán)提把122。其中，內(nèi)環(huán)提把112以及外環(huán)提把122的數(shù) 量包括但不限于兩個，應(yīng)當(dāng)對稱設(shè)置。內(nèi)環(huán)受力臺111以及外環(huán)受力臺121數(shù)量為多個，包括 但不限于4個，多個內(nèi)環(huán)受力臺111以及多個外環(huán)受力臺121應(yīng)當(dāng)分別沿內(nèi)環(huán)11、外環(huán)12的圓 周方向均勻分布。當(dāng)將雙環(huán)系統(tǒng)1砸入土層中時，重錘擊打內(nèi)環(huán)受力臺11以及外環(huán)受力臺 12,從而防止內(nèi)環(huán)11和外環(huán)12的環(huán)體受到損壞。內(nèi)環(huán)11和外環(huán)12的材質(zhì)可以為鑄鐵，內(nèi)環(huán)受 力臺111、內(nèi)環(huán)提把112、外環(huán)受力臺121以及外環(huán)提把122可以通過焊接的方式固定在內(nèi)環(huán) 11和外環(huán)12的相應(yīng)位置處。內(nèi)環(huán)11和外環(huán)12的尺寸本實(shí)施例不作特殊限定，本領(lǐng)域常規(guī)技 術(shù)手段均可，例如內(nèi)環(huán)11直徑一般不小于30cm，外環(huán)12直徑一般不小于45 cm，環(huán)高40cm左 右。
[0051]進(jìn)一步地，參見圖4,本實(shí)施例中，液位監(jiān)控器4為采用工控機(jī)形式。具體來講，參見 圖4,液位監(jiān)控器4包括機(jī)箱41，機(jī)箱41上設(shè)置有觸摸屏42以及接線端口 46。其中，觸摸屏42 用于顯示土壤水分入滲參數(shù)以及用于輸入操作指令。操作指令包括例如設(shè)置水位讀數(shù)時間 間隔、報警水位下限、觸摸屏42待機(jī)時間等。接線端口 46用于連接液位計(jì)。可以設(shè)置多個接 線端口 46，每個接線端口 46與一臺液位計(jì)連接。當(dāng)同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域同時進(jìn)行多組土壤水分入 滲參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)時，可以將多臺液位計(jì)的輸出端口以串聯(lián)或并聯(lián)的形式接入同一臺液位監(jiān) 控器21的接線端口46中。從而實(shí)現(xiàn)同時對多個觀測點(diǎn)的土壤水分入滲參數(shù)的測量。每臺液 位監(jiān)控器4能夠連接的液位計(jì)的數(shù)量應(yīng)當(dāng)根據(jù)液位監(jiān)控器4的滿負(fù)荷功率確定。機(jī)箱41上還 設(shè)置有報警器43,當(dāng)馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)的水位較低時，發(fā)出警報，提醒工作人員及時向馬 利奧特瓶瓶體21內(nèi)加水，以保證測量的正常進(jìn)行。報警器43可以采用聲光報警器。機(jī)箱41上 還設(shè)置有USB接口45,可以進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在機(jī)箱41 內(nèi)部設(shè)置有進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、運(yùn)算等必要的硬件，例如CPU、內(nèi)存、硬盤以及供電裝置等。供電 裝置可以采用可充電鋰電池，機(jī)箱41上還應(yīng)當(dāng)設(shè)置有充電口以及電源開關(guān)44。
[0052] 本實(shí)施例中，液位監(jiān)控器4可以根據(jù)Kostiakov入滲公式對液位計(jì)獲取到的液位數(shù) 據(jù)以及采集液位數(shù)據(jù)的時間進(jìn)行擬合計(jì)算來得到土壤水分入滲參數(shù)，也可以根據(jù)改進(jìn)的 Kostiakov入滲公式進(jìn)行擬合計(jì)算。其中，
[0053] l、Kostiakov入滲公式中，首先根據(jù)受水時段內(nèi)馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)水位的下降 深度，確定入滲水量，計(jì)算公式為：
[0054] V = Jir2 Ah (1)
[0055] 式中：V為受水時段內(nèi)入滲水量，單位為m3;r為馬利奧特瓶半徑，單位為m; Ah為受 水時段內(nèi)馬利奧特瓶內(nèi)水位下降深度，單位為m;
[0056] 然后根據(jù)受水時段的入滲水量，確定實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤的水分入滲深度，計(jì)算公式為：
[0058]式中，AH為受水時段內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤的水分入滲深度，單位為m;R為內(nèi)環(huán)半徑，單 位為m;
[0059]再采用Kostiakov入滲公式，確定實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤的入滲系數(shù)及入滲參數(shù)，計(jì)算公式 為：
[0060] H=kta (3)
[0061] 式中，H為實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤水分的累計(jì)入滲深度，單位為m;k為Kostiakov經(jīng)驗(yàn)公式入 滲參數(shù)，單位為m/ha; a為Kostiakov經(jīng)驗(yàn)公式無量綱入滲指數(shù)參數(shù);t為入滲受水時間，單位 為h〇
[0062]實(shí)驗(yàn)觀測過程中，將得到一系列的累計(jì)入滲深度H和入滲受水時間t，最后根據(jù)公 式(3)，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤的kostiakov入滲參數(shù)。入滲系數(shù)的計(jì) 算公式為：
[0064] 式中，I(t)為受水時間內(nèi)該實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤的入滲系數(shù)，單位為m/h。
[0065] 2、改進(jìn)的Kostiakov入滲公式
[0066] 采用Kostiakov入滲公式，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時間較長時，入滲系數(shù)I(t)趨近于0,不能真實(shí)反 映實(shí)驗(yàn)區(qū)域?qū)嶋H的入滲系數(shù)，因此，系統(tǒng)進(jìn)一步采用改進(jìn)的Kostiakov入滲公式，確定實(shí)驗(yàn) 區(qū)域土壤的改進(jìn)入滲系數(shù)及入滲參數(shù)，計(jì)算公式如下：
[0067] \Jt)-^km?aitt?t/ ' f/〇
[0068]式中，Im(t)為受水時間內(nèi)該實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤的入滲系數(shù)，單位為m/h ; 1^為改進(jìn)的 Kostiakov經(jīng)驗(yàn)公式入滲參數(shù)，單位為m/ha;知為改進(jìn)的Kostiakov經(jīng)驗(yàn)公式無量綱入滲指數(shù) 參數(shù);t為入滲受水時間，單位為h; fo為入滲后期相對穩(wěn)定的入滲率，單位為m/h，計(jì)算方法 為連續(xù)比較之前20個Im(t)的數(shù)值，當(dāng)相對誤差小于5%，即
時， 取這個20個Im(t)的平均值為當(dāng)前計(jì)算時段的f〇。
[0069] 基于上述Kostiakov入滲公式和改進(jìn)的Kostiakov入滲公式，在液位監(jiān)控器4的觸 摸屏42上可以顯示Kostiakov入滲公式參數(shù)，例如累計(jì)入滲深度H，入滲參數(shù)k及a，入滲受水 時間t以及土壤的入滲系數(shù)I(t);也可以顯示改進(jìn)的Kostiakov入滲公式參數(shù)：累計(jì)入滲深 度H，入滲參數(shù)'及^，入滲受水時間t以及土壤的入滲系數(shù)I m(t)，入滲后期相對穩(wěn)定的入滲 率fo。還可以回溯查詢實(shí)驗(yàn)自起始階段任意時間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0070]綜上，本實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置具備工作水位自動測量、自動 記錄，自動擬合計(jì)算，以及低水位自動報警補(bǔ)水的功能，實(shí)現(xiàn)了土壤水分入滲參數(shù)測量的自 動化，不僅大大減少了人工，而且提高了測量的精度和準(zhǔn)確度，并且操作簡單，安裝拆卸方 便，在測量灌區(qū)田間土壤水分入滲參數(shù)領(lǐng)域中具有較大的推廣應(yīng)用價值。
[0071] 實(shí)施例2
[0072] 本實(shí)施例提供一種土壤水分入滲參數(shù)測量裝置，參見圖1并結(jié)合圖2、圖3、圖4以及 圖5,該測量裝置包括:雙環(huán)系統(tǒng)1、馬利奧特瓶系統(tǒng)2、磁致伸縮液位計(jì)3以及液位監(jiān)控器4。
[0073] 雙環(huán)系統(tǒng)1包括內(nèi)環(huán)11以及外環(huán)12。外環(huán)12直徑45cm，環(huán)高40cm;內(nèi)環(huán)11直徑30cm， 環(huán)高40cm。內(nèi)環(huán)11和外環(huán)12的材質(zhì)均為鑄鐵。內(nèi)環(huán)11的頂端焊接有4個內(nèi)環(huán)受力臺111，該4 個內(nèi)環(huán)受力臺111沿內(nèi)環(huán)11的圓周方向均勻分布。外環(huán)12的頂端焊接有4個外環(huán)受力臺121， 該4個外環(huán)受力臺121沿外環(huán)12的圓周方向均勻分布。內(nèi)環(huán)11的側(cè)面焊接有一對內(nèi)環(huán)提把 112,外環(huán)12的側(cè)面焊接有一對外環(huán)提把122。
[0074]馬利奧特瓶系統(tǒng)2包括馬利奧特瓶瓶體21、通氣管22以及馬利奧特瓶基座23。其 中，馬利奧特瓶瓶體21以及基座23材質(zhì)為有機(jī)玻璃，基座直徑25cm，瓶體直徑10cm，瓶高 100cm。出水口 24位于基座上方5cm處，出水口 24材質(zhì)為有機(jī)玻璃，出水口 24直徑lcm。出水口 24連接一根長度為100cm左右的導(dǎo)水管7,導(dǎo)水管7的材質(zhì)為橡膠。導(dǎo)水管7上安裝閥門6。馬 利奧特瓶瓶口處設(shè)置有第一密封塞25。第一密封塞25采用橡膠塞，其上設(shè)置有第一通孔、第 二通孔以及第三通孔。磁致伸縮液位計(jì)3的探測桿32以及液位浮球33位于馬利奧特瓶瓶體 21內(nèi)部，磁致伸縮液位計(jì)3的電子倉31固定在第一通孔中。通氣管22為直徑lcm的有機(jī)玻璃 管，其長度為l〇〇cm。通氣管22的下端伸入馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)部，通氣管22的上端伸出第 一密封塞25,伸出部分的長度為5cm。第三通孔用第二密封塞26密封。第二密封塞26也為橡 膠塞。第三通孔位處進(jìn)行密封處理以保證氣密性。馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)部下端固定有雙環(huán) 箍5,探測桿32的下端和通氣管22的下端用雙環(huán)箍5固定，以防止液位浮球33在測量的過程 中碰到通氣管22或者瓶壁，產(chǎn)生測量誤差。雙環(huán)箍5的材質(zhì)為光硬化樹脂，通過3D打印方式 制作。
[0075]磁致伸縮液位計(jì)3的電源為24V直流電，工作電流為60mA，量程范圍為750mm，最短 檢測時間間隔為0.1s/次，測量精度為0.1_，與液位監(jiān)控器4通過RS485串行接口進(jìn)行連接。 [0076] 液位監(jiān)控器4為工控機(jī)。液位監(jiān)控器4整合在機(jī)箱41中。機(jī)箱41內(nèi)置4000mAh可充電 鋰電池。用以向磁致伸縮液位計(jì)3和液位監(jiān)控器4供電。液位監(jiān)控器4提供RS485和RS232兩種 串行接口，其中RS485與磁致伸縮液位計(jì)3連接，用于液位數(shù)據(jù)和采集液位數(shù)據(jù)的時間等數(shù) 據(jù)的傳輸;RS232與上級工控機(jī)進(jìn)行通訊。機(jī)箱41上布置有6個接線端口 46，用于連接磁致伸 縮液位計(jì)3,可以最多采集并記錄6套水位數(shù)據(jù)。液位監(jiān)控器4輸入電壓為AC176~264V，滿負(fù) 荷功率（同時連接6個磁致伸縮液位計(jì)3)小于25VA。采用Window CE操作系統(tǒng)，8G硬盤。觸摸 屏42為6.0英寸TFT液晶顯示屏，分辨率為800*480，為四線式電子觸摸屏，可以在觸摸屏42 上設(shè)置水位讀數(shù)時間間隔（l〇s/20s/3〇 S/lmin)以及報警水位下限（一般為15~20cm)、液位 監(jiān)控器液晶屏待機(jī)時間等參數(shù)，并實(shí)時查看測量數(shù)據(jù)。機(jī)箱41還設(shè)置報警器43,報警器43為 聲光報警器。當(dāng)測量水位低于設(shè)置下限時，報警器43報警提示。機(jī)箱41還設(shè)置有設(shè)置USB接 口 45和充電口及電源開關(guān)44。
[0077]采用本實(shí)施例提供的測量裝置進(jìn)行土壤水分入滲參數(shù)測量的方法如下：
[0078] 步驟1，對測量范圍內(nèi)土壤進(jìn)行平整，將外環(huán)12砸入土層10cm深度，將內(nèi)環(huán)11置于 外環(huán)12中央并與外環(huán)12同圓心，將內(nèi)環(huán)11砸入土層10cm深度。
[0079]步驟2,將馬利奧特瓶系統(tǒng)2置于外環(huán)12外10~15cm處，保證馬利奧特瓶基座23的 平穩(wěn)，連接液位監(jiān)控器4,并確保液位監(jiān)控器4置于合適位置以防止進(jìn)水。
[0080] 步驟3,開啟液位監(jiān)控器4電源，設(shè)置水位讀數(shù)時間間隔（l〇S/2〇S/3〇 S/lmin)、報警 水位下限（一般為15~20cm)以及液位監(jiān)控器液晶屏待機(jī)時間等參數(shù)。
[0081] 步驟4,將防水塑料薄膜鋪于內(nèi)環(huán)11環(huán)壁內(nèi)，以防止水流下滲，并對內(nèi)環(huán)注水至其 水位與通氣管22下管口高度一致。
[0082]步驟5，關(guān)閉閥門6，拔掉瓶口的第一密封塞25，向馬利奧特瓶瓶體21注水至80~ 90cm高度時，將第一密封塞25塞入瓶口（必要時可在第一密封塞25周圍涂少于凡士林以保 證密閉性），打開閥門6,排出馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)氣體直至導(dǎo)水管7出口不再有氣泡排出， 此時馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)部氣液壓與外部大氣壓相互平衡。
[0083] 步驟6，向外環(huán)12注水至水位與內(nèi)環(huán)11 一致，此時迅速抽出鋪于內(nèi)環(huán)壁內(nèi)的塑料薄 膜，測量開始，測量裝置自動測量馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)水位并進(jìn)行記錄。
[0084]步驟7,在測量過程中，馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)水位下降至報警水位時，報警器43發(fā) 出蜂鳴報警，此時拔出第二密封塞26，向馬利奧特瓶瓶體21內(nèi)補(bǔ)水至80~90cm高度，塞入第 二密封塞26。
[0085]步驟8,待測量過程進(jìn)行至1小時后時，喚醒液位監(jiān)控器4的觸摸屏42,讀取測量數(shù) 據(jù)，當(dāng)連續(xù)3~5組土壤入滲系數(shù)值趨于一致時，則認(rèn)為該點(diǎn)土壤水分入滲過程已基本穩(wěn)定， 測量結(jié)束。將USB存儲介質(zhì)插入液位監(jiān)控器4的USB接口 45中，讀取并導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)。
[0086]本實(shí)施例提供的土壤水分入滲參數(shù)測量裝置具備工作水位自動測量、自動記錄， 自動擬合計(jì)算，以及低水位自動報警補(bǔ)水的功能，實(shí)現(xiàn)了 土壤水分入滲參數(shù)測量的自動化， 減少人工、提高了測量精度，同時操作簡單，安裝拆卸方便，在測量灌區(qū)田間土壤水分入滲 參數(shù)領(lǐng)域中具有較大的推廣應(yīng)用價值。
[0087]以上僅是為了便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，并不用以限制 本實(shí)用新型。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng) 包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種土壤水分入滲參數(shù)測量裝置，所述測量裝置包括雙環(huán)系統(tǒng)（1)以及馬利奧特瓶 系統(tǒng)(2)，其特征在于，所述測量裝置還包括:液位計(jì)以及液位監(jiān)控器(4); 所述液位計(jì)位于所述馬利奧特瓶系統(tǒng)（2)中的馬利奧特瓶瓶體(21)內(nèi)部，所述液位計(jì) 用于獲取所述馬利奧特瓶瓶體(21)內(nèi)的液位數(shù)據(jù)以及采集所述液位數(shù)據(jù)的時間； 所述液位計(jì)與所述液位監(jiān)控器(4)電連接，所述液位監(jiān)控器(4)用于記錄所述液位數(shù)據(jù) 以及采集所述液位數(shù)據(jù)的時間，并根據(jù)所述液位數(shù)據(jù)以及采集所述液位數(shù)據(jù)的時間計(jì)算所 述土壤水分入滲參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述液位計(jì)為磁致伸縮液位計(jì)(3)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于，所述馬利奧特瓶系統(tǒng)（2)中的馬利奧 特瓶瓶口處設(shè)置有第一密封塞(25);所述第一密封塞(25)上設(shè)置有第一通孔、第二通孔以 及第三通孔； 所述第一通孔用于固定所述磁致伸縮液位計(jì)（3)的電子倉(31);所述第二通孔用于固 定所述馬利奧特瓶系統(tǒng)（2)中的通氣管（22)，所述第三通孔用于向所述馬利奧特瓶瓶體 (21)內(nèi)部注水。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量裝置，其特征在于，所述馬利奧特瓶瓶體(21)內(nèi)部還設(shè)置 有雙環(huán)箍(5)，所述雙環(huán)箍(5)上設(shè)置有用于固定所述磁致伸縮液位計(jì)(3)的探測桿(32)的 通孔以及用于固定所述通氣管(22)的通孔。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述馬利奧特瓶瓶體(21)下端設(shè)置有 出水口（ 24)，所述出水口（ 24)連接有導(dǎo)水管(7)，所述導(dǎo)水管(7)上設(shè)置有閥門（6)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述雙環(huán)系統(tǒng)（1)包括內(nèi)環(huán)（11)以及 外環(huán)（12); 所述內(nèi)環(huán)（11)的頂端設(shè)置有內(nèi)環(huán)受力臺（111)，所述內(nèi)環(huán)（11)的側(cè)面設(shè)置有內(nèi)環(huán)提把 (112)； 所述外環(huán)（12)的頂端設(shè)置有外環(huán)受力臺（121)，所述外環(huán)（12)的側(cè)面設(shè)置有外環(huán)提把 (122)〇7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量裝置，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)（11)的頂端設(shè)置有多個內(nèi)環(huán) 受力臺（111)，所述多個內(nèi)環(huán)受力臺（111)沿所述內(nèi)環(huán)(11)的圓周方向均勻分布； 所述外環(huán)（12)的頂端設(shè)置有多個外環(huán)受力臺（121)，所述多個外環(huán)受力臺（121)沿所述 外環(huán)(12)的圓周方向均勻分布。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述液位監(jiān)控器(4)為工控機(jī)，所述液 位監(jiān)控器(4)包括機(jī)箱(41)，所述機(jī)箱(41)上設(shè)置有觸摸屏(42)以及接線端口（46); 所述觸摸屏(42)用于顯示所述土壤水分入滲參數(shù)以及用于輸入操作指令； 所述接線端口（46)用于連接所述液位計(jì)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述機(jī)箱(41)上設(shè)置有多個接線端口 (46 )，每個接線端口（ 46)與一臺液位計(jì)連接。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述機(jī)箱（41)上還設(shè)置有報警器 (43)〇
【文檔編號】G01N15/08GK205562346SQ201620206628
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】史源, 白美健, 李亦凡, 陳娟, 章少輝
【申請人】中國水利水電科學(xué)研究院