Прибор для определения давления входа воздуха почв и других пористых материалов

 

Изобретение относится к гидрофизике почв и мелиоративному почвоведению и предназначено для определения давления входа воздуха (барботирования) почв и других пористых материалов. Предложенный прибор содержит сосуд с сетчатой мембраной в нижней части для установки образца, измерительную бюрету и соединяющий их гибкий шланг. В отличие от известных приборов, сосуд с образцом связан с устройством и измерительным датчиком вертикального перемещения, бюрета установлена горизонтально им, снабжена измерительным датчиком горизонтального перемещения столба содержащейся в ней жидкости. Датчики перемещений подключены соответственно к вертикальному и горизонтальному входам двухкоординатного регистрирующего устройства. Давление входа воздуха почв определяется по точке излома кривой, регистрируемой двухкоординатным самописцем при медленном восходящем перемещении сосуда с образцом. Изобретение повышает точность и объективность определения этого давления. 1 ил.

Изобретение относится к гидрофизике почв и мелиоративному почвоведению и предназначено для определения давления входа воздуха, или барботирования, P_в, под которым понимают ту величину эквивалентного давления почвенной влаги (матричного потенциала), при котором в двухфазной водонасыщенной системе освобождаются от жидкости самые крупные поры. Величина P_в играет важную роль при оценке газового режима почвы (аэрация) и как параметр моделей основной гидрофизической характеристики почв [1] Известен полевой прибор для измерения давления входа воздуха, состоящий из цилиндра-инфильтрометра, открытого снизу и снабженного сверху крышкой, к которой присоединены вакууметр и стояк с водой. При измерениях цилиндр врезают в почву, пространство под крышкой над почвой заполняют водой и наблюдают за отсчетом вакууметра. По мере впитывания воды над крышкой возникает разрежение и вакуум начинает нарастать. В момент достижения давления входа воздуха прорывается сквозь смоченную толщу в пространство под крышкой, и вакуум начинает падать. Максимальный зарегистрированный вакуум (минимальное давление) принимают за давление входа воздуха.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является лабораторное устройство для определения давления входа воздуха почв, содержащее сосуд (кернодержатель) с сетчатой мембраной в нижней части для размещения образца, измерительную бюрету со шкалой, установленную вертикально с возможностью перемещения вниз, и соединяющий их гибкий шланг прототип [2] Для определения давления входа воздуха насыщенный водой образец почвы ненарушенного сложения помещают на сетчатую мембрану, подмембранную часть сосуда соединяют с подвижной бюреткой, заполняют водой и, опуская уровень воды в бюрете ниже сетчатой мембраны, создают перепад давления. Достижение давления входа воздуха фиксируют по изменению уровня воды в бюрете для снижения на увеличение, а величину этого давления определяют по вертикальному расстоянию между уровнем воды в бюрете и верхним краем почвенного образца.

В устройствах по аналогу и прототипу момент достижения давления входа воздуха фиксируется субъективно, на глаз, что снижает точность и объективность определения давления входа воздуха почв и других пористых материалов.

Заявляемое изобретение решает задачу автоматической фиксации момента достижения давления входа воздуха и позволяет повысить точность и объективность определения этого давления.

Прибор для определения давления входа воздуха почв и других пористых материалов, согласно изобретению, содержит сосуд с сетчатой мембраной в нижней части для установки образца, измерительную бюрету и соединяющий их гибкий шланг, выполненный с возможностью изменения их относительно уровня, и отличается от прототипа тем, что сосуд с образцом связан с устройством и измерительным датчиком вертикального перемещения, бюрета установлена горизонтально и снабжена измерительным датчиком горизонтального перемещения столба содержащейся в ней жидкости, а датчики перемещений подключены соответственно к вертикальному и горизонтальному входам двухкоординатного регистрирующего устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически представлено устройство прибора.

На основании 1 установлена стойка 2 высотой 150 см (P_в почв, измеренное в сантиметрах водяного столба, редко превышает по модулю 100 см), на которой с помощью держателя 3 закреплен сосуд 4 для образца с сетчатой мембраной 5. Сосуд 4 гибким шлангом 6 соединен с установленной горизонтально измерительной бюретой 7, представляющей собой открытую со свободного конца трубку. Длина шланга 6 обеспечивает возможность перемещения сосуда 4 вдоль стойки 2. Бюрета 7 закреплена на второй стойке 8. Держатель 3 сосуда 4 соединен с измерительным датчиком вертикального перемещения 9, в простейшем случае представляющем собой реохорд 10, натянутый вдоль параллельной стойки 11 на изоляционные опоры 12. Концы реохорда подключены к источнику питания 13, а скользящий контакт 14 держателя 3 сосуда 4 соединен с сигнальной клеммой входа вертикального отклонения Y двухкоординатного самописца 15. Вторая (корпусная) клемма входа V соединена с нижним концом реохорда 10, поэтому напряжение на входе Y самописца 15 пропорционально высоте подъема сосуда 4 над нижним концом реохорда 10. Бюрета 7 снабжена измерительным датчиком горизонтального перемещения столба содержащейся в ней жидкости 16. Этот датчик может быть выполнен емкостным и содержать электроды 17, установленные вдоль бюреты и включенные в одно из плеч емкостного моста 18, высокочастотный генератор 19, служащий для питания моста 18, усилитель сигнала рассогласования моста 20 и фазовый детектор 21, опорное напряжение к которому U_оп подведено от генератора 19.

Выход фазового детектора 21, являющийся выходом датчика горизонтального перемещения 16, соединен с входом горизонтального отклонения X самописца 15. Питатель 22 с краном 23 служит для заполнения системы водой. Устройство вертикального перемещения сосуда 4 содержащее стойку 2 и держатель 3, может использоваться для ручного перемещения сосуда. В другом варианте стойка 2 может иметь резьбу (на чертеже не показана) и, как ось, приводится во вращательное движение реверсивным двигателем 24, приводя к перемещению держателя 3, имеющего резьбовое соединение со стойкой 2, вдоль стоек 2 и 11. Это автоматизирует перемещение сосуда 4 по вертикали.

Определение P_в с помощью данного прибора осуществляют следующим образом. Сосуд 4 с водонасыщенным образцом 25, размещенным на сетчатой мембране 5, приводят в нижнее положение так, чтобы поверхность образца совпадала с уровнем бюреты 7. С помощью питателя 22 и крана 23 систему заполняют водой и кран устанавливают в положение измерения. Включают самописец 15 и питание датчиков вертикального 9 и горизонтального 16 перемещений. Затем вручную или включением двигателя 24 осуществляют медленное восходящее перемещение сосуда 4 с образцом 25. При этом самописец 15 регистрирует кривую 26. Ординаты точек этой кривой прямо пропорциональны высоте подъема H образца 25 над бюретой 7 или разрежению P, возникающему под сетчатой мембраной 5 сосуда 4. Абсциссы точек соответствует длине L столба содержащейся в бюрете 7 жидкости. По мере подъема сосуда 4 в паровой жидкости образца почвы 25 создается пониженное по сравнению с атмосферным давление ("сосущая сила"). Вследствие этого длина L столба содержащейся в бюрете 7 жидкости будет уменьшается. В момент, когда высота подъема (H_max) сосуда 4 создает в поровой жидкости образца 25 давление, равное давлению входа воздуха P_в, самые крупные поры будут освобождаться от жидкости. При этом происходит вытеснение воды в подмембранном пространстве воздухом, и длина L столба содержащейся в бюрете жидкости начнет увеличиваться. В результате кривая 26, регистрируемая самописцем 15, имеет излом в точке 27, соответствующей давлению входа воздуха P_в почвы или другого пористого материала. Давление P_в определяется по ординате точки 27, причем вертикальная шкала самописца 15 может быть проградуирована непосредственно в единицах давления.

Вместо двухкоординатного самописца может использоваться компьютер с интерфейсом, а при наличии мультиплексора измерения можно выполнять одновременно на несколько приборах, что ускорит процесс измерений и обеспечит их массовость.

Формула изобретения

Прибор для определения давления входа воздуха почв и других пористых материалов, содержащий сосуд с сетчатой мембраной в нижней части для установки образца, измерительную бюрету и соединяющий их гибкий шланг, выполненный с возможностью изменения их относительного уровня, отличающийся тем, что сосуд с образцом связан с устройством и измерительным датчиком вертикального перемещения, бюрета установлена горизонтально и снабжена измерительным датчиком горизонтального перемещения столба содержащейся в ней жидкости, датчики перемещений подключены соответственно к вертикальному и горизонтальному входам двухкоординатного регистрирующего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1