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一種模擬水流運動規律的測試系統的製作方法

2023-10-22 22:34:02 1

專利名稱:一種模擬水流運動規律的測試系統的製作方法
技術領域:
本發明涉及節水灌溉設備領域,特別是涉及一種模擬水流運動規 律的測試系統。
背景技術:
國內外對灌溉水流運動規律做了大量工作,目前研究灌溉水流運 中人工觀測法由於操作簡單為多數研究者經常釆用,該方法需要大量
人力,而且通過該方法獲取試驗數據精度較低;利用紅外線原理研製 出的地表水流自動監測系統精度較高,然而由於造價升高使得使用範 圍受到限制。

發明內容
本發明的目的是提供一種可以精確、可視、可定量模擬地表灌溉 水流運動規律的測試系統。
為達到上述目的,本發明的技術方案提供 一種模擬地表灌溉水流 運動規律的測試系統,包括試驗土體,所述土體表面設有灌水溝; 供水裝置,為所述試驗土體供水並且通過所述灌水溝與所述試驗土體 相連;地表水流自動視頻採集裝置,用來獲取試驗中所述土體上方水 流運動過程中水深變化圖像及數據,從而來模擬水流運動規律。
其中,所述土體上表面設置灌水溝,所述灌水溝斷面形狀以大田 地表灌溉溝道為原型,其溝道的底寬、溝深、邊坡、糙率以及比降等 因素根據佛汝德準則確定;
其中,所述土體為均質土體;
其中,所述供水裝置包括提水單元、儲水容器、流量計、輸水管 道以及消能水箱;其中,所述儲水容器為定水頭供水裝置, 一端通過所述輸水管道 與所述提水單元相連,另一端通過所述輸水管道與所述消能系統相 連;
其中,所述提水單元由所述輸水管道與所述儲水容器相連,用於 將試驗用水通過水泵輸送到所述儲水容器;
其中,所述消能水箱為下表面開口,上表面留有溢流嘴的空心立 方體鐵箱,儲水容器中出來的水流經輸水管道進入消能水箱下表面開
口,然後通過水箱上部的溢流嘴進入所述灌水溝中;
其中,所述流量計接於入溝處的輸水管道上,用於測定入溝流量;
其中,所述地表水流自動視頻釆集裝置包括若干刻度尺、圖像獲 取單元、圖像釆集單元以及圖像顯示單元;
其中,所述刻度尺插入所述灌水溝相同深度處,沿溝長方向等距 離排列,用於測量不同時刻、不同位置處的水深;
其中,所述圖像獲取單元與所述刻度尺一一對應,面朝所述刻度 尺有刻度的一面放置,用於實時監測並獲取顯示水深的刻度尺圖像;
其中,所述圖像釆集單元,與所述圖像獲取單元相連,用於釆集 圖像獲取單元所獲取到的顯示水深的刻度尺圖像;
其中,所述圖像顯示單元,與所述圖像釆集單元相連,用於顯示 釆集圖像單元所釆集到的圖像;
其中,所述圖像獲取單元為攝像頭,所述圖像顯示單元為液晶顯 示器;
其中,所述測試系統還包括還包括土壤水分自動採集裝置,用來 釆集水流過程中土壤的水分含量,從而來模擬所述土體中的水分分布 規律;
其中,土壤水分自動釆集裝置,包括數據獲取單元及數據處理單 元,所述數據獲取單元預埋在所述試驗土體中,用於定時釆集土壤體 積含水率,所述數據獲取單元與所述數據處理單元通過數據釆集器相連,用於獲取所述土體中的水分含量數據並且得出土壤水分分布的三 維圖。
其中,所述測試系統還包括用來加速空氣流動、增加土面蒸發量 的蒸發裝置;
其中,所述蒸發裝置位於所述試驗土體上方,包括若干電扇,用 於加速空氣流動,增加土面增發量,並且通過開關所述電扇數量來控
制蒸發量;
上述技術方案僅是本發明的一個優選技術方案,具有如下優點
本發明水流運動規律測試平臺釆用均質土體,可調節定水頭供水系 統,以及自動視頻釆集系統,反映水流推進的動態過程,體現水分在 土壤中的空間分布,通過該平臺可以精確、可視、可定量模擬和研究 地表水流及其運動過程中伴隨的土壤水分分布規律。該平臺具有功能 全面、精確、可靠性高、成本低的優點。


圖l是本發明實施例的測試系統整體結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例,對本發明的具體實施方式
作進一步詳細 描述。以下實施例用於說明本發明,但不用來限制本發明的範圍。
在圖l中,本發明的測試系統由試驗土體、供水裝置、地表水流 自動視頻釆集裝置、土壤水分自動釆集裝置以及蒸發裝置構成。
該實施例中的試驗土體位於土槽之內,為顆粒直徑小於2mm的均 質土體,釆用分層分段方法夯實至設計容重。所述土槽為8.0x l.2x 1.01113的空心立方體結構,底部設置沿所述土槽長度方向的排水渠道。 在所述土體表面設計灌水溝,所述灌水溝斷面形狀以大田地表灌溉溝 道為原型,試驗溝道的底寬、溝深、邊坡、糙率以及比降等因素由佛 汝德準則確定。
本發明實施例中的排水系統包括底部排水和溝道尾部排水,水流量較小時釆用尾部排水,水流量較大時同時釆用溝底排水和尾部排 水。
本發明實施例的測試系統中的供水裝置由儲水容器、流量計、提 水單元、輸水管道以及消能水箱組成。所述儲水容器按照"馬氏瓶" 原理設計供水裝置,容積為212L,用於根據試驗要求調節不同的水位 高度;所述提水單元將試驗水通過水泵輸送到所述儲水容器中,通過 所述輸水管道進入消能水箱,壓力水流先從水箱底部進入水箱,然後
通過水箱上部的溢流嘴進入溝中,所述消能水箱結構為60 x 60 x 100cm3 (長x寬x高)。水流由水箱底部到達水箱上部的過程中上升 的高度為100cm,在此過程中,水流的一部分動能轉化為重力勢能, 使得水動能減少,起到消能的作用。在輸水的過程中可以根據調節閥 門來控制入溝流量並且利用所述流量計進行測定。
本發明實施例的測試系統中的地表水流自動視頻釆集裝置由刻 度尺、攝像頭、監控軟體以及液晶顯示器構成,用於從試驗中獲取水 流運動過程中水深變化的圖像和數據;所述刻度尺插入所述灌水溝中 不同位置的相同土壤深度處,沿溝長方向等間距排列,間隔為一米, 用於監測某一位置不同時刻水深變化以及同一時刻沿溝長方向不同 位置處水深的變化;所述攝像頭與所述刻度尺相對而立,面朝有刻度 的一面,所述攝像頭與所述刻度尺一一對應;所述監控軟體與所述液 晶顯示器一起,用於採集並顯示試驗過程中不同時刻水深隨位置的變 化關係圖像;所述監控軟體,圖像壓縮MPEG-4,聲音壓縮G729a, 圖像解析度320 x 240, 640 x 480。
其中,水流在運動過程中滿足下述方程
連續方程
formula see original document page 7運動方禾

formula see original document page 7式中,y為水深,屍bi, b,h為經驗常數(be (1, 3), he (0, l)); 》為水力坡度;x為水平距離;S。為地面坡度;A為過水斷面面積;t 為時間;Q為流量;Z為水深。
本發明實施例的測試系統中的土壤水分自動釆集裝置由預埋在 所述土體中的水分自動監測儀與裝有數據處理軟體的PC機通過數據 釆集器相連而構成,用來定時釆集土壤的體積含水率,從而得出土壤 水分分布的三維圖。預埋的方法是在溝的首端起30cm處,在溝斷 面中心線兩側15cm的縱向上,從地表每隔15cm埋設一個探頭。所述 監測儀可以直接釆集到體積含水率,利用數據分析軟體分析所釆集到 的數據,即可生成土壤水分的三維分布圖。
本發明實施例的測試系統上可調控的土面蒸發裝置設置於所述 試驗土體上方,由六個電扇組成,所述每臺電扇功率為80w,扇葉直 徑1400mm,通過開關電扇的數量控制土面蒸發速度。
利用本發明測試系統在溝灌條件下研究水流運動規律及土壤水 分分布規律的操作過程包括以下步驟
確定試驗條件包括灌溉流量、水位高度、灌溉水質以及排水條件;
準備所述試驗條件;
檢查所述地表水流自動視頻釆集裝置與所述土壤水分自動採集 裝置是否正常,若所述釆集裝置正常,開啟所述釆集裝置;
打開球閥放水,所述球閥開啟角度根據設計流量而定,具體流量
通過流量計調節;同時根據試驗蒸發要求相應打開風扇,控制時間為 設計蒸發時間。
觀察所述視頻釆集裝置中圖像傳送是否準確流暢,若所述圖像傳 送準確流暢,則水流運動狀態正常,則繼續灌水直到設計灌溉流量; 若在入口處出現衝刷、塌陷等異常情況,則停止試驗。
關閉閥門和土壤水分自動釆集裝置,水分自動監測儀所監測到的 體積含水率數據,經過數據釆集器進入裝有數據處理軟體的PC機,處理所述體積含水率數據,並且生成土壤體積含水率的空間分布圖。 將地表水流自動視頻釆集裝置所釆集到的顯示水深的刻度尺讀 數的圖像進行分析,讀取並記錄某 一特定位置處水深隨時間的變化關 系,以及同一時刻不同位置處水深的讀數,結合所述刻度尺在灌水溝 中的位置,繪製水流運動過程中地表水深度隨時間的變化規律以及地 表水深度隨其在溝中位置變化的規律圖形。
上述水分自動監測儀也可以釆用HOBO水分自動監測儀,其測量
範圍介於0_40.5%,精度為±3%,解析度為0.04%。數據處理軟體 也可以採用sufer8.0數據處理軟體。
以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對於本技術領 域的普通技術人員來說,在不脫離本發明技術原理的前提下,還可以 做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種模擬地表灌溉水流運動規律的測試系統,其特徵在於,包括試驗土體,所述試驗土體表面設有灌水溝;供水裝置,通過所述灌水溝為所述試驗土體供水;水流自動視頻採集裝置,用來採集試驗土體表面灌水溝中不同位置處水的深度。
2、 如權利要求l所述的測試系統,其特徵在於,所述試驗土體表 面的灌水溝以大田地表灌溉溝道為原型,其底寬、溝深、邊坡、糙率 以及比降等因素根據佛汝德準則確定。
3、 如權利要求l所述的測試系統,其特徵在於,所述試驗土體為 均質土體。
4、 如權利要求l所述的測試系統,其特徵在於,所述供水裝置包括儲水容器;提水單元,用於將水輸送到所述儲水容器中; 輸水管道,連接所述儲水容器與所述消能水箱; 流量計,接於所述輸水管道上,用來測定水流量。
5、 如權利要求l所述的測試系統,其特徵在於,所述水流自動視 頻釆集裝置包括若干刻度尺,用於測量所述土體表面水流在運動過程中不同位置的水深;圖像獲取單元,用於獲取顯示水深的刻度尺圖像; 圖像釆集單元,用於釆集圖像獲取單元所獲取的顯示水深的刻度尺圖像;圖像顯示單元,與所述圖像釆集單元連接,用於顯示圖像採集單 元所釆集到的顯示水深的刻度尺圖像。
6、 如權利要求l-5中任一項所述的測試系統,其特徵在於,還包 括土壤水分自動釆集裝置,用來採集水流過程中土壤的水分含量。
7、 如權利要求6所述的測試系統,其特徵在於,所述土壤水分自動釆集裝置,包括數據獲取單元,預埋在所述試驗土體中,用於獲取所述土體中的水分含量數據;數據處理單元,通過數據釆集器與所述數據獲取單元相連,用於 得出土壤水分分布的三維圖。
8、 如權利要求l-7中任一項所述的測試系統,其特徵在於,還包 括蒸發裝置,用於加速空氣流動,增加土面蒸發量。
9、 如權利要求8所述的測試系統,其特徵在於,所述蒸發裝置包括若干電扇,通過開關所述電扇數量來控制蒸發量。
全文摘要
本發明公開了一種用來模擬地表灌溉水流運動規律的測試系統。所述測試系統包括試驗土體,所述土體表面設有灌水溝;供水裝置,通過所述灌水溝與所述試驗土體相連並為所述土體供水,包括儲水容器、流量管、提水單元、輸水管道以及消能水箱;地表水流自動視頻採集裝置,包括設置於所述灌水溝中的刻度尺以及圖像獲取裝置、圖像採集裝置以及圖像顯示裝置。通過該系統可以模擬灌溉地表水流運動規律。該系統具有功能全面、精確、可靠性高、成本低的優點。
文檔編號G01B11/22GK101285731SQ20081011439
公開日2008年10月15日 申請日期2008年6月4日 優先權日2008年6月4日
發明者任樹梅, 尹明玉, 李仙嶽, 楊培嶺, 楊林林, 王成志, 龍 陳 申請人:中國農業大學

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