一种土壤毛细试验装置及其使用方法

技术领域

本发明属于土壤水环境试验测试技术领域，具体涉及一种土壤毛细试验装置及其使用方法。

背景技术

在地下水面以上，水分会在毛细力的作用下，沿着土壤颗粒之间的狭小空隙上升形成毛细带，其上升量的多少和上升高度将对植物根系水分的吸收、土壤盐渍化以及工程安全等产生直接影响。因此，对土壤毛细现象的研究在农业发展，地下水开发利用，生态环境保护以及工程安全建设等方面具有重要的意义。

现有的毛细实验装置是用纱布包在有机玻璃管的一侧，并用铁丝绑扎后再装填土壤，并且在读取实验数据时需要每隔一定的时间人为读取，在测试湿度以及含水量时也是将有机玻璃不同高度进行打孔，取出不同高度的土样进行检测。现有毛细实验装置存在的问题主要有：需要材料种类繁多，以及操作工序繁琐，试验数据误差大，并且在试验后清理土样较为困难等问题。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤毛细试验装置及其使用方法，以至少解决目前毛细试验装置需要人为读取数据误差大，精度低，操作繁琐的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种土壤毛细试验装置，所述装置包括：

箱体，所述箱体底部设置有底板，所述底板上设置有透水孔，所述箱体包括有箱门，所述箱门的一侧与所述箱体的侧壁铰接，所述箱门的另一侧与所述箱体侧壁之间设置有第一连接件，用于使箱门与箱体的侧壁之间扣合连接，所述箱门上从上至下设置有多个用于安装湿度传感器的槽口，所述槽口连通箱体内外；

支撑架，所述支撑架包括底座和支撑部，所述支撑部设置在底座上，所述支撑部用于支撑所述箱体，所述箱体可直立于所述支撑部上，且所述底板与所述底座之间设置有距离空间，以使所述透水孔内浸入水。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，所述支撑架为纵截面为三角型的三角架，所述支撑架的顶部设置有从顶部向三角空间内向下延伸的所述支撑部，所述支撑部呈矩形槽体状，所述支撑部的上端开口，用于放置所述箱体。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，所述支撑部矩形槽体的宽度与所述箱体的宽度相同。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，所述支撑架设置有两个，两个所述支撑架依靠所述支撑部的矩形槽体共同对所述箱体提供支撑。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，所述箱体包括多个可拆卸的罩体单元，每个所述罩体单元上均设置有箱门，所述箱门的一侧与所述罩体单元的侧壁铰接，所述箱门上设置有第二连接件，所述第二连接件用于将罩体单元之间连接起来；

优选地，所述第二连接件包括凸出卡板，所述凸出卡板设置于所述罩体单元的箱门的四角，两个相邻的所述罩体单元之间设置有连接卡件，所述连接卡件将相邻的两个所述罩体单元连接固定；

再优选地，每个所述罩体单元的箱门的另一侧与所述箱体侧壁之间均设置有第一连接件，所述第一连接件与所述罩体单元的侧壁扣合连接。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，所述底板上的透水孔设置有多个，多个所述透水孔沿所述箱体的长度方向均匀排布，所述透水孔之间的间距为20-25mm，所述透水孔的直径为4-6mm。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，所述箱体上的槽口设置有三组，三组所述槽口分别分布在所述箱门的左侧、中间和右侧，每组所述槽口均沿所述箱门竖向设置，同一高度处的槽口设置有三个。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，高度方向上任意两个所述槽口之间的间隔为50mm，所述槽口的规格为长20mm×宽2mm；

优选地，所述箱体为有机玻璃罩。

在如上所述的土壤毛细试验装置，优选，所述装置还包括液位传感器系统，所述液位传感器系统包括水槽、液位传感器、控制器和水泵；

所述液位传感器包括两个，分别为高位传感器和低位传感器，设置在所述水槽的外壁面的上部和下部，两个所述液位传感器均与所述控制器电连接，所述控制器与所述水泵电连接，所述水泵的输入端与储水装置连接，输出端与所述水槽连接用于向水槽内供水；

水槽内的液位到达高位传感器所在位置时，所述高位传感器输出信号给所述控制器，所述控制器驱动所述水泵停止供水，水槽内的液位到达低位传感器所在位置时，所述低位传感器输出信号给所述控制器，所述控制器驱动所述水泵开启供水；

优选地，所述低位传感器的高度高于所述透水孔的高度。

一种土壤毛细试验装置的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：

步骤一，将所述箱体的箱门打开，在箱体的底板上铺设一层石子，并将土壤样本均匀装入至箱体内部，并对正面整平，然后关闭箱门，通过第一连接件将箱门扣合，将箱体放置在支撑架上，确保箱体的垂直度和稳定性；

步骤二，将湿度传感器通过槽口插入至土壤样本中，将湿度传感器与ADC转换模块连接，ADC转换模块与计算机连接，测试并确保湿度传感器能正常传输数据；

步骤三，将安装好支撑架的箱体整体放置入水槽中，并将液位传感器系统连接好，开启水泵向水槽内供水，保持试验过程中水槽内水量充足；

步骤四，通过计算机观测湿度传感器所测得的数据，进行数据处理和分析。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明的土壤毛细试验装置包括箱体和支撑架，箱体放置在支撑架上，支撑架为三角架，结构简单，方便组装和操作；箱体包括多个可拆卸的罩体单元，通过多个罩体单元组装，可以将装置设置成不同高度，同时配合的支撑架也可以设置成不同的尺寸，适用于不同类型的土壤毛细试验，提高装置的适用性。

采用湿度传感器连接ADC转换模块和计算机，可以在计算机上得到不同时刻和高度对应的湿度数据，同一高度处设置有多组数据，可以提高精度，减少测量误差，准确度高。本发明中采用三组传感器，相当于同时做三组普通毛细试验，三组数据可以互为对照，试验效率高。

本发明的土壤毛细试验装置还设置有液位传感器系统，可以使得试验进行过程中透水孔内一直浸入水，水槽内供水充足，本发明采用智能供水系统，确保试验过程不中断，进一步提高测量数据的精准度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的土壤毛细试验装置的箱体和支撑架组装结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1中的箱体的结构示意图；

图5为图1的支撑架的结构示意图；

图6为本发明实施例的液位传感器系统的结构示意图；

图7为毛细试验过程中润湿峰运动示意图。

图中：1、箱体；11、罩体单元；12、第一连接件；13、第二连接件；14、槽口；15、透水孔；2、支撑架；21、底座；22、支撑部；3、水槽；4、高位传感器；5、低位传感器；6、控制器；7、水泵。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图6所示，根据本发明的实施例，提供了一种土壤毛细试验装置，装置包括箱体1和支撑架2。

箱体1底部设置有底板，底板上设置有透水孔15，箱体1包括有箱门，箱门的一侧与箱体1的侧壁铰接，箱门的另一侧与箱体1侧壁之间设置有第一连接件12，用于使箱门与箱体1的侧壁之间可扣合连接，箱门上从上至下设置有多个用于安装湿度传感器的槽口14，槽口14连通罩体内外；箱体1用于盛装土壤样品。

本发明的具体实施例中，箱体1为有机玻璃罩，方便观察内部情况，质量轻便，结构强度高。箱体1包括多个可拆卸的罩体单元11，每个罩体单元11上均设置有箱门，箱门的一侧与罩体单元11的侧壁铰接，箱门上设置有第二连接件13，第二连接件13用于将罩体单元11之间连接固定，罩体单元11可以根据实验需求设置有多个，罩体单元11的横截面长度和宽度相同，多个罩体单元11之间组装起来以便调节装置的高度。

优选地，第二连接件13包括凸出卡板，凸出卡板设置在罩体单元11的箱门的四角，相邻的两个罩体单元11之间设置有连接卡件，连接卡件将相邻的两个罩体单元11连接固定，如图1所示，连接拉件为E型连接卡件，通过E型连接卡件将相邻的上下两个罩体单元11的卡板连接固定，E型连接卡件的两个缺口处对两个卡板进行卡接固定，方便拆卸操作。

本发明的其他实施例中，凸出卡板上设置有通孔，通孔内用于放置紧固螺栓，通过紧固螺栓将相邻的罩体单元11之间固定连接。再优选地，每个罩体单元11的箱门的另一侧与箱体1的侧壁之间均设置有第一连接件12，第一连接件12与罩体单元11的侧壁可扣合连接。第一连接件12可以为卡扣装置，也可以设置成磁吸装置，以便将箱门固定锁紧，防止试验过程中在土壤的作用下将箱门顶开，在装土壤的过程中，也可以将箱门打开，方便装卸试验土壤样品。本发明的具体实施例中箱体1的整体尺寸为长44cm×宽3cm×高150cm，箱体1的壁厚均匀，箱体1的壁厚为5mm。箱体1的上端不设置上盖，以便使装置的土壤浸水环境接近于真实环境，测试数据更可靠。

本发明的具体实施例中，为了使得箱体1能够顺利进行吸水，在底板上的透水孔15设置有多个，多个透水孔15沿箱体1的长度方向均匀排布，透水孔15之间的间距为20-25mm(比如21mm、22mm、23mm、24mm)，优选为23.5mm，透水孔15的直径为5-7mm(比如5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm、6mm、6.2mm、6.4mm、6.6mm、6.8mm、)，优选为6mm。

本发明的具体实施例中，箱体1上的槽口14设置有三组，每组沿箱体1的箱门呈竖向设置，三组槽口14分别分布在箱门的左侧、中间和右侧，同一高度处的槽口14设置有三个，同一高度处设置有三个槽口14以便于提高测试数据的准确度，如果同一高度的三个数据相差较大，可以去除最大值和最小值，取中间值；如果三个数据相差不大则取平均值，有效避免个别试验数据测量偏差影响整体试验数据结果。优选地，高度方向上任意两个槽口14之间的间隔为50mm，槽口14的规格为长20mm×宽2mm；槽口14的作用是将湿度传感器插入至土壤中，固定传感器，使传感器能够满足正常工作的条件，并且能够实时监测湿润峰的上升情况以及不同高度土壤含水量的动态变化。优选地，湿度传感器采用电容感应原理来检测土壤湿度，外接一个ADC转换模块(模拟信号转数字信号)就可以工作，ADC转换模块与计算机连接，通过计算机观测并记录数据。

本发明中的支撑架2包括底座21和支撑部22，支撑部22设置在底座21上，支撑部22用于支撑箱体1，箱体1可直立于支撑部22上，且箱体1的底板与底座21之间设置有距离空间，以便使透水孔15可顺畅浸水，优选地，透水孔15与底座21之间的距离为50mm，放置在水槽3中，能够使透水孔15与水充分接触。

本发明的具体实施例中，支撑架2为纵截面为三角型的三角架，支撑架2的顶部设置有从顶部向三角空间内向下延伸的支撑部22，支撑部22呈矩形槽体状，支撑部22的上端开口，用于放置箱体1。三角架形状的支撑架2，结构简单，稳固性强，成本低廉，操作简单。

本发明的具体实施例中，三角架内部的矩形槽体的宽度与箱体1的宽度相同，箱体1可以恰好放置进入矩形槽体中。本发明的具体实施例中，三角架的底座21长度为320mm，宽度为60mm，高度为400mm。三角架也可以设置成其他尺寸，比如底座21长度500mm，宽度60mm，高度为864mm；或者底座21长度400mm，宽度60mm，高度为540mm，也可以根据其他实际情况进行其他尺寸的选择，三角架的宽度要满足大于50mm，以便使三角架能够稳定的站立在水平地面上。

本发明的具体实施例中，支撑架2设置有两个，两个支撑架2依靠矩形槽体共同对箱体1提供支撑，以形成更稳定的支撑结构。两个支撑架2之间的间隔距离为130mm。当然在其他实施例中，支撑架2的数量也可以是3、4、5个等其他数量，以便形成稳定支撑结构。

本发明的土壤毛细试验装置还包括液位传感器系统，液位传感器系统包括水槽3、液位传感器、控制器6和水泵7。

液位传感器包括两个，分别为高位传感器4和低位传感器5，设置在水槽3的外壁面的上部和下部，两个液位传感器均与控制器6电连接，控制器6与水泵7电连接，水泵7的输入端与储水装置连接，输出端与水槽3连接用于向水槽3内供水。

当水槽3内的液位到达高位传感器4所在位置时，高位传感器4输出信号给控制器6，控制器6驱动水泵7停止供水，供水结束；当水槽3内的液位到达低位传感器5所在位置时，低位传感器5输出信号给控制器6，控制器6驱动水泵7开启供水；优选地，低位传感器5的高度高于透水孔15的高度，以确保箱体1内的土壤可以一直处于充足的供水状态，维持毛细试验的进行。

本发明的具体实施例中，水槽3为塑料、玻璃、瓷器等非金属容器，液位传感器粘贴在水槽3的壁面上，液位传感器可以感知水槽3内的水位高度，液位传感器接收到水位信号输入至控制器6，并按照控制器6发出指令给水泵7，驱动水泵7的运行与断开。由于水槽3内水的蒸发及毛细吸水作用会导致水位降低，使试验无法连续进行，因此在水槽3与储水装置之间加装液位传感器系统，当水位降至低位检测器位置时，水泵7打开并自动供水至高位检测器位置，水泵7自动断开。保证实验供水充足，试验不间断。

为了进一步理解本发明的装置，本发明还提供了一种土壤毛细试验装置的使用方法，方法包括如下步骤：

步骤一，打开箱门的第一连接件12，将箱体1的箱门打开，在箱体1的底板上铺设一层石子，目的是使水分充分均匀的接触到土壤，并且不易造成吸水孔的堵塞；将土壤样本均匀装入至箱体1内部，并对其正面整平，然后关闭箱门后，通过第一连接件12将箱门扣合，将箱体1放置在两个支撑架2上，将支撑架2放置在地面上，确保箱体1的垂直度和稳定性；

步骤二，将多个湿度传感器通过槽口14插入至土壤样本中，将湿度传感器与ADC转换模块连接，ADC转换模块与计算机连接，测试并确保湿度传感器能正常传输数据；

步骤三，将安装好支撑架2的箱体1整体放置进入水槽3中，再次确保两个支撑架2平稳放置；因为该试验的试验周期会比较长，水槽3中的水会蒸发，可用马氏瓶连接水槽3并安装液位传感器系统来为水槽3供水，液位传感器系统安装好后，开启水泵7向水槽3内供水，保持试验过程中水槽3内水量充足，保证透水孔15时刻浸入水中；

步骤四，通过计算机观测湿度传感器实时监测所测得的数据，进行数据处理和分析。

数据处理过程

本发明中在试验结束后，对湿度传感器所测得的数据进行处理，将每一层三个湿度传感器归为一组，对每一组所测得的数据分别进行处理。首先，对每一组的数据求平均值，如果某一组数据里最大值与最小值差值过大，则取中间数值。湿润峰末端在试验结束时如果未完全覆盖最后一组湿度传感器，则以倒数第二组为结束组。最后将数据进行处理，可得出不同高度所对应的湿度关系图，同时也可以导出每一组土壤湿度随时间变化的关系图，可观察出不同高度土壤湿度变化的情况。表格中A、B、C三组代表箱体上位于左侧、中间和右侧的湿度传感器。

表1：湿度处理

表2：高度与时间处理

如图7所示，将A、B、C三组的湿度传感器在相同高度下所测的时间记录下来，并绘制出它们的高度与时间关系图，如果某一高度的湿度传感器所测得的时间略有差距，将其取平均值，最终将它们拟合出一条曲线，再对其求一阶导就得出该毛细上升速率的变化图。

毛细水湿润峰从土柱底端向上运动，其中A断面为土柱的顶端，B断面为试验计算某一断面，即图7中的监测面。t

Q

式中，A

所以，通过测定土壤不同含水率的变化情况，确定出θ(h,t)分布函数，可由(1)式计算出毛细水上升量。

综上，本发明的土壤毛细试验装置包括箱体和支撑架，支撑架为三角架，结构简单，方便组装和操作；箱体包括多个可拆卸的罩体单元，通过多个罩体单元组装，可以将装置设置成不同高度，同时配合的支撑架也可以设置成不同的尺寸，适用于不同类型的土壤毛细试验，提高装置的适用性。

采用湿度传感器连接ADC转换模块和计算机，可以在计算机上得到不同时刻和高度对应的湿度数据，同一高度处设置有多组数据，可以提高精度，减少测量误差，准确度高。本发明中采用三组传感器，相当于同时做三组普通毛细试验，三组数据可以互为对照，试验效率高。

本发明的土壤毛细试验装置还设置有液位传感器系统，可以使得试验进行过程中透水孔内一直浸入水，水槽内供水充足，本发明采用智能供水系统，确保试验过程不中断，进一步提高测量数据的精准度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。