(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810617413.2
(22)申请日 2018.06.15
(71)申请人 中国地质科学院水文地质环境地质
研究所
地址 056007 河北省石家庄市中华北大街
268号
(72)发明人 杨会峰 孟瑞芳 靳恩春
(51)Int.Cl.
G01L 7/18(2006.01)
(54)发明名称一种土壤空气压力监测装置及其监测方法(57)摘要本发明公开了一种土壤空气压力监测装置及其监测方法，包括空气压力监测装置本体、水位控制装置、土壤空气采集及压力装置，空气压力监测装置本体由土壤空气压力监测传感部件，土壤空气采集及压力平衡装置、空气压力补偿计组成、压力传导管、观测面板、由土壤空气压力测管、大气压力测管、刻度计、水位控制装置、大气压力计这些部分组成，空气压力监测装置本体上的土壤空气采集及压力平衡装置与土壤空气连通，水位控制装置与当地大气连通，土壤空气压力测管为土壤空气压力测管，当土壤中空气压力与大气压存在气压差时，会驱动土壤空气压力测管两侧的观测液上下移动，通过观测土壤空气压力测管中液面差，计算土壤中空气压力与大气的气压差， 进而计算土壤空气压力。权利要求书2页 说明书4页 附图2页CN 108444636 A 2018.08.24
C N 108444636
A
1.一种土壤空气压力监测装置，包括土壤空气压力监测装置本体(1)，其特征在于：所述土壤空气压力监测装置本体(1)上设有测试管安装箱体(22)，测试管安装箱体(22)的顶部设有观测面板(3)，所述测试管安装箱体(22)的后方设有水位控制装置(2)，所述测试管安装箱体(22)的左侧侧壁外侧设有大气压力计(5)，所述大气压力计(5)的外侧设有刻度计(8)，所述测试管安装箱体(22)的左侧底端设有压力传导管(6)，压力
传导管(6)的一端与测试管安装箱(22)的后方底端连接，压力传导管的(6)另一端设有土壤空气采集压力平衡装置(7)、观测面板(3)连接，所述土壤空气采集压力平衡装置(7)的连接段设有密封塞，所述观测面板(3)的底部设有底座支架(9)，所述观测面板(3)上设有土壤空气压力测管(21)，大气压力测管(4)，刻度计(8)，所述土壤空气压力测管(21)通过观测面板顶部与压力传导管(6)连接，土壤空气压力测管(21)通过观测面板底部与水位控制装置(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种土壤空气压力监测装置，其特征在于：所述水位控制装置(2)上设有水位控制箱(15)，所述水位控制箱(15)的右上方设有水位控制管(16)，所述水位控制管(16)与控制器(18)连接处设有止血钳(17)，所述控制器(18)的内部设有脚踏真空泵(19)、大型号注射器(20)，所述水位控制箱(15)的顶部靠近一侧边缘设有大气连接孔(14)，大气连接孔(14)直径为直径5cm，水位控制箱(15)分别于大气压力测管(4)、土壤空气压力测管(9)连通。
3.根据权利要求1所述的一种土壤空气压力监测装置，其特征在于：所述土壤空气采集压力平衡装置(7)上设有压力室(10)，所述压力室(10)的一端设有陶土头(11)，所述压力室(10)的一侧设有空气压力补偿计(12)，所述空气压力补偿计(12)上设有压力室(10)，压力室(10)的一端设有多孔塑料头(13)，两个压力室(10)之间连通，所述土壤空气采集压力平衡装置(7)与空气压力补偿计(12)以30-45°的夹角置于土壤中，所述土壤空气采集压力平衡装置(7)与压力传导管(6)连接。
4.根据权利要求1所述的一种土壤空气压力监测装置，其特征在于：所述测试管安装箱体(22)的内部两侧侧壁设有大气压力测管(4)，所述大气压力测管(4)的一侧设有刻度计(8)，所述大气压力测管(4)之间设有土壤空气压力测管(21)，所述土壤空气压力测管(21)后设有刻度计(8)。
5.根据权利要求4所述的一种土壤空气压力监测装置，其特征在于：所述大气压力测管(4)与土壤空气压力测管(21)的内部设有墨水。
6.根据权利要求4所述的一种土壤空气压力监测装置，其特征在于：所述大气压力测管(4)的内部设有墨水。
7.根据权利要求1所述的一种土壤空气压力监测装置，其特征在于：所述观测面板(3)的底部设有底座支架。
8.根据权利要求1所述的一种土壤空气压力监测装置，其特征在于：所述空气压力监测装置本(1)对土壤空气压力检测的计算公式为：
P土＝P大气+ΔZ液面*9.8
式中：P土表示土壤空气压力，单位：帕斯卡；P大气表示当地大气压力，单位：帕斯卡；ΔZ液面表示液面差。
9.实现权利要求1所述的一种土壤空气压力监测装置，其监测方法包括以下步骤：
A、首先将土壤空气采集压力装置(7)及压力平衡装置置于土壤中；
B、给水位控制装置(2)注水，合理控制其水位；
C、土壤中的空气通过陶土头(11)，进入土壤空气采集及压力装置(7)的压力室，压力室
(10)另一端连通压力传导管(6)-土壤空气压力测管(21)-水位控制装置(2)，压力室(10)中土壤空气压力与大气压力达成压力平衡；
D、当压力室(10)中出现压力增大，土壤空气压力测管两端观测液产生液面差，测量出液面差的大小，然后通过计算公式得到土壤空气压力。
一种土壤空气压力监测装置及其监测方法
技术领域
[0001]本发明涉及土壤空气压力监测技术领域，具体为一种土壤空气压力监测装置及其监测方法。
背景技术
[0002]水在包气带中的入渗过程实质上是水和空气在多孔介质中的驱替过程。传统包气带水分运移认为，空气流动性远远大于水的流动性，空气可以自由进入和排出，因此忽略包气带中的的气压变化。实际上，在水和空气的相互驱替过程中，空气的流动会对水的入渗速率产生入渗阻力或阻滞作用。非饱和带水-气二相流研究核心问题是包气带中水分和气体运动相互影响效应及机理问题。
[0003]目前非饱和带水分(土壤含水率、土水势、温度等)有成熟的监测设备，存在的突出问题是土壤气相(土壤空气压力)变化没有相应的监测设备，严重阻碍着水-气二相流研究工作。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种测量精度高，同时还能通过公式准确计算出土壤空气压力大小的一种土壤空气压力监测装置及其监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种土壤空气压力监测装置，包括土壤空气压力监测装置本体，所述土壤空气压力监测装置本体上设有测试管安装箱体，测试管安装箱体的顶部设有观测面板，所述测试管安装箱体的后方设有水位控制装置，所述测试管安装箱体的左侧侧壁外侧设有大气压力计，所述大气压力计的外侧设有刻度计，所述测试管安装箱体的左侧底端设有压力传导管，压力传导管的一端与测试管安装箱的后方底端连接，压力传导管的另一端设有土壤空气采集压力平衡装置、观测面板连接，所述土壤空气采集压力平衡装置的连接段设有密封塞，所述观测面板的底部设有底座支架，
所述观测面板上设有土壤空气压力测管，大气压力测管，刻度计，所述土壤空气压力测管通过观测面板顶部与压力传导管连接，土壤空气压力测管通过观测面板底部与水位控制装置连接。[0006]优选的，所述水位控制装置上设有水位控制箱，所述水位控制箱的右上方设有水位控制管，所述水位控制管与控制器连接处设有止血钳，所述控制器的内部设有脚踏真空泵、大型号注射器，所述水位控制箱的顶部靠近一侧边缘设有大气连接孔，大气连接孔直径为直径5cm，水位控制箱分别于大气压力测管、土壤空气压力测管连通。
[0007]优选的，所述土壤空气采集压力平衡装置上设有压力室，所述压力室的一端设有陶土头，所述压力室的一侧设有空气压力补偿计，所述空气压力补偿计上设有压力室，压力室的一端设有多孔塑料头，两个压力室之间连通，所述土壤空气采集压力平衡装置与空气压力补偿计以30-45°的夹角置于土壤中，所述土壤空气采集压力平衡装置与压力传导管连接。
[0008]优选的，所述测试管安装箱体的内部两侧侧壁设有大气压力测管，所述大气压力测管的一侧设有刻度计，所述大气压力测管之间设有土壤空气压力测管，所述土壤空气压力测管后设有刻度计。
[0009]优选的，所述大气压力测管与土壤空气压力测管的内部设有墨水。
[0010]优选的，所述观测面板的底部设有底座支架。
[0011]优选的，所述空气压力监测装置本体对土壤空气压力检测的计算公式为：[0012]P土＝P大气+ΔZ液面*9.8
[0013]式中：P土表示土壤空气压力，单位：帕斯卡；P大气表示当地大气压力，单位：帕斯卡；ΔZ液面表示液面差。
[0014]优选的，一种土壤空气压力监测装置，其监测方法包括以下步骤：
[0015]A、首先将土壤空气采集压力装置及压力平衡装置置于土壤中；
[0016]B、给水位控制装置注水，合理控制其水位；
[0017]C、土壤中的空气通过陶土头，进入土壤空气采集及压力装置的压力室，压力室另一端连通压力传导管-土壤空气压力测管-水位控制装置，压力室中土壤空气压力与大气压力达成压力平衡；
[0018]D、当压力室中出现压力增大，土壤空气压力测管两端观测液产生液面差，测量出液面差的大小，然后通过计算公式得到土壤空气压力。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0020](1)设计土壤空气压力监测装置，可以监测不同深度土壤空气压力，为水气二相流研究提供监测数据；
[0021](2)采用墨水作为观测液，大大提高了压力监测精度，水银与墨水的密度比为13.6∶1，替换后墨水的读数精度提高13.6倍，精度由1332.8帕提高到98帕；
[0022](3)增加水位控制装置的高度，通过控制高低水位，进而增加土壤空气压力监测装置的量程；
[0023](4)陶土头是土壤空气压力监测装置的传感部件，由具有均匀微细孔隙的陶土材料制成，陶土头制作的土壤空气采集及压力平衡装置可以防止水分或异物进入，达到长时间监测的目的。
附图说明
[0024]图1为本发明空气压力监测装置本体结构示意图；
[0025]图2为本发明空气压力监测装置本体侧面示意图；
[0026]图3为本发明土壤空气采集及压力装置结构示意图；
[0027]图4为本发明水位控制装置示意图。
[0028]图中：1、土壤空气压力监测装置本体；2、水位控制装置；3、观测面板；4、大气压力测管；5、大气压力计；6、压力传导管；7、土壤空气采集及压力平衡装置；8、刻度计；9、底部支架；10、压力室；11、陶土头；12、空气压力补偿计；13、多孔塑料头；14、大气连接孔；15、水位控制箱；16、水位控制管；17、止血钳；18、控制器；19、脚踏真空泵；20、大型号注射器；21、土壤空气压力测管；22、测试管安装箱体。
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