一种现场土体持水状态的连续性测量装置及使用方法与流程

本发明属于土壤测量领域，尤其是一种现场土体持水状态的连续性测量装置及使用方法。

背景技术：

土体持水状态是衡量土体非饱和水力特性的重要参数，在非饱和土力学、土壤学、农学等领域具有重要意义。通过土体持水状态，不仅可以快速确定土体的田间含水率和枯萎点，为植物生长提供必要依据，还可给出进气值、饱和含水率等非饱和土力学参数，是将饱和土理论扩展至非饱和领域的重要手段。

现有技术中，一般通过取样回实验室开展试验，确定土体的土体持水状态。2014100217719提出室内非饱和土体水力特性参数测量装置，仅适用于规定尺寸的土样，并不使用于现场条件。在现场取土条件下，可能对试样的应力状态、孔隙比、含水率产生扰动，进而影响试验结果。在此基础上，部分现场测量土体水力参数的仪器被提出。专利2014100217282提出一种现场土壤水势测量仪，可以测量现场条件下的土体水势，尚无法连续测量不同深度土体持水状态。

为此，有必要设计一种新型的现场土体持水状态的连续性测量装置，能够连续的测量土体持水状态。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种现场土体持水状态的连续性测量装置，用来克服现有现场土体持水状态装置无法连续测出土体持水状态的问题。

本发明是这样实现的，一种现场土体持水状态的连续性测量装置，包括相互电连的装置本体和数据处理系统；所述装置本体包括从下到上依次相连的锥头、测量系统、外壁；其中所述锥头为倒置的圆锥体结构，其尖头一端向下；所述测量系统的下部为倒置的圆台结构、上部为圆柱体结构，其中所述圆台结构的上底面与所述圆锥体结构的底面直径相同；所述圆台结构的下底面与所述圆柱体结构的底面直径相同；所述测量系统设有感应土体电阻率的电极和感应土体压力的感应材料。土体持水状态是指土体水势和含水率的关系，其中水势通过感应设备来测量，而含水率通过测量电导率确定。

本发明的进一步技术方案是：所述测量系统包括两个不相连设置的电极，两个所述电极呈空心圆柱体并分别环绕所述测量系统一周，所述电极分别通过电缆线与所述数据处理系统相连。

本发明的进一步技术方案是：所述电极的上下两端分别设有空心圆柱体结构的绝缘材料，所述绝缘材料在底面方向上与所述电极相连。绝缘材料能够进一步加强电极测量的准确性，排除其他干扰。

本发明的进一步技术方案是：所述电极采用石墨碳、铜、银中一种制成。

本发明的进一步技术方案是：所述绝缘材料为橡胶、塑料、尼龙中一种。

本发明的进一步技术方案是：两个所述电极之间还设有感应材料，所述感应材料为空心圆环体结构并环绕所述测量系统一周；所述感应材料不与所述电极相连接；所述感应材料在饱和状态下透水不透气。

本发明的进一步技术方案是：所述测量系统还包括底座、内部腔体、预留孔、测量通道、测量装置，所述底座与所述感应材料相互合围形成内部腔体，所述内部腔体内设有多个预留孔，所述预留孔的一端与所述内部腔体相连，另一端与所述测量通道相连，所述测量通道延伸至所述测量装置使得所述测量装置与所述内部腔体之间形成通路；所述测量装置通过电缆线与所述数据处理系统相连。通过该结构排除气体干扰，单独测量土壤中水势。

本方案的另一目的在于提供一种前述现场土体持水状态的连续性测量装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤a：准备步骤，所述准备步骤系使感应材料处于饱和状态并蒋内部腔体、测量通道和预留孔内部填充满无气液体；

步骤b：测量步骤，所述测量步骤系将所述装置本体插入待测土体内部，按照一定速率向下运动并持续测量；

步骤c：回收步骤，所述回收步骤系所述装置本体到达预设深度后将装置本体拔出。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤b包括以下分步骤：

步骤b1：将所述装置本体安装至初始深度；

步骤b2：所述数据处理系统测量两个电极之间的土体电阻率，所述数据处理系统通过所述测量装置测量无气液体的压力；

步骤b3：以0.005mm/min~1mm/min均匀挤压所述土体持水状态连续测量装置；持续记录电阻率和无气液体的压力，确定连续深度条件下土体的水势和含水率。此过程中将装置打入土体内需要通过外部动力源（例如电机等），但因为其与本方案无关则不在此描述。

此外，本方案中“连续”是指从上到下可连续测量，而非其他设备多个单点（不同深度）测量。

本发明的进一步技术方案是：所述无气液体为真空无汽水。

本发明的有益效果是：本方案提供的现场土体持水状态的连续性测量装置及使用方法相较于现有技术，可在现场连续测量不同深度的土体持水状态，便于打设；感应装置设计在锥头上部，有效避免了打设过程中造成的土压力和超孔隙水的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的现场土体持水状态的连续性测量装置的装置本体外观示意图。

图2是本发明实施例提供的现场土体持水状态的连续性测量装置的内部剖面示意图。

附图标记：1-锥头；2-测量系统；21-电极；22-绝缘材料；23-电缆线；24-内部腔体；25-测量通道；26-预留孔；27-测量装置；28-感应材料；29-胶结材料；210-底座；3-外壁；4-数据处理系统。

具体实施方式

本发明提供一种现场土体持水状态的连续性测量装置及使用方法。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图2是本发明实施例提供的现场土体持水状态的连续性测量装置的内部剖面示意图。请参阅图2，本发明提供了一种现场土体持水状态的连续性测量装置，包括锥头1和测量系统2、外壁3和数据处理系统4，所述测量系统2包括电极21、绝缘材料22、电缆线23、内部腔体24、测量通道25、预留孔26、测量装置27、感应材料28，所述电极21被所述绝缘材料22上下包裹，分别位于所述锥头1顶部和所述外壁3底部两个位置，所述感应材料28位于所述电极21所处的两个位置中间，感应材料28的上下还连有胶结材料29以进一步提高精度。感应材料与所述内部腔体24相连，所述内部腔体24通过预留孔26与所述测量通道25相连，所述测量通道25与所述测量装置27相连，所述电极24和测量装置27通过所述电缆线23与所述数据处理系统4相连。

所述锥头1处于设备最底部，便于连续打设。

所述电极21为环形，可为石墨碳、铜和银等，所述绝缘材料22可为橡胶、塑料和尼龙等。

所述感应材料28在饱和条件下，具有透水不透气特性。

所述内部腔体24、测量通道25和预留孔26填充无气液体。

图1是本发明实施例提供的现场土体持水状态的连续性测量装置的装置本体外观示意图。结合图1、图2可以看出测量系统还设有底座210，底座的作用就是和电极、感应材料一起组成整个测量系统的外壁，确保测量系统内部不会漏水，此外，测量系统内部的内部空腔也是由底座围成的。

一种现场土体持水状态的连续性测量装置，包括相互电连的装置本体和数据处理系统；所述装置本体包括从下到上依次相连的锥头、测量系统、外壁；其中所述锥头为倒置的圆锥体结构，其尖头一端向下；所述测量系统的下部为倒置的圆台结构、上部为圆柱体结构，其中所述圆台结构的上底面与所述圆锥体结构的底面直径相同；所述圆台结构的下底面与所述圆柱体结构的底面直径相同；所述测量系统设有感应土体电阻率的电极和感应土体压力的感应材料。土体持水状态是指土体水势和含水率的关系，其中水势通过感应设备来测量，而含水率通过测量电导率确定。

所述测量系统包括两个不相连设置的电极，两个所述电极呈空心圆柱体并分别环绕所述测量系统一周，所述电极分别通过电缆线与所述数据处理系统相连。

进一步的：所述电极的上下两端分别设有空心圆柱体结构的绝缘材料，所述绝缘材料在底面方向上与所述电极相连。绝缘材料能够进一步加强电极测量的准确性，排除其他干扰。

进一步的：所述电极采用石墨碳、铜、银中一种制成。

进一步的：所述绝缘材料为橡胶、塑料、尼龙中一种。

进一步的：两个所述电极之间还设有感应材料，所述感应材料为空心圆环体结构并环绕所述测量系统一周；所述感应材料不与所述电极相连接；所述感应材料在饱和状态下透水不透气。

进一步的：所述测量系统还包括底座、内部腔体、预留孔、测量通道、测量装置，所述底座与所述感应材料相互合围形成内部腔体，所述内部腔体内设有多个预留孔，所述预留孔的一端与所述内部腔体相连，另一端与所述测量通道相连，所述测量通道延伸至所述测量装置使得所述测量装置与所述内部腔体之间形成通路；所述测量装置通过电缆线与所述数据处理系统相连。通过该结构排除气体干扰，单独测量土壤中水势。

接下来介绍本装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤a：准备步骤，所述准备步骤系使感应材料处于饱和状态并蒋内部腔体、测量通道和预留孔内部填充满无气液体；

步骤b：测量步骤，所述测量步骤系将所述装置本体插入待测土体内部，按照一定速率向下运动并持续测量；

步骤c：回收步骤，所述回收步骤系所述装置本体到达预设深度后将装置本体拔出。

进一步的：所述步骤b包括以下分步骤：

步骤b1：将所述装置本体安装至初始深度；

步骤b2：所述数据处理系统测量两个电极之间的土体电阻率，所述数据处理系统通过所述测量装置测量无气液体的压力；

步骤b3：以0.005mm/min~1mm/min均匀挤压所述土体持水状态连续测量装置；持续记录电阻率和无气液体的压力，确定连续深度条件下土体的水势和含水率。此过程中将装置打入土体内需要通过外部动力源（例如电机等），但因为其与本方案无关则不在此描述。

此外，本方案中“连续”是指从上到下可连续测量，而非其他设备多个单点（不同深度）测量。

进一步的：所述无气液体为真空无汽水。

本方案提供的现场土体持水状态的连续性测量装置及使用方法相较于现有技术，可在现场连续测量不同深度的土体持水状态，便于打设；感应装置设计在锥头上部，有效避免了打设过程中造成的土压力和超孔隙水的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。