可調內置u型管空氣水銀張力計的製作方法
2023-09-19 06:50:55 2
專利名稱：可調內置u型管空氣水銀張力計的製作方法
技術領域：
本發明屬於土壤水分測定儀器設備領域，尤其屬於土壤水分測定的一種可調內置U型管空氣水銀張力計裝置。
背景技術：
水銀張力計是目前土壤灌溉水分研究和測定中常用的儀器設備，只要測出土壤負壓值，就能通過「土壤水分特徵曲線」換算出土壤的含水量，有製作簡單、裝配方便、測量準確等優點。但常規的水銀張力計是一種外置式U型管水銀張力計，即U型水銀柱管與張力計主管之間是分開的，兩者間僅由一根連通軟管相連接；同時其U型玻璃管較長，大於76釐米，故在攜帶途中和田間埋設時均不方便；此外，U型細玻璃管暴露在外，容易碰撞致碎，水銀洩漏，很不安全。現雖已有預封內置不可調U型管空氣水銀張力計[徐富安.水銀觸點式土壤水分傳感器的研製和應用.土壤，1987，19(2)91-96]，但其U型玻璃管一側上部空氣柱頂端是預封而不可調的，由於測量土壤負壓值的精確度與氣柱的長度成正比，所以在空氣柱是預封而不可調的情況下，為了達到縮短U型玻璃管的目的，只能以降低測量精度，特別是較大地降低低吸力端測量精度為代價，由表1可知，在封氣19釐米狀態下的0-190mm汞柱吸力測量精度只有原來的34-43％。
發明內容
本發明目的是克服上述兩種已有設備存在的不足，提出一種將U型水銀管裝配到張力計主管內，並通過與可調空氣柱相結合使U型玻璃管縮短至最合理長度，以使攜帶、埋設方便、並不易破碎、使用安全、成本低廉、且在＜190mm汞柱土壤負壓下不影響測量精度的一種可調內置U型管空氣水銀張力計裝置。
本發明是通過以下技術方案來實現的一種可調內置U型管空氣水銀張力計，包括透明管、U型管、水銀柱、刻度板、導壓囊、密封蓋(包括橡皮塞)、止氣閥、陶土管；其中密封蓋固定在透明管上埠，內含水銀柱的兩側高度相等的U形管的兩端管口從密封蓋所設兩孔由下而上穿出，在其一側管口設止氣閥，在其密封蓋的下方設有導壓囊，U形管背後固定有刻度板，透明管的下埠與陶土管相連接，並在透明管與陶土管內注滿無氣水；所述U型管內兩側零位至水銀柱底部的高度均為19釐米，U形管中兩側所能形成的最大壓力差為38釐米汞柱，在兩側零位上方管內均設置等高的水柱，在U型管止氣閥的另一側埠等高處設置氣柱閥，該氣柱閥至下方水柱頂端間為氣柱，其高度為19釐米。
所述刻度板為從零位開始分別向上和向下有高度標註的面板，最高刻度為19釐米，最低刻度為-19釐米，最小刻度為1毫米。當在測量＜190mm汞柱土壤負壓時，氣柱閥打開，所讀出的水銀柱高差就是土壤負壓，在測量＞190mm汞柱土壤負壓時，氣柱閥關閉，測量時所讀出的水銀柱高差可以通過查對表1換算成土壤負壓值(因為此時水銀柱液面讀數所表示的負壓值，應包含水銀柱的高差與所封氣柱被拉長後所降低的負壓值，故必須通過計算或查表1獲得土壤的水勢負壓值)。
表1「可調內置U型管空氣水銀張力計土壤負壓測量值及精確度比值查對表」，即為水銀柱液面在刻度板上的位置所對應的氣柱閥打開和關閉狀態下測得的土壤負壓值及二者測量讀數精確度比值。表中第一項(第一、二欄)為水銀柱液面停留在刻度板上的不同位置，測量時氣柱閥一側水銀從零位向下移動，讀取的值為負值，止氣閥一側從零位向上移動，讀取的值為正值，兩者合計產生液面高差，列於第三欄。在氣柱閥打開的狀態下，第三欄的值即為土壤負壓值，在氣柱閥關閉狀態下，由第四欄查出對應的土壤負壓值(嚴格地說是溫度和氣壓均在標準狀態下測量值，詳見實施例2)。第五欄值由第三欄除以第四欄而得，表示氣柱閥關閉狀態下讀數精確度與氣柱閥打開的狀態下讀數精確度比值。
所述水柱高度為導壓囊底部至止氣閥底部的距離；所述水柱高度設為6釐米時，U形玻璃管中氣柱的長度為19釐米，兩側水銀柱的高度亦各為19釐米，水銀柱、水柱、空氣柱三者合計高度為44釐米，加上止氣閥或氣柱閥和管頭(指U形玻璃管兩端安裝止氣閥或氣柱閥後必須多餘的)部分的高度設為2釐米，則U形管的總高度為46釐米。
所述的導壓囊是一個不透水、氣，具有伸縮性的膜囊，土壤無壓差時呈乾癟狀態，有壓差時能擴張而傳遞負壓；所述的導壓囊其最大容量為容納該側U型管中排出的全部空氣和水柱之水。
通過以上技術方案形成的可調內置U型管空氣水銀張力計，在測量＜190mm汞柱的土壤負壓時(例如適宜大部分蔬菜等生長的土壤水分所對應的土壤負壓值均屬此範圍內)，可以打開氣柱閥進行測量，此時的可調內置U型管空氣水銀張力計與常規水銀張力計完全一樣，測量精度也不降低。在測量值可能＞190mm汞柱的土壤負壓時(在土壤較乾旱的情況下)，需關閉氣柱閥測量，此時水銀柱所能形成的最大壓力差也只有380mm汞柱，與常規水銀張力計相比，此時可調內置U型管空氣水銀張力計的測量讀數精度降低為原來的43％-50％(表1)。但根據李玉琪研究(李玉琪.負壓計測定土壤水分的應用分析.中國農村水利水電，1999(3)18-19)，張力計所測的土壤含水量與土壤負壓呈以下指數關係Q＝A+Bln(10s+1)…………………(1)Q為土壤重量含水率(％)，A為象徵飽和含水率的值，B為參數，s為土壤水張力(Kpa)。由公式(1)可知，在負壓較大的情況下，負壓變化引起土壤含水量的變化較小，因此，在負壓較大的情況下關閉氣柱閥測量對土壤含水量的測量結果影響也較小。
本發明的有益效果，一是本發明通過水銀柱與空氣柱相結合，使張力計的U型玻璃管長度由常規的至少76釐米縮短至實施例1的46釐米，因此大大縮短了可調內置U型管空氣水銀張力計的總長度，為張力計的攜帶與田間埋設使用提供了較大的方便。因為在標準狀態下測量土壤負壓時，陶土頭所能感應的最大負壓值為1個大氣壓，常規水銀負壓計水銀的最大注入量為能形成76釐米的高差(相當於1個大氣壓。其單邊水銀柱長度為38釐米，自零位起算，水銀面上升的最大高度也為38釐米，水銀高差為上升高度的兩倍，下同)，因此，要求U型管長度必須在76釐米以上。本發明通過計算並驗證明確，若把常規水銀張力計U型管敝開端的氣柱封住(分別具有38釐米水銀柱和氣柱高度)，在標準狀態下測量土壤負壓時，水銀柱可上升最大高度僅為23.49釐米，同時隨著U型管內所封氣柱的縮短，水銀面能上升的最大高度也隨之縮短，但從圖2可知，在氣柱高度下降到19釐米時恰與水銀柱上升最大高度的19釐米相重合(見圖2)，此後若繼續以減小氣柱的長度來縮短U型管(兩邊等高)，則水銀上升最大高度的減小程度已小於氣柱減小的程度，即水銀在上升到最大高度時，將溢出U型玻璃管。因此認為，19釐米氣柱是在零位封氣(敝開U型玻璃管管口、使兩邊水銀柱液面高度相等，均處於零刻度位置，然後關閉氣柱閥進行的封氣，稱為零位封氣)情況下實現管長最短化的最適長度。這時當土壤負壓降低到1個大氣壓時，水銀柱上升的零位距離也是19釐米，導壓囊底部至止氣閥底部的水柱高度為6釐米，張力計的U型玻璃管高為44釐米，再加上氣閥和管頭部分高度2釐米，U形管的總高度為46釐米，這一高度比普通的U型玻璃管76釐米減少30釐米，從而大大方便了攜帶與田間操作；本發明的另一優點是由於將U型水銀管裝配在張力計主管內，這使U型水銀管不易破碎、使用較為安全；本發明的再一優點是其長度雖縮短，但對＜190mm汞柱負壓的土壤水分測定時採用敝口測量，故仍保持了常規水銀張力計的同樣精度(見表1)，而＜190mm汞柱的負壓的土壤水分是大部分作物生長的正常水分條件；當需對土壤負壓＞190mm汞柱負壓的土壤水分測定時採用封口測量，測量精度降低較小。
圖1本發明可調內置U型管空氣水銀張力計結構示意圖。
圖2氣柱長度與水銀柱上升最大高度關係示意圖。
具體實施例方式
以下通過實施例結合附圖對本發明作進一步的具體說明。
實施例1參見圖1所示，本發明為一種可調內置U型管空氣水銀張力計，包括透明管1由普通玻璃管或有機玻璃管制成，用普通玻璃管做管體的可接一加工有螺紋的透明塑料管做管頭；以有機玻璃管制成管體的可直接加工螺紋管做成管頭，採用3/4英寸管徑管體，管體長度由埋深和可調內置U型管長度決定；U型玻璃管2由毛細玻璃管彎曲而成，其兩側高度為46釐米；U型玻璃管2內零位以下注入水銀形成高度為19釐米的水銀柱3；水銀柱3兩側零位以上各設置長度為6釐米的水柱11；刻度板4最高刻度為19釐米，最低刻度為-19釐米，最小刻度為1毫米；無氣水5為冷開水或蒸餾水；導壓囊6是一個不透水、氣且能擴張而傳遞負壓作用的膜囊，囊體要求既有伸縮性，又不易破裂的材料製成(如橡膠薄膜)，在U型管兩端無壓差的情況下它保持乾癟狀態，它的最大容量為容納該側U型管中排出的全部空氣和水柱之水；密封蓋7由螺紋蓋與橡膠塞組成；止氣閥8；氣柱閥9；氣柱10指由氣柱閥9與水柱11上端面間形成的長度為19釐米的氣腔；陶土管12是土壤水勢感應部件，具有透水不透氣的功能，在土壤逐漸變幹的過程中，陶土頭12及透明管1內灌滿的水分被逐步吸出而產生負壓，拉動水銀柱3和氣柱10運動，實現測量功能，本實施例為與透明管徑相配套採用直徑為20mm的陶土頭；本發明張力計的U型玻璃管2兩側水銀柱上下活動的淨高度為38釐米，其中包括氣柱10的高度19釐米，加上導壓囊6底部至止氣閥8底部距離即水柱11高度6釐米，再加上氣閥和管頭部分高度2釐米，共計僅為46釐米。
實施例2可調內置U型管空氣水銀張力計的使用方法是1、不同土壤吸力區段採用不同方法測量以保證精度根據土壤水勢的變化規律，在土壤含水量變化相同數值時，較高土壤含水量狀態下產生的負壓變化比在土壤含水量較低狀態下產生的負壓變化要小，因此，在低吸力區段，即土壤負壓值＜190mm汞柱時採取敝開本發明張力計氣柱閥測量其土壤負壓值，並從刻度板上讀取水銀柱差值，使之與普通張力計有同樣的測量精度；到測量高吸力區段土壤負壓值時，即土壤負壓值可能＞190mm汞柱時，打開止氣閥，水銀柱回零，用洗耳球吸癟導壓囊，關閉止氣閥和氣柱閥進行測量，讀取水銀柱差值後，由表1查得土壤負壓值，必要時進行實測校準。根據上述所得土壤負壓值，結合「土壤水分曲線表」即可取得土壤含水量數值。
2、調零止氣閥通常是關閉的，在稍有漏氣、或水銀柱不能回零、或測量過程中要從開口測量轉到封氣測量的情況下，開啟止氣閥調零，調零後即可關閉。
3、埋深埋深位置線以下管長為埋入土壤的深度，可根據需要製作不同埋深的張力計。本發明可調內置U型管空氣水銀張力計是一體化的，埋深線以下的管長需要在張力計製作時根據所要測量的最大深度確定，因此，測量時的埋深位置最好不要在如圖1所示的埋壓線之上，否則給張力計讀數造成不便。
4、關閉氣柱閥測量時測定值的計算與校正張力計是以水銀柱的位移顯示土壤水勢負壓的，對於普通張力計來說，水銀柱的位移與土壤水勢負壓值成直線關係，可以直接用水銀柱的位移高差表示土壤水勢負壓值，但對於空氣水銀張力計(即關閉氣柱閥進行測量時)，水銀柱的位移與土壤水勢負壓值成非直線關係，對於在標準條件下(1大氣壓、20℃)進行零位封氣張力計，土壤水勢值的計算公式為P=P0-[h0h1P0(h1-h0)276]]]>式(1)中P——土壤水勢值(負大氣壓數)；P0——標準大氣壓值；h0——封裝時空氣柱長度(釐米數)；h1——某一時刻空氣柱高度(釐米數)；在標準狀態下關閉氣柱閥進行測量而產生的不同水銀柱位移所對應的土壤負壓值已通過計算列於表1中，可以方便查得。
對於在非標準條件下所測得的數據，需要進行溫度和氣壓變化的實測校正。但根據徐福安研究(徐富安.水銀觸點式土壤水分傳感器的研製和應用.土壤，1987，19(2)91-96)，在環境溫度與標準溫度相差不超過±10℃時，其測量誤差就小於±1.7％，因此，在常溫下進行測量，測量誤差一般不會超過5％；通常，海拔高度在500米以下，氣壓變化值也在5％以下，可以取表1所列的近似值。在環境條件變化較大、對測量精度要求較高的情況下，可通過實測比較來校正。
表1水銀柱液面位置所對應的氣柱閥打開和關閉狀態下測得的土壤負壓值及二者測量精確度比值
權利要求
1.一種可調內置U型管空氣水銀張力計，包括透明管(1)、U型管(2)、水銀柱(3)、刻度板(4)、導壓囊(6)、密封蓋(7)、止氣閥(8)、陶土管(12)，其中密封蓋(7)固定在透明管(1)上埠，內含水銀柱(3)的兩側高度相等的U形管(2)的兩端從密封蓋(7)所設兩孔由下而上穿出，在其一側管口設止氣閥(8)，在其密封蓋(7)的下方設有導壓囊(6)，U形管(2)背後固定有刻度板(4)，透明管(1)的下埠與陶土管(12)相連接，並在透明管(1)與陶土管(12)內注滿無氣水(5)，其特徵是所述U型管(2)內兩側零位至底部水銀柱(3)的高度均為19釐米，在兩側零位上方管內均設置等高的水柱(11)，在U型管(2)止氣閥(8)的另一側埠等高處設置氣柱閥(9)，該氣柱閥(9)至下方水柱(11)頂端間為氣柱(10)，其高度為19釐米。
2.根據權利要求1所述張力計，其特徵是所述刻度板(4)為從零位開始分別向上和向下有高度標註的面板，最高刻度為19釐米，最低刻度為-19釐米。
3.根據權利要求1所述張力計，其特徵是所述水柱(11)高度為導壓囊(6)底部至止氣閥(8)底部的距離。
4.根據權利要求1或3所述張力計，其特徵是所述水柱(11)高度為6釐米。
5.根據權利要求1所述張力計，其特徵是所述的導壓囊(6)是一個不透水、氣具有伸縮性的膜囊，土壤無壓差時呈乾癟狀態，有壓差時能擴張而傳遞負壓。
6.根據權利要求1或5所述張力計，其特徵是所述的導壓囊(6)其最大容量為容納該側U型管中排出的全部空氣和水柱(11)之水。
全文摘要
本發明提供了一種可調內置U型管空氣水銀張力計，屬於土壤水分測定儀器設備領域。本發明包括透明管、U型管、水銀柱、水柱、氣柱、刻度板、止氣閥、氣柱閥、導壓囊、密封蓋、陶土管等部件組成。該張力計將常規U型水銀管高度縮短近一半並裝配到張力計主管內；另通過氣柱閥調控U型管內空氣柱的開或關，以分別適用於土壤水勢較低負壓區域和較高負壓區域水勢測量，這既使U型水銀管不易破碎，使用較為安全，又為張力計的攜帶與田間埋設使用提供了較大的方便，並保持了較高的測試精度。
文檔編號G01N19/00GK1766551SQ20051006099
公開日2006年5月3日 申請日期2005年10月1日 優先權日2005年10月1日
發明者陳喜靖, 奚輝 申請人:浙江省農業科學院