專利名稱：一種測量飽和土壤溶液中鹽分濃度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量裝置，特別是關(guān)于一種實時監(jiān)測飽和土壤溶液中鹽分濃 度的測量裝置。
技術(shù)背景目前水資源短缺和水環(huán)境的污染已成為制約當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素， 被污染水體中的重金屬、鹽分往往又通過入滲進(jìn)入到土壤和地下水中，對人類的 健康產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。這些重金屬和鹽分在地下水中的遷移形態(tài)往往比較復(fù)雜， 現(xiàn)有的監(jiān)測手段很難定量的分析其動態(tài)過程，主要原因有1、地表介質(zhì)空間結(jié)構(gòu) 的復(fù)雜性導(dǎo)致了地下水運(yùn)動形態(tài)復(fù)雜；2、可溶物(包括重金屬、鹽分)與介質(zhì)發(fā)生 物理化學(xué)和生物化學(xué)作用；3、地下水埋藏在地面之下，不易監(jiān)測。因此，對飽和 土壤溶液中鹽分進(jìn)行較為精確的動態(tài)監(jiān)測是定量描述可溶物在飽和介質(zhì)中動態(tài)過 程的必要條件，本發(fā)明有著較為廣闊的應(yīng)用前景。 發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠為模擬可溶物在地下水中的遷 移過程提供技術(shù)支持的測量飽和土壤溶液中鹽分濃度的裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種測量飽和土壤溶液中鹽分 濃度的裝置，其特征在于，它包括 一密封的土槽，所述土槽內(nèi)填充有土壤；在 所述土槽的兩側(cè)分別為一恒定水箱，所述兩恒定水箱內(nèi)靠近所述土壤的一側(cè)依次 設(shè)置一銅絲網(wǎng)和一篩孔板；所述兩恒定水箱的上方分別連接一控制壓差的定水頭 水箱，進(jìn)水一側(cè)的所述定水頭水箱通過一恒流泵及一換向閥并聯(lián)一純水存放桶和 一鹽溶液存放桶；所述土壤中埋設(shè)有多個鹽分傳感器，所述多個鹽分傳感器通過 導(dǎo)線分組連接在多個設(shè)置在所述土槽外面的鹽分濃度數(shù)據(jù)采集器上；各所述數(shù)據(jù) 采集器連接一個數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器連接一計算機(jī)。所述鹽分濃度傳感器上設(shè)置有四個探針，兩側(cè)的所述探針作為激勵電流輸入 端，中間的兩所述探針作為電壓測量端。所述鹽分濃度數(shù)據(jù)采集器包括一個溫度傳感器接口 ，多個鹽分濃度傳感器接 口， 一個電源接口和一個通訊接口；所述每一個鹽分濃度傳感器接口連接一個鹽 分濃度傳感器，所述通訊接口連接所述數(shù)據(jù)處理器。所述溫度傳感器接口上連接一溫度傳感器。 本發(fā)明裝置的運(yùn)行原理是，在通過飽和溶液鹽分傳感器向土槽中裝填的飽和 土壤通入電流時，土壤中導(dǎo)電的主要是水和溶于水中的電解質(zhì)以及粘粒表面的交 換性陽離子，可測出鹽分傳感器兩個內(nèi)探針之間的電位差并得到電阻值，然后根 據(jù)電極常數(shù)、電阻值及該溫度條件下的溫度系數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)條件下的土壤溶液的 電導(dǎo)率(25'C時的電導(dǎo)率)，再根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的溶液鹽分濃度和電導(dǎo)率的關(guān)系，即可求出溶質(zhì)在土壤運(yùn)移過程中鹽分(NaCl)濃度的時空變化規(guī)律。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明操作靈活，通過埋設(shè)在土槽中的傳感器，可以對土槽內(nèi)空間任意點的鹽分濃度的變化規(guī)律進(jìn)行實時監(jiān)測。2、本發(fā)明適應(yīng)面廣，可以測量均質(zhì)和非均質(zhì)介質(zhì)中鹽分的遷移過程。3、 本發(fā)明流態(tài)控制方便，可以通過控制進(jìn)、出水口的水頭差使流體產(chǎn)生不同的流態(tài) (達(dá)西、非達(dá)西)，從而滿足不同的實驗要求。4、本發(fā)明自成系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單合理， 成本低。5、本發(fā)明軟件接口合理易用，使用方便，可以實時査看任意測量點任意 時刻的濃度值。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明鹽分傳感器的結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意4是本發(fā)明溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括一土槽1， 土槽1內(nèi)填充有土壤2， 土槽1的頂部設(shè) 置有一法蘭101，在法蘭101與土槽1之間設(shè)置有一層用于密封的橡膠墊102。在 土槽1兩側(cè)分別為一恒定水箱3、 4,為使溶液或水在進(jìn)入恒定水箱3、 4時分布相 對均勻，進(jìn)水端的恒定水箱4上豎向排列有多個進(jìn)水口 401，最下部設(shè)置一出水口 402，出水端的恒定水箱3上設(shè)置豎向排列有多個出水口 301，各進(jìn)、出水口301、 401、 402上都可以設(shè)置有控制閥門。在恒定水箱3、 4的上部分別設(shè)置一定水頭水 箱5、 6，定水頭水箱5通過管路并聯(lián)除恒定水箱3最下部出水口 301'以外的各 出水口 301，定水頭水箱6通過管路和一多通道接頭403與恒定水箱4的各進(jìn)水口 401連通。定水頭水箱5、 6的上部分別設(shè)置有一水口 501、 601，以方便補(bǔ)水或出 水，保證整個裝置內(nèi)形成恒定的水頭差。定水頭水箱6通過一恒流泵7和一換向 閥8并聯(lián)一純水存放桶9和一鹽溶液存放桶10，用于控制對定水頭水箱6實時供 水或供待試鹽溶液(如濃度為2g/L的NaCI溶液)。在兩恒定水箱3、 4內(nèi)靠近土
壤的一惻都設(shè)置有一銅絲網(wǎng)11和一篩孔板12，以阻止土壤中的細(xì)小顆粒進(jìn)入恒定水箱3、 4，防止進(jìn)、出水口301、 401、 402堵塞。為測量飽和土壤中鹽分濃度，在土槽1的土壤2中，分散插設(shè)了許多鹽分濃 度傳感器13;同時在兩恒定水箱3、 4中也分別設(shè)置一鹽分濃度傳感器13，用于 測量恒定水箱3、 4的鹽分濃度。在兩恒定水箱3、 4上還分別設(shè)置一壓力計接口 14，通過壓力計測量恒定水箱3、 4之間的壓力差。如圖2所示，本發(fā)明可以采取 各種鹽分濃度傳感器，本實施例的鹽分濃度傳感器13按四電極法設(shè)計，鹽分濃度 傳感器13上的探針131、 132、 133、 134采用不銹鋼材料，直徑為lmm、長度為 15mm，針間距為6mm，用CYD-電子封裝樹脂封裝而成。探針131、 132、 133、 134 結(jié)構(gòu)設(shè)計成溫納(Wenner)分布，即兩側(cè)探針131、 134作為激勵電流I輸入端， 中間兩探針132、 133作為電壓AV測量端，探針131、 132、 133、 134間的距離相 等。探針131、 132、 133、 134比一般土壤電導(dǎo)率探頭小，對溶質(zhì)運(yùn)移過程中流場 的擾動較小。四個探針131、 132、 133、 134按與土槽1前后壁面垂直的方向插入 土壤中，每一個鹽分濃度傳感器13引出一導(dǎo)線135，導(dǎo)線135密封穿出土槽1的 外面，連接到設(shè)置在土槽1外面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖3所示，本發(fā)明裝置中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個鹽分濃度數(shù)據(jù)采集器15、 一個數(shù)據(jù)處理器16和一臺計算機(jī)17組成，其中數(shù)據(jù)采集器15上設(shè)置有溫度傳感 器接口 151、鹽分傳感器接口 152、電源接口 153和通訊接口 154。數(shù)據(jù)采集器15 通過通訊接口 154連接數(shù)據(jù)處理器16，數(shù)據(jù)處理器16連接計算機(jī)17。本實施例 中，數(shù)據(jù)采集器15包括一路溫度傳感器接口 151和七路鹽分傳感器接口 152，數(shù) 據(jù)采集器15上的鹽分傳感器接口 152的數(shù)量是可以變化的。多個鹽分濃度傳感器 13分組連接在一個數(shù)據(jù)采集器15上，多個數(shù)據(jù)采集器15分別將測量時的溫度數(shù) 據(jù)和鹽分濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器16，經(jīng)處理后的鹽分濃度數(shù)據(jù)被輸入計算機(jī) 17。本發(fā)明裝置可根據(jù)需要布設(shè)不同數(shù)目的鹽分濃度傳感器13 (例如本實施例 設(shè)置了七十多個，但不限于此)、數(shù)據(jù)采集器15 (例如本實施例設(shè)置了 IO個，但 不限于此)和溫度傳感器(例如本實施例共設(shè)置了四個，有些數(shù)據(jù)采集器15上沒 有插設(shè)溫度傳感器，但不限于此)實時采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理器16內(nèi)嵌CPU處理器， 自動完成各路土壤電導(dǎo)率與一路土壤溫度的測量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與串口通訊功能，電 源接口 153由6 12V直流供電。數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控軟件采用Microsoft VC++ 6.0開發(fā)，利用了 VC平臺的串口 通訊、數(shù)據(jù)處理，圖形化顯示功能，完成土壤電導(dǎo)率與溫度數(shù)據(jù)的采集、存儲、 顯示和處理功能，并且可以根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置數(shù)據(jù)采集器15運(yùn)行參數(shù)(如圖4所 示)。程序主界面根據(jù)測量區(qū)域內(nèi)各測量點電導(dǎo)率大小顯示不同的顏色，同時也給 出某測量點位置、電導(dǎo)率和溫度測量值等。還可以利用當(dāng)前值按鈕查詢當(dāng)前各點 電導(dǎo)率測量值，利用歷史數(shù)據(jù)按鈕査看任意測量點的歷史測量曲線，這樣既可得 到土壤2中任意一點的測量情況，也可即時發(fā)現(xiàn)異常情況的出現(xiàn)。 本發(fā)明的具體操作步驟如下-1、 用己知濃度含量的NaCI溶液標(biāo)定鹽分濃度傳感器13 (本步驟可在測量裝 置系統(tǒng)外進(jìn)行)；2、 按實驗需要在土槽1中填裝土壤2并在土壤2中安置鹽分濃度傳感器13;3、 將鹽分濃度傳感器13與數(shù)據(jù)采集器15連接，將數(shù)據(jù)采集器15的通訊接 口 154與數(shù)據(jù)處理器16連接；4、 在計算機(jī)17上安裝數(shù)據(jù)采集軟件，并將數(shù)據(jù)處理器16的串口與計算機(jī)17 連接；5、 啟動恒流泵7，同時調(diào)節(jié)換向閥8，將純水存放桶9內(nèi)的純水通過定水頭 水箱6泵入土槽1，控制水流量，調(diào)節(jié)定水頭水箱7、 8內(nèi)的水頭差，形成穩(wěn)定流 場；6、 運(yùn)行計算機(jī)17數(shù)據(jù)采集軟件采集數(shù)據(jù)；7、 在計算機(jī)17采集數(shù)據(jù)的同時，調(diào)節(jié)換向閥8，停止向定水頭水箱6內(nèi)泵入 純水，同時按實驗需要將鹽溶液存放桶10內(nèi)的NaCI溶液通過定水頭水箱6泵入 土槽l，并保持流場穩(wěn)定；8、 在計算機(jī)17采集數(shù)據(jù)的同時，按實驗需要，調(diào)節(jié)換向閥8，停止向定水頭 水箱6內(nèi)泵入NaCI溶液，改為將純水存放桶9內(nèi)的純水通過定水頭水箱6泵入土槽l，并保持流場穩(wěn)定；9、 在進(jìn)行上述步驟6 8的同時，通過鹽分濃度傳感器13測得電阻值，然后 根據(jù)電極常數(shù)、電阻值及該溫度條件下的溫度系數(shù)換算出土壤溶液的電導(dǎo)率(25T: 時的電導(dǎo)率)，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的土壤溶液鹽分濃度和電導(dǎo)率的關(guān)系，換算出NaCI 溶質(zhì)在土槽l內(nèi)土壤2中的運(yùn)移過程時鹽分(NaCl)濃度的時空變化規(guī)律。上述實施例中，鹽分(NaCl)在飽和土壤2中的遷移形態(tài)可以通過數(shù)據(jù)采集 軟件實時地采集并顯示，在達(dá)到實驗?zāi)康暮蠼Y(jié)束數(shù)據(jù)采集軟件的運(yùn)行，結(jié)束實驗。以上僅為本發(fā)明的較佳實施例，任何基于本發(fā)明的等效變換，均不應(yīng)排除在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1、 一種測量飽和土壤溶液中鹽分濃度的裝置，其特征在于，它包括 一密封 的土槽，所述土槽內(nèi)填充有土壤；在所述土槽的兩側(cè)分別為一恒定水箱，所述兩 恒定水箱內(nèi)靠近所述土壤的一側(cè)依次設(shè)置一銅絲網(wǎng)和一篩孔板；所述兩恒定水箱 的上方分別連接一控制壓差的定水頭水箱，進(jìn)水一側(cè)的所述定水頭水箱通過一恒 流泵及一換向閥并聯(lián)一純水存放桶和一鹽溶液存放桶；所述土壤中埋設(shè)有多個鹽 分傳感器，所述多個鹽分傳感器通過導(dǎo)線分組連接在多個設(shè)置在所述土槽外面的 鹽分濃度數(shù)據(jù)采集器上；各所述數(shù)據(jù)采集器連接一個數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理 器連接一計算機(jī)。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種測量飽和土壤溶液中鹽分濃度的裝置，其特征在 于所述鹽分濃度傳感器上設(shè)置有四個探針，兩側(cè)的所述探針作為激勵電流輸入 端，中間的兩所述探針作為電壓測量端。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的一種測量飽和土壤溶液中鹽分濃度的裝置，其特 征在于所述鹽分濃度數(shù)據(jù)采集器包括一個溫度傳感器接口，多個鹽分濃度傳感 器接口， 一個電源接口和一個通訊接口；所述每一個鹽分濃度傳感器接口連接一 個鹽分濃度傳感器，所述通訊接口連接所述數(shù)據(jù)處理器。
4、 如權(quán)利要求3所述的一種測量飽和土壤溶液中鹽分濃度的裝置，其特征在 于所述溫度傳感器接口上連接一溫度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量飽和土壤溶液中鹽分濃度的裝置，其特征在于，它包括一密封的土槽，所述土槽內(nèi)填充有土壤；在所述土槽的兩側(cè)分別為一恒定水箱，所述兩恒定水箱內(nèi)靠近所述土壤的一側(cè)依次設(shè)置一銅絲網(wǎng)和一篩孔板；所述兩恒定水箱的上方分別連接一控制壓差的定水頭水箱，進(jìn)水一側(cè)的所述定水頭水箱通過一恒流泵及一換向閥并聯(lián)一純水存放桶和一鹽溶液存放桶；所述土壤中埋設(shè)有多個鹽分傳感器，所述多個鹽分傳感器通過導(dǎo)線分組連接在多個設(shè)置在所述土槽外面的鹽分濃度數(shù)據(jù)采集器上；各所述數(shù)據(jù)采集器連接一個數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器連接一計算機(jī)。本發(fā)明操作靈活，對飽和土壤溶液中鹽分可以進(jìn)行較為精確的動態(tài)監(jiān)測，本發(fā)明有著較為廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N27/04GK101144788SQ20071009901
公開日2008年3月19日 申請日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者孫宇瑞, 熊云武, 王開麗, 馬道坤, 黃冠華, 黃權(quán)中 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)