CN105092817B - 一种可自动取样的土柱淋溶采样装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套可自动取样的土柱淋溶***，本装置的多通道蠕动泵可控制多条软管，从储液槽中以一定流速吸取淋溶液，分别流入各个土柱淋溶管，并通过固定于土柱淋溶管上端的布水球实现均匀布水。土柱淋溶管的特殊接口设计，可实现多个相接，长短可调，侧面设有分层取样口，下方有滤膜防止土壤流失，底座为斜面，防止渗漏水淤积。渗漏水经土柱淋溶管开口流出后，进入固定在螺纹丝杆上的橡皮管，由PCL控制器根据设定的程序控制步进电机实现自动取样。本装置能在无人环境下运行，可模拟各类降雨，并且定时收集渗漏液，同时亦可采集不同土壤层的样品，大大减轻工作量，淋溶结束后，可实现土壤分层取样，并且具有运行成本低等优点。

Description

一种可自动取样的土柱淋溶采样装置及其方法

技术领域

本发明属于土壤试验装置领域，尤其涉及一套可自动取样的土柱淋溶***。

背景技术

土壤施肥量的多少直接关系到地表径流氮磷流失量，施肥过少会导致作物生长不良，而过多的施肥又会增加氮磷流失，导致水体的富营养化。因此，研究一个地区最佳施肥量的土柱模拟实验不断开展，而一套可以简约、方便的土柱模拟***是十分必要的。

目前，已有部分专利涉及土柱模拟装置，但是这些装置均存在一定的缺陷。例如，名为“土柱淋溶装置”（申请号为201410403212.4，公开号为104215747A）的专利，在淋溶装置外侧设置了多个取样口，内部从上至下分成多层；名为“一种污染物迁移模拟的土柱淋溶装置”（申请号为201420645580.5，公开号为204116337U）的专利，淋溶土柱管侧面设置3~4个取样口，不取样时用胶布塞住。这些装置虽然在一定程度上解决了分层取样问题，但是都非自动化装置，需要人工处理，不适宜夜间需要采样的实验，最后取土样时容易造成土样坍塌。再者，这些装置设计好后不能更改高度，做不同实验处理时，需重新设计打造，不符合环保概念。而且，这些装置只适用于少量甚至一根土柱，当土柱对照多时工作量会很大，并不适用。因此，开发一套自动化程度高、使用范围广的土柱淋溶***势在必行。

发明内容

为了解决背景技术中所面临的问题，本发明的目的是提供一套可自动取样的土柱淋溶***及其方法。

一种可自动取样的土柱淋溶装置中设有多通道蠕动泵，多通道蠕动泵两端通过软管分别与储液槽和固定于土柱淋溶管上端的布水球相连，布水球用于将软管输送的水分布至土柱截面的不同点位；土柱淋溶管置于底架上，由多条管段相接而成，每条管段都设有分层取样口，最下方管段的截面上设有滤膜，最下方管段底部设有开口并与底座相连、开口与底座出水口相对，底座内表面为斜面，斜面最底部位于底座出水口处；采样瓶上方设有螺纹丝杆，螺纹丝杆末端设有步进电机，步进电机置于垫块上；螺纹丝杆上装有滑块，滑块通过橡皮管与底座出水口相接，橡皮管经滑块后位于采样瓶正上方；PLC控制器与行程开关、步进电机相连；分层取样口通过针筒式取样器与采样瓶相连；针筒式取样器与分层取样口间的导管上设有只能往针筒式取样器方向流动的第一单向阀，针筒式取样器与采样瓶间的导管上设有只能往采样瓶方向流动的第二单向阀。

所述的布水球由空心球体和毛细导水管组成，毛细导水管为中空结构，空心球体与所述的软管相连，多条毛细导水管布设在空心球体的下半部。

所述的布水球由多条毛细导水管构成，毛细导水管顶部集束，且集束部位与所述的软管相连，毛细导水管为外径0.5mm~3mm的空心管或实心线。

所述的多通道蠕动泵的出液口并联有N条软管，同时还设有N条与之对应的土柱淋溶管和N个滑块，其中N≥1。

所述的土柱淋溶管内管壁上设有锯齿。

一种使用所述装置的土柱淋溶采样方法，包括如下步骤：

1)根据预设模拟高度，拼接多段土柱淋溶管，再均匀填入模拟土壤；

2)设置PLC控制器的程序，使其根据目标采样时间，依次移动螺纹丝杆上的固定滑块；

3)多通道蠕动泵抽取储液槽中的淋溶液，通过软管输送到布水球中，淋溶液通过布水球外接的毛细导水管分散至土壤表面的不同点位，实现均匀布水，淋溶液随着土壤下渗；

4)淋溶液通过最下方管段截面上的滤膜，滤去土壤颗粒后，流入表面为斜面的底座，再通过底座对应的出水口流出；

5)渗漏液进入橡皮管，橡皮管中的淋溶液进入采样瓶中；前一排采样瓶取满后，PLC控制器根据设定的程序控制步进电机，步进电机控制螺纹丝杆运行，从而带动垂直方向的滑块运动，自动移至下一排采样瓶，从而实现自动取样，当一次取样结束后复位行程开关，更换采样瓶，继续采样；

6)淋溶液下渗过程中流经分层取样口，利用针筒式取样器进行抽取，淋溶液通过第一单向阀进入针筒式取样器中，当按压针筒式取样器时，分层水样通过第二单向阀流入采样瓶，实现分层淋溶液的采集。

本发明的优点主要有以下几点：

1.本装置可同时处理多根土柱，流速、土柱数量、土柱高度均可根据实验需要改变；

2.土柱淋溶管内部为锯齿结构，防止淋溶时在土柱淋溶管内部产生短流现象；

3.土柱淋溶管底座为斜面，防止渗漏水淤积，影响实验结果；

4.本装置通过针筒式取样器可以更方便的采集各层土壤水样，分层取样口升至土柱内部部分为针孔大小，能有效采集该层土壤水样并防止土壤颗粒阻塞，其外部大小为注射器大小，注射器***时，可形成微小真空区域，有利于土壤水样的采集；

5.布水球中布有密集且均匀分布的小孔，外接的毛细导水管可实现均匀布水，将淋溶液分布至土柱截面的不同点位；

6.土柱可拆分，实验结束后，可将土柱分截取出，不会导致土柱坍塌，方便取样和测试；

7.本装置能在无人环境下运行，实现采样自动化，可模拟各类降雨，并且定时收集渗漏液，大大减轻工作量。

附图说明

图1是可自动取样的土柱淋溶采样装置的结构示意图；

图2是可自动取样的土柱淋溶采样装置的俯视图；

图3是本发明的布水球的第一种实现方式；

图4是本发明的布水球的第二种实现方式；

图5是本发明的针筒式取样器的示意图；

图6是本发明的土柱淋溶管的剖面图；

图7是本发明的土柱淋溶管的立体图；

图8是本发明的土柱淋溶管的内表面示意图。

图中：储液槽1、软管2、多通道蠕动泵3、布水球4、土柱淋溶管5、滤膜7、分层取样口8、底座9、底座出水口10、开口22、底架11、橡皮管12、步进电机13、锯齿14、螺纹丝杆15、固定滑块17、垫块18、采样瓶19、PCL控制器20、行程开关21、开口22、针筒式取样器23、第二单向阀24、第一单向阀25。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1-2所示，一种可自动取样的土柱淋溶装置中设有多通道蠕动泵3，多通道蠕动泵3两端通过软管2分别与储液槽1和固定于土柱淋溶管5上端的布水球4相连，布水球4用于将软管2输送的水分布至土柱截面的不同点位。土柱淋溶管5置于底架11上，由多条管段相接而成，每条管段都设有分层取样口8，最下方管段的截面上设有滤膜7，，使土壤渗滤液顺利流出而不夹带土壤颗粒。如图6、7所示，下方管段底部设有开口22并与底座9相连、开口22与底座出水口10相对，底座9内表面为斜面，斜面最底部位于底座出水口10处，可使土壤渗滤液直接通过底座出水口流出，避免在底座淤积。采样瓶19上方设有螺纹丝杆15，螺纹丝杆15末端设有步进电机13，步进电机13置于垫块18上；螺纹丝杆15上装有滑块17，滑块17通过橡皮管12与底座出水口10相接，橡皮管12经滑块17后位于采样瓶19正上方；PLC控制器20与行程开关21、步进电机13相连；分层取样口8通过针筒式取样器23与采样瓶19相连。如图5所示，针筒式取样器23与分层取样口8间的导管上设有只能往针筒式取样器23方向流动的第一单向阀25，针筒式取样器23与采样瓶19间的导管上设有只能往采样瓶19方向流动的第二单向阀24。

所述的土柱淋溶管为有机玻璃管，接口经特殊设计，可由多节拼接而成，高度可根据实验需求设置。采样结束后，可分段取出土柱淋溶管中土样，防止土柱坍塌，方便采集和测试。

目前大部分土壤淋溶模拟装置中，淋溶液都是直接滴到土壤表面，很容易破坏填充的土体，且在水土接触过程中，滴落的水的动能会增加土壤的溶出物，影响模拟的效果。因此，本发明采用布水球解决该问题。

所述的布水球4有两种实现方式，其一为：如图4所示，布水球4由空心球体和毛细导水管组成，毛细导水管为中空结构，空心球体与所述的软管2相连，多条毛细导水管布设在空心球体的下半部；其二为：如图3所示，布水球4由多条毛细导水管构成，毛细导水管顶部集束，且集束部位与所述的软管2相连，毛细导水管为外径0.5mm~3mm的空心管或实心线。毛细导水管均接触土壤表面。淋溶液可以通过毛细导水管的导流作用均匀分散于土壤表面，防止出现破坏土体、增加溶出物的现象。

所述的多通道蠕动泵3的出液口并联有N条软管2，同时还设有N条与之对应的土柱淋溶管5和N个滑块17，其中N≥1。即滑块可以设置多个，同一排设置多个采样瓶，同时进行采样。滑块和采样瓶个数根据土柱淋溶管5数量而定。

如图8所示，所述的土柱淋溶管5内管壁上设有锯齿14，土壤在填充过程中很容易发生没有填充完全的情况，淋溶过程中容易在侧壁发生短流，而设置锯齿，可以使短流的淋溶液重新回到土体中。

一种使用所述装置的土柱淋溶采样方法，包括如下步骤：

1)根据预设模拟高度，拼接多段土柱淋溶管5，再均匀填入模拟土壤；

2)设置PLC控制器的程序，使其根据目标采样时间，依次移动螺纹丝杆15上的固定滑块17；

3)多通道蠕动泵3抽取储液槽1中的淋溶液，通过软管2输送到布水球4中，淋溶液通过布水球4外接的毛细导水管分散至土壤表面的不同点位，实现均匀布水，淋溶液随着土壤下渗；

4)淋溶液通过最下方管段截面上的滤膜7，滤去土壤颗粒后，流入表面为斜面的底座9，再通过底座对应的出水口10流出；

5)渗漏液进入橡皮管12，橡皮管12中的淋溶液进入采样瓶19中；前一排采样瓶19取满后，PLC控制器20根据设定的程序控制步进电机13，步进电机13控制螺纹丝杆15运行，从而带动垂直方向的滑块17运动，自动移至下一排采样瓶19，从而实现自动取样，当一次取样结束后复位行程开关21，更换采样瓶19，继续采样；

6)淋溶液下渗过程中流经分层取样口8，利用针筒式取样器23进行抽取，淋溶液通过第一单向阀25进入针筒式取样器23中，当按压针筒式取样器23时，分层水样通过第二单向阀24流入采样瓶，实现分层淋溶液的采集。

本发明可同时处理多根土柱，流速、土柱数量、土柱高度均可根据实验需要改变；本装置能在无人环境下运行，实现采样自动化，可模拟各类降雨，并且定时收集渗漏液，大大减轻工作量，同时可以更方便的采集各层土壤水样。

Claims (6)

1.一种可自动取样的土柱淋溶装置，其特征在于：装置中设有多通道蠕动泵（3），多通道蠕动泵（3）两端通过软管（2）分别与储液槽（1）和固定于土柱淋溶管（5）上端的布水球（4）相连，布水球（4）用于将软管（2）输送的水分布至土柱截面的不同点位；土柱淋溶管（5）置于底架（11）上，由多条管段相接而成，每条管段都设有分层取样口（8），最下方管段的截面上设有滤膜（7），最下方管段底部设有开口（22）并与底座（9）相连、开口（22）与底座出水口（10）相对，底座（9）内表面为斜面，斜面最底部位于底座出水口（10）处；采样瓶A上方设有螺纹丝杆（15），螺纹丝杆（15）末端设有步进电机（13），步进电机（13）置于垫块（18）上；螺纹丝杆（15）上装有滑块（17），滑块（17）通过橡皮管（12）与底座出水口（10）相接，橡皮管（12）经滑块（17）后位于采样瓶A正上方；PLC控制器（20）与行程开关（21）、步进电机（13）相连；分层取样口（8）通过针筒式取样器（23）与采样瓶B相连；针筒式取样器（23）与分层取样口（8）间的导管上设有只能往针筒式取样器（23）方向流动的第一单向阀（25），针筒式取样器（23）与采样瓶B间的导管上设有只能往采样瓶B方向流动的第二单向阀（24）。

2.如权利要求1所述的可自动取样的土柱淋溶装置，其特征在于，所述的布水球（4）由空心球体和毛细导水管组成，毛细导水管为中空结构，空心球体与所述的软管（2）相连，多条毛细导水管布设在空心球体的下半部。

3.如权利要求1所述的可自动取样的土柱淋溶装置，其特征在于，所述的布水球（4）由多条毛细导水管构成，毛细导水管顶部集束，且集束部位与所述的软管（2）相连，毛细导水管为外径0.5mm~3mm的空心管或实心线。

4.如权利要求1所述的可自动取样的土柱淋溶装置，其特征在于，所述的多通道蠕动泵（3）的出液口并联有N条软管（2），同时还设有N条与之对应的土柱淋溶管（5）和N个滑块（17），其中N＞1。

5.如权利要求1所述的可自动取样的土柱淋溶装置，其特征在于，所述的土柱淋溶管（5）内管壁上设有锯齿（14）。

6.一种使用如权利要求1所述装置的土柱淋溶采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据预设模拟高度，拼接多段土柱淋溶管（5），再均匀填入模拟土壤；

2)设置PLC控制器的程序，使其根据目标采样时间，依次移动螺纹丝杆（15）上的固定滑块（17）；

3)多通道蠕动泵（3）抽取储液槽（1）中的淋溶液，通过软管（2）输送到布水球（4）中，淋溶液通过布水球（4）外接的毛细导水管分散至土壤表面的不同点位，实现均匀布水，淋溶液随着土壤下渗；

4)淋溶液通过最下方管段截面上的滤膜（7），滤去土壤颗粒后，流入表面为斜面的底座（9），再通过底座对应的出水口（10）流出；

5)渗漏液进入橡皮管（12），橡皮管（12）中的淋溶液进入采样瓶A中；前一排采样瓶A取满后，PLC控制器（20）根据设定的程序控制步进电机（13），步进电机（13）控制螺纹丝杆（15）运行，从而带动垂直方向的滑块（17）运动，自动移至下一排采样瓶A，从而实现自动取样，当一次取样结束后复位行程开关（21），更换采样瓶A，继续采样；

6)淋溶液下渗过程中流经分层取样口（8），利用针筒式取样器（23）进行抽取，淋溶液通过第一单向阀（25）进入针筒式取样器（23）中，当按压针筒式取样器（23）时，分层水样通过第二单向阀（24）流入采样瓶B，实现分层淋溶液的采集。