用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統的製作方法
2023-04-29 20:25:41 1
用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了屬於地下水測試設備範圍的一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統。在底座上分別固定鐵架、水柱、絲槓、位移傳感器的固定端、升降電機；升降臺與絲槓螺紋連接；位移傳感器移動端、三通補溢水器固定在升降臺上；PLC可編程控制器和觸控螢幕安裝於焊接在鐵架側面上的機箱中。本實用新型作為教學儀器，使學生更好地理解給水度的概念及影響因素，拓寬學生的知識面；在科研中，系統由於測量方式的轉變，將供水裝置與溢水裝置合二為一，使測定系統在簡潔性、完整性上有所提升。配合各控制元件的控制採集設計，實現了土體飽水與釋水兩個測定過程的自動監控；可進行多種土層給水度機理的研究，應用前景廣泛。
【專利說明】用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬地下水測試裝置範圍，特別涉及一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統。
【背景技術】
[0002]土層給水度y是土壤釋水和儲水性能的一個重要指標，地下水發生單位水頭下降時，從單位體積V的土壤中可以釋放出來的水的體積Q，叫做土壤的給水度U =Q/V,它是地下水資源量分析計算中最重要的參數之一，能否客觀地認識它的變化規律及正確地估算它的值，是直接關係到水資源量估算可靠與否的關鍵，給水度的測定在水文水資源方向的教學與科研中必不可少。目前傳統的室內測定方法一般採用人工測定的方式，用馬氏瓶等供水裝置將一定高度的土體飽和，再用溢水裝置將飽和土樣中的水逐層退出儲存，再用滴定管(或量筒)測出退水量。土層給水特徵受到地下水位埋深、土層結構等因素的影響，得到一條完整精確的土層給水度曲線，土體的高度需要在2米左右，根據土體性質不同，數據點在20-40個左右，每個數據點的測定一般耗時8-48小時左右。人工進行測定，存在操作不方便、看守耗時、測量精度低、數據不易保存、無法實時監控等缺點。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的是針對人工進行測定，存在操作不方便、看守耗時、讀數精度低、數據不易保存、無法實時監控等缺點，提供一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，在底座10上分別固定水柱2、位移傳感器4的固定端、升降電機7、鐵架11和絲槓12底端；絲槓12的頂端固定在鐵架11頂梁上；升降電機7通過聯軸器、齒輪與絲槓12連接；土柱I分為上下兩段，下段的下端通過法蘭與水柱2連接；升降臺14與絲槓12通過螺紋連接；位移傳感器4的移動端與升降臺14連接；三通補溢水器3包括內筒與外筒兩部分，固定在升降臺14上；三通補溢水器3內筒頂部設有通氣孔13，底部通過軟管接入進出水電磁閥8，並與水柱2下部連接；外筒下部安裝有溢水液位傳感器5，底部安裝有排水電磁閥6 ;水柱2下部安裝水柱液位傳感器9 ；PLC可編程控制器15和觸控螢幕16安裝於焊接在鐵架11側面上的控制機箱17中。
[0004]所述土柱I由有機玻璃製成，用來盛放實驗土樣，其中上段土柱上下均無底，通過法蘭與下段土柱連接，下段土柱底部粘接著均勻鑽有0. 5cm直徑小孔的底板，底板上鋪有濾紙，從而防止土樣裝填、飽和、釋水過程中土體的流逝。
[0005]所述水柱為有機玻璃製成，實驗過程中始終充滿水。
[0006]所述通氣孔13用膠塞固定插入到三通補溢水器3的內筒中，可根據需要進行插拔。
[0007]所述三通補溢水器3固定在升降臺14上，隨著升降臺14上下運動，既是土體飽水過程中的供水裝置，又是釋水過程中的儲水、測量裝置。
[0008]所述位移傳感器4、溢水液位傳感器5、排水電磁閥6、升降電機7、進出水電磁閥8和水柱液位傳感器9均通過電纜線與PLC可編程控制器15連接。
[0009]所述PLC可編程控制器15通過MPI/PPI通訊電纜與觸控螢幕16連接，二者通過變量連結，實現同步操作顯示；通過觸控螢幕16人機界面軟體的二次開發，實現飽水與釋水兩個測定過程的自動監控，實驗數據的採集存儲、分析處理、顯示及歷史查詢功能。
[0010]本實用新型的有益效果是作為教學儀器在使學生更好地理解給水度概念及影響因素的同時，對自動測定儀器設備以及自動測控系統的實現有一個全面的了解與認識，拓寬學生的知識面。在科研中，系統利用測量液位的方式代替了傳統測定儀器中測量體積(或重量）的方式，在提高測量精度的同時，由於測量方式的轉變，在機械管路方面實現了將供水裝置與溢水裝置合二為一，使測定系統在簡潔性、完整性上有所提升。配合位移傳感器、電動機、電磁閥、液位傳感器等控制元件的控制採集設計，實現了土體飽水與釋水兩個測定過程的自動化處理；可進行多種設定情況下土層給水度機理的研究。系統適用於與土壤有關領域(如農業、土壤環境、水資源）的土層給水度的測試工作中，具有較廣泛的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖I是室內柱狀土層給水度自動測定系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本實用新型提供一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統
[0013]，下面結合附圖，實施例對本發明進一步予以說明。
[0014]如圖I所不為一種室內柱狀土層給水度自動測定系統。圖中，在底座10上分別固定水柱2、位移傳感器4的固定端、升降電機7、鐵架11和絲槓12底端；絲槓12的頂端固定在鐵架11頂梁上；升降電機7通過聯軸器、齒輪與絲槓12連接；土柱I分為上下兩段，下段的下端通過法蘭與水柱2連接；升降臺14與絲槓12通過螺紋連接；位移傳感器4的移動端與升降臺14連接；三通補溢水器3包括內筒與外筒兩部分，固定在升降臺14上；三通補溢水器3內筒頂部設有通氣孔13，底部通過軟管接入進出水電磁閥8，並與水柱2下部連接；外筒下部安裝有溢水液位傳感器5，底部安裝有排水電磁閥6 ;水柱2下部安裝水柱液位傳感器9 ；PLC可編程控制器15和觸控螢幕16安裝於焊接在鐵架11側面上的控制機箱17中。
[0015]位移傳感器4、溢水液位傳感器5、排水電磁閥6、升降電機7、進出水電磁閥8和水柱液位傳感器9均通過電纜線與PLC可編程控制器15連接。
[0016]位移傳感器4的移動端與升降臺14連接，隨著升降臺的移動，輸出4_20mA電流信號，4mA與20mA對應升降臺14移動的最低及最高位置，PLC可編程控制器15對位移傳感器4的輸出電流的進行實時檢測，並通過模擬量到數字量的計算轉換，獲得升降臺14的高度位置。
[0017]PLC可編程控制器15對溢水液位傳感器5的輸出電流進行實時檢測，並通過模擬量到數字量的計算轉換，獲得三通補溢水器3外筒中水位情況。
[0018]PLC可編程控制器15對水柱液位傳感器9的輸出電流的進行實時檢測，並通過模擬量到數字量的計算轉換，獲得水柱2中形成水壓的情況。
[0019]PLC可編程控制器 15通過MPI/PPI通訊電纜與觸控螢幕16連接，二者通過變量連結，實現同步操作顯示。[0020]通過觸控螢幕16人機界面軟體的開發，可在觸控螢幕16上對每次飽和高度h0、每次釋水高度hi、穩定時間t、開閥液位HO、關閥液位Hl等參變量進行手自動設定；手自動控制排水電磁閥6、進出水電磁閥8的開關及升降電機7的啟停升降；對升降高度、水柱壓力、累計釋水量、給水度等實驗數據進行實時顯示；還可形成實驗數據的趨勢曲線，進行歷史數據的查詢等。
[0021]以下分別介紹飽水與釋水過程的自動控制過程：
[0022]一、飽水即土樣飽和過程
[0023]先將水柱2中充滿水，再將實驗土樣，按照設定容重分層均勻裝入土柱I中，將三通補溢水器3內筒中注滿水，插入通氣孔13。控制升降電機7，將升降臺14調節到最低位置，此時，三通補溢水器3內筒頂端與水柱2頂端齊平。檢測並記錄水柱液位傳感器9的初始值h，然後，將升降臺升高設定飽和高度h0，打開進出水電磁閥8開始飽和土柱，經過時間t後，關閉進出水電磁閥8，檢測水柱液位傳感器9的值是否等於h+hO，若不等於，打開進出水電磁閥8，繼續補水，等待時間t後，判斷，直到水柱液位傳感器9的值等於h+hO，關閉進出水電磁閥8，啟動升降電機7，將升降臺14再次升高h0後，打開進出水電磁閥8，重複以上過程，直到整個土柱完全飽和。
[0024]二、釋水即土樣給水過程
[0025]將三通補溢水器3內筒注滿水，拔出通氣孔13。控制升降電機7，將升降臺14調節到最高位置，此時三通補溢水器3內筒頂端與土柱I頂端齊平。檢測並記錄水柱液位傳感器9的初始值h，然後，將升降臺降低設定釋水高度hi，打開進出水電磁閥8，土柱2開始釋水。釋放出的水通過三通補溢水器3的內筒留到外筒中進行儲存，並通過溢水液位傳感器5進行出水量的檢測。經過時間t後，檢測水柱液位傳感器9的值是否等於h-hl，若不等於，繼續釋水等待，直到水柱液位傳感器9的值等於h-hl，啟動升降電機7，將升降臺14再降低高度hl，重複以上過程，直到升`降臺降低到最低點，即三通補溢水器3內筒頂端與水柱2頂端齊平，完成整個土柱的釋水過程。釋水過程中，當溢水液位傳感器5的值達到開閥液位HO時，關閉進出水電磁閥8，打開排水電磁閥6進行放水，直到液位到達關閥液位Hl時，關閉排水電磁閥6，打開進出水電磁閥8，並自動記錄開閥次數，從而實現對釋水量的實時採集記錄。
【權利要求】
1.一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，在底座（10)上分別固定水柱（2)、位移傳感器（4)的固定端、升降電機（7)、鐵架（11)和絲槓（12)底端；絲槓（12)的頂端固定在鐵架（11)頂梁上；升降電機（7)通過聯軸器、齒輪與絲槓（12)連接；土柱（I)分為上下兩段，下段的下端通過法蘭與水柱（2)連接；升降臺（14)與絲槓（12)通過螺紋連接；位移傳感器（4)的移動端與升降臺（14)連接；三通補溢水器（3)包括內筒與外筒兩部分，固定在升降臺（14)上；三通補溢水器（3)內筒頂部設有通氣孔（13)，底部通過軟管接入進出水電磁閥（8)，並與水柱（2)下部連接；外筒下部安裝有溢水液位傳感器（5)，底部安裝有排水電磁閥（6);水柱（2)下部安裝水柱液位傳感器（9) ；PLC可編程控制器（15)和觸控螢幕（16 )安裝於焊接在鐵架（11)側面上的控制機箱（17 )中。
2.根據權利要求1所述一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，所述土柱（I)由有機玻璃製成，用來盛放實驗土樣，其中上段土柱上下均無底，通過法蘭與下段土柱連接，下段土柱底部粘接著均勻鑽有0. 5cm直徑小孔的底板，底板上鋪有濾紙，從而防止土樣裝填、飽和、釋水過程中土體的流逝。
3.根據權利要求1所述一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，所述水柱（2)為有機玻璃製成，實驗過程中始終充滿水。
4.根據權利要求1所述一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，所述三通補溢水器（3)固定在升降臺（14)上，隨著升降臺（14)上下運動，通氣孔（13)用膠塞固定插入到三通補溢水器（3)的內筒中，可根據需要進行插拔。
5.根據權利要求1所述一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，所述三通補溢水器（3)，既是土體飽水過程中的供水裝置，又是釋水過程中的儲水、測量裝置。
6.根據權利要求1所述一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，所述位移傳感器（4)、溢水液位傳感器（5)、排水電磁閥（6)、升降電機（7)、進出水電磁閥(8)和水柱液位傳感器（9)均通過電纜線與PLC可編程控制器（15)連接。
7.根據權利要求1所述一種用於室內柱狀土層給水度的自動測定系統，其特徵在於，所述PLC可編程控制器（15)通過MPI/PPI通訊電纜與觸控螢幕（16)連接。
【文檔編號】G01N15/08GK203376238SQ201320280633
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年5月21日 優先權日:2013年5月21日
【發明者】呂華芳, 叢振濤, 楊漢波, 雷慧閩 申請人:清華大學