一種可動態測試土壤在脫濕/凍結過程水分特征的試驗系統，包括加壓脫濕系統、溫度控制系統和自動化數據采集系統，該系統是利用加壓脫濕系統和溫度控制系統相結合的方式實現土壤樣品的恒溫脫濕干燥過程和恒壓降溫凍結過程。本發明專利技術使得整個脫濕過程在溫度可調節的恒溫控制箱中進行，并完成土壤水分特征測試，從根本上減小了土壤在脫濕過程中由于溫度變化、水分蒸發、土壤體積變化、人為操作等潛在因素造成的誤差影響，另一方面通過加壓裝置實現了土壤在不同壓力條件下的降溫凍結過程，為高壓條件下土體凍結的試驗研究提供了有效的方法和手段。本發明專利技術可用于土壤試樣在設定的溫度條件下實現脫水干燥過程，也可用于土壤樣品在設定的壓力條件下實現降溫凍結過程，實現了土壤試樣動態變化過程的自動化實時監測和采集。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種試驗測試系統，具體是指一種可動態測試土壤脫濕/凍結水分變化特征的試驗系統。
技術介紹
土壤水分特征在農業生產中的農田土壤水分平衡、與包氣帶有關的水資源開發利用和生態環境保護問題、預測滲流帶污染物的遷移和工程實踐中非飽和土的固結與沉降等的研究中具有重要的作用和意義。劉蘇峽等人在2013年《植物生態學報》第37卷第1期發表的“中國根層與表層土壤水分關系分析”一文中指出“土壤水分因其作為連接地球表面土壤-植被-大氣的紐帶的特殊地位而日益受到各相關學科的關注。氣候變化、地球表面過程、天氣預報、洪澇災害、農業和水資源管理在很大程度上依賴于對土壤水分的正確認識”。為描述土壤中的水分特征，我們用土壤中的基質吸力（或水頭）和表征土壤中含水量狀況的物理量（如液態水質量、液態水體積和飽和度等）作為變量來進行土壤水分研究工作，并把這兩種變量之間的關系稱之為土壤水分特征曲線。通過土壤水分特征曲線，可以推導計算非飽和土滲透特性、非飽和土的抗剪強度、非飽和土帶水分分布及污染物遷移等所提及的一系列問題。這就要求我們能對表征土壤水分特征的基質吸力、含水量等物理量進行準確而有效的測量，從而繪制出各種土質條件和不同外部環境下的土壤水分特征曲線。鑒于現場試驗觀測周期長、費用高、不確定性因素大等缺點，室內脫濕試驗在土壤水分特征的研究工作中有著具足輕重的作用。近年來，土壤水分特征曲線的概念從非凍土逐漸向凍土領域擴展，因為土的凍結過程與脫濕過程具有很多相似性，具體表現在凍結過程中隨著液態水分的減少，土中孔隙逐漸被相變而來的固態冰所填充，而在脫濕過程中隨著液態水的逐漸耗散，土中孔隙則被隨之進入的空氣所填充。雖然兩個過程中土孔隙中的填充物有所差異，但必然存在某種內在的聯系。Spaans,E.J.A.等人在1996年在《SoilScienceSocietyofAmericaJournal》第60卷第1期發表的“TheSoilFreezingCharacteristic:ItsMeasurementandSimilaritytotheSoilMoistureCharacteristic”一文中就指出土壤的凍結和脫濕過程具有一定的相似性，并從理論上研究了兩者之間具有的關聯性，但是由于試驗條件有限，并未得到充分的試驗驗證。因此，在同一裝置中分別開展脫濕和凍結試驗及其兩者之間的相關性試驗研究是非常必要。目前，獲得土壤水分特征曲線的試驗技術和儀器主要有張力計、接觸式和非接觸式濾紙法、基于軸平移技術的壓力板（膜）儀法等。張力計法測量吸力可適用于室內試驗和現場測試，但是其可測量的吸力范圍十分有限，這也限制了這種方法的實際應用范圍，而在某些條件下土壤水在張力計與土壤之間的傳遞效率,不可能快到足以允許進行正確測定出土壤水勢變化的程度。濾紙技術因其原理簡單、造價低廉，在農業和土壤科學中得到了業內人士的極為廣泛的應用，但是當土壤吸力過大或過小時，該技術的適用性就會大打折扣，已有結論表明即使是同一類型的濾紙，由于研究者不同或濾紙批次不同，校準曲線都可能產生較大差異（盧寧等.非飽和土力學[M]（韋昌富等譯），北京：高等教育出版社，2012）。壓力膜儀法在測試過程中需要外加壓力使土壤在特定含水量下達到平衡，平衡后外加壓力值也就等于土壤吸力，該方法測試范圍大，相對準確，但也存在一定的問題與不足，比如，只能獲取平衡后的含水量和吸力值，無法監測到土壤在平衡過程中的吸力及含水量的動態變化過程，并受人為操作誤差的影響較大；另外，傳統的壓力膜儀無法控制土壤樣品的溫度，這使得在環境溫度變化較大的情況下，蒸發汽化情況比較突出，從而導致根據排水量得到的液態水含量計算值產生較大偏差（楊鋼，楊慶.土-水特征曲線測定過程中潛在影響因素與異常現象研究[J].巖土力學，2014,35（2）:397-406），這些都會在很大程度上影響土壤水分特征曲線的繪制精度。更為重要的是隨著凍土研究的深入和發展，凍結過程中土壤水分特征研究也逐漸深入，它是探究土在凍結和融化過程中物理和力學性質變化規律的一個基礎本構關系，也是凍土中水、熱、質遷移的理論研究和數值模擬的重要依據。凍結過程中土壤水分特征的理論和機制研究為寒區工程設計、施工及維護提供理論支持，而分析地面凍融過程和現象同時也是研究水文特征、其他地表特征及氣候模型的重要基礎。鑒于土壤脫濕和凍結過程在機理上具有一定的相似性，因此找出兩者之間的某種特定關系不僅可以借助已有的脫濕理論推動土壤凍結過程水分特征的研究工作，也會為脫濕過程的研究提供有益的幫助。因為當土壤處于低含水量狀態時，常溫下的脫濕過程將會變得相對困難，達到平衡的時間比較長，而凍結過程則相對容易很多。因此，當土體在含水量較低的情況下獲取水分特征曲線時，選擇凍結的方法極有可能是一種簡單快捷的方式。這就迫切需要一種試驗方法和裝置，使其能夠對脫濕和凍結兩種過程進行對比分析，從而為研究兩種過程水分特征變化的內在聯系提供基礎。如何在保證土壤脫濕過程中的測量范圍的前提下，消除測試過程中由于溫度變化、水分蒸發、人為操作等潛在因素造成的誤差影響，完成對土壤水分特征參數的有效測試勢在必行；同時，如何實現對相同土壤樣品分別進行脫濕和凍結試驗，進而對比研究兩種條件下水分特征變化的內在關系，為理論研究提供必要的試驗論證是土壤科學發展的趨勢；另外，如何能在測試過程中實時監測各變量的動態變化，并使得數據采集和存儲實現自動化，是提高土壤特征測試效率的有效途徑。因此專利技術一種集控溫和加壓為一體，可分別測試土壤在脫濕和凍結過程水分變化特征的試驗系統，對深入研究不同溫度條件下土壤的水熱變化特征都具有非常重要的意義。
技術實現思路
為解決現有土壤脫濕裝置和方法存在的缺陷和不足，以及實現土壤脫濕和凍結兩種條件下土壤水分特征曲線的對比試驗研究，本專利技術的目的旨在提供一種可動態測試土壤脫濕/凍結水分特征的試驗系統。該系統既能夠實現土壤樣品在不同溫度條件下的脫濕干燥過程，也能夠實現土壤樣品在不同空氣壓力條件下的凍結過程。同時土樣中的傳感器可以對溫度、液態水體積含量、和基質吸力等變量實現實時動態監測，并通過連接數據采集儀、計算機實現數據的自動化采集與存儲。本專利技術所采用的技術方案是：一種可動態測試土壤脫濕/凍結水分變化特征的試驗系統，包括加壓脫濕系統、溫度控制系統和自動化數據采集系統三部分，所述加壓脫濕系統包括承壓土樣箱、土樣箱頂蓋、緊固螺栓、土樣箱密封圈、中空螺栓、螺栓密封圈、間隔底座、帶排水嘴的透水石、土樣約束環、不透水膜、集水瓶、稱重模塊、土樣箱底座、溫度水分傳感器、基質吸力傳感器、加壓裝置和壓力表；所述溫度控制系統包括恒溫控制箱、箱體頂蓋、頂蓋轉軸、制冷壓縮機、壓縮機散熱片、循環風扇、電加熱絲、溫度控制儀、溫度控制面板和溫度傳感器；所述自動化數據采集系統包括傳感器引線、數據采集儀和計算機。上述恒溫控制箱通過頂蓋轉軸與箱體頂蓋連接；恒溫控制箱內設有承壓土樣箱、間隔底座、稱重模塊、土樣箱底座、制冷壓縮機、對流風扇、電加熱器、溫度控制儀；恒溫控制箱側壁設有壓縮機散熱片；壓縮機散熱片與制冷壓縮機連接；恒溫控制箱外還設有加壓裝置、溫度控制面板、數據采集儀和計算機；溫度控制面板分別與對流風扇、電加熱絲、溫度控制儀連接。承壓土樣箱1通過緊本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種可動態測試土壤脫濕/凍結水分特征的試驗系統，包括加壓脫濕系統、溫度控制系統和自動化數據采集系統三部分，其特征在于：所述的加壓脫濕系統包括承壓土樣箱（1）、土樣箱頂蓋（2）、緊固螺栓（3）、土樣箱密封圈（4）、中空螺栓（5）、螺栓密封圈（6）、間隔底座（7）、帶排水嘴的透水石（8）、土樣約束環（9）、不透水膜（10）、集水瓶（11）、稱重模塊（12）、土樣箱底座（13）、溫度水分傳感器（14）、基質吸力傳感器（15）、加壓裝置（16）、壓力表（17）；所述的溫度控制系統包括恒溫控制箱（18）、箱體頂蓋（19）、頂蓋轉軸（20）、制冷壓縮機（21）、壓縮機散熱片（22）、循環風扇（23）、電加熱絲（24）、溫度控制儀（25）、溫度控制面板（26）、溫度傳感器（27）；所述的自動化數據采集系統包括傳感器引線、數據采集儀（28）、計算機（29）；恒溫控制箱（18）通過頂蓋轉軸（20）與箱體頂蓋（19）連接；恒溫控制箱（18）內設有承壓土樣箱（1）、間隔底座（7）、稱重模塊（12）、土樣箱底座（13）、制冷壓縮機（21）、對流風扇（23）、電加熱器（24）、溫度控制儀（25）；恒溫控制箱（18）側壁設有壓縮機散熱片（22）；壓縮機散熱片（22）與制冷壓縮機（21）連接；恒溫控制箱（18）外設有加壓裝置（16）、溫度控制面板（26）、數據采集儀（28）和計算機（29）；溫度控制面板（26）分別與對流風扇（23）、電加熱絲（24）、溫度控制儀（25）連接；承壓土樣箱（1）通過緊固螺栓（3）與土樣箱頂蓋（2）連接，其內腔為一個能承受一定壓力的封閉空間；承壓土樣箱（1）內設有間隔底座（7）、帶排水嘴的透水石（8）、土樣約束環（9）、不透水膜（10）；承壓土樣箱（1）底部放置間隔底座（7）；間隔底座（7）上放置不透水膜（10）；不透水膜（10）上放置土樣約束環（9）；土樣約束環（9）內放置土樣；所述的土樣箱頂蓋（2）上設有中空螺栓（5）；中孔螺栓（5）底部設有螺栓密封圈（6）；所述的壓力表17連接加壓裝置（16）；加壓裝置（16）通過導管與承壓土樣箱（1）內腔連通；土樣內布置水分傳感器（14）和基質吸力傳感器（15）；水分傳感器（14）、基質吸力傳感器（15）通過傳感器引線與數據采集儀（28）連接；數據采集儀（28）與計算機（29）連接。...
【技術特征摘要】
1.一種可動態測試土壤脫濕/凍結水分特征的試驗系統，包括加壓脫濕系統、溫度控制系統和自動化數據采集系統三部分，其特征在于：所述的加壓脫濕系統包括承壓土樣箱（1）、土樣箱頂蓋（2）、緊固螺栓（3）、土樣箱密封圈（4）、中空螺栓（5）、螺栓密封圈（6）、間隔底座（7）、帶排水嘴的透水石（8）、土樣約束環（9）、不透水膜（10）、集水瓶（11）、稱重模塊（12）、土樣箱底座（13）、溫度水分傳感器（14）、基質吸力傳感器（15）、加壓裝置（16）、壓力表（17）；所述的溫度控制系統包括恒溫控制箱（18）、箱體頂蓋（19）、頂蓋轉軸（20）、制冷壓縮機（21）、壓縮機散熱片（22）、循環風扇（23）、電加熱絲（24）、溫度控制儀（25）、溫度控制面板（26）、溫度傳感器（27）；所述的自動化數據采集系統包括傳感器引線、數據采集儀（28）、計算機（29）；恒溫控制箱（18）通過頂蓋轉軸（20）與箱體頂蓋（19）連接；恒溫控制箱（18）內設有承壓土樣箱（1）、間隔底座（7）、稱重模塊（12）、土樣箱底座（13）、制冷壓縮機（21）、對流風扇（23）、電加熱器（24）、溫度控制儀（25）；恒溫控制箱（18）側壁設有壓縮機散熱片（22）；壓縮機散熱片（22）與制冷壓縮機（21）連接；恒溫控制箱（18）外設有加壓裝置（16）、溫度控制面板（26）、數據采集儀（28）和計算機（29）；溫度控制面板（26）分別與對流風扇（23）、電加熱絲（24）、溫度控制儀（25）連接；承壓土樣箱（1）通過緊固螺栓（3）與土樣箱頂蓋（2）連接，其內腔為一個能承受...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張明義，張熙胤，裴萬勝，路建國，晏忠瑞，
申請(專利權)人：中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，
類型：發明
國別省市：甘肅;62
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