CN114563441B - 土壤冻结实验的可视化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤实验装置技术领域，提供一种土壤冻结实验的可视化装置及方法，装置位于恒温箱内，包括设置有第一颜料的土样的可视化壳体；温度测量传感器，由可视化壳体侧壁穿入并埋于土样中；第一导热体，设置于可视化壳体的顶部，且其内设与冷却液供给装置相连通的导管；补水组件，与土样的底部相连通；第二导热体，设置于可视化壳体的底部；光源，用于对可视化壳体进行照射。本发明提供的土壤冻结实验的可视化装置及方法，通过第二导热体对土样的底部温度进行控制，通过第一导热体对土样顶部的温度进行控制，通过温度测量传感器测量土样温度，能够实现实验结果的定量化；同时，补水组件对土样进行补水，模拟地下水补水非饱和土壤的冻结过程。
Description
技术领域
本发明涉及土壤实验装置技术领域，尤其涉及一种土壤冻结实验的可视化装置及方法。
背景技术
土壤冻结指的是在中、高纬度地区的冬季，土壤温度降低到0℃以下时，土壤中的水分冻结成冰，固定了土粒，使土壤冻结成坚硬状态。土壤冻结的深度，与当地的气候条件、地势、土壤结构、土壤湿度、地表积雪厚度以及秸秆覆盖量有关。
现有技术中，对土壤冻结过程进行可视化实验时，只针对饱和土壤进行冻结实验，且对饱和土壤进行温度控制时，是将底部导热体直接浸泡在冷却液中。但在温度传导的过程中，会伴随着较大的温度损失，从而导致温度控制不准确，实验结果难以定量。
发明内容
本发明提供一种土壤冻结实验的可视化装置，用以解决现有技术中对土壤冻结实验中温度控制和测量不准确的缺陷，实现实验结果的定量化，并且可以模拟非饱和土壤冻结过程中地下水对土壤水的补充。
本发明提供一种土壤冻结实验的可视化装置，设置于恒温箱内，包括：
可视化壳体，上下开口，内部设置有含第一颜料的土样；
温度测量传感器，由所述可视化壳体侧壁的贯穿孔穿入，并埋于所述土样中；
第一导热体，设置于所述可视化壳体的顶部，且所述第一导热体内设导管，且所述导管用于与冷却液供给装置相连通；
第二导热体，用于承载所述土样并控制所述土样的底部温度；
补水组件，与所述土样的底部相连通，用于模拟地下水补水；
光源，用于对可视化壳体进行照射。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，
所述第一导热体设置为T型金属块，包括：
水平部，设置有冷却液进口和冷却液出口，且内部设置所述导管；所述导管的一端与所述冷却液进口连通，另一端与所述冷却液出口连通；
竖直部，设置于所述水平部的底部，且***所述可视化壳体内部，并且所述竖直部与所述土样紧密接触。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，
所述第二导热体包括：
导热块，设置于所述可视化壳体的底部；
导热柱，具有多个，且多个所述导热柱分布于所述导热块的顶部；并且位于所述可视化壳体的内部；
多孔板，设置于所述导热柱的顶部，用于承载所述土样。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，所述导管呈曲折蜿蜒状。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，所述补水组件包括：
马氏瓶，设置于所述可视化壳体的一侧；
水槽，设置于所述多孔板的底部，且与所述马氏瓶相连通；并且所述导热柱位于所述水槽内。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，所述马氏瓶内装有含第二颜料的水分，且所述第二颜料与所述第一颜料的颜色不同。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，所述可视化壳体的侧壁上均匀设置有多个贯穿孔，所述温度测量传感器一一对应由所述贯穿孔穿入，并埋于土样中。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，所述可视化壳体采用透明双层石英玻璃板，用于绝热，且可透过紫外线和可见光。
根据本发明提供的一种土壤冻结实验的可视化装置，还包括用于拍摄土样冻结过程的摄像机，所述摄像机设置于所述可视化壳体的远离所述贯穿孔的一侧。
本发明还提供一种非饱和土壤冻结实验的可视化方法，利用上述的土壤冻结实验的可视化装置，包括步骤：
在可视化壳体内部设置含第一颜料的土样；
温度测量传感器，由所述可视化壳体侧壁穿入，并埋于所述土样中；
在可视化壳体的顶部设置第一导热体，在第一导热体内设置有导管，并将所述导管接通冷却液供给装置，通过第一导热体对土样进行冷却；
在可视化壳体的底部设置第二导热体，通过所述第二导热体对土样进行承载并控制所述土样的底部温度；
通过补水组件对土样进行补水，模拟地下水补水；
通过光源对可视化壳体进行照射。
本发明提供的土壤冻结实验的可视化装置及方法，通过恒温箱和第二导热体对土样的底部温度进行控制，在密闭容器中，热量交换相对较少，温度控制更为准确；通过温度测量传感器对土样温度进行测量；土样顶部的温度通过第一导热体进行控制，通过冷却液供给装置可以进行精准控制和实时监测；能够实现实验结果的定量化；同时，补水组件对土样进行补水，模拟地下水补水，从而实现模拟非饱和土壤的冻结过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的土壤冻结实验的可视化装置的结构示意图；
图2是本发明提供的土壤冻结实验的可视化装置的侧视图；
图3是本发明提供非饱和土壤冻结实验的可视化方法的流程图。
附图标记：
1：恒温箱；2：可视化壳体；3：补水组件；4：土样；5：光源；6：第一导热体；61：水平部；62：竖直部；7；第二导热体；71：导热块；72：导热柱；73：多孔板；8：冷却液进口；9：冷却液出口；10：导管；11：摄像机；12：温度测量传感器；13：贯穿孔；31：马氏瓶；32：水槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图2描述本发明的土壤冻结实验的可视化装置，设置于恒温箱1内，包括可视化壳体2、第一导热体6、第二导热体7、补水组件3和光源5，恒温箱1用于给可视化装置提供恒温的环境，在密闭仪器中，热量交换相对较少，对土样底部和地下水的温度控制更加准确，主要用于模拟地下温度；可视化则指的是其本身材质为透明的，能够自其外侧观察到其内部。而可视化壳体2指的是内部具有储存容量空间，能够盛放土样4。可视化壳体2为上下开口的长方体，便于第一导热体6和第二导热体7对土样4进行冷却，可视化壳体2的内部设置有含第一颜料的土样4；光源5用于对可视化壳体2进行照射。
荧光素(C20H12O5)作为一种常用的冻结过程示踪剂，对水的冰点影响可以忽略不计，在紫外线光源的照射下，会呈现黄绿色。若土样4中的水被冻结，荧光素会析出成红棕色粉末，在紫外线照射下不可见。因此，土样中的颜料可以使用荧光素(C20H12O5)，光源可以使用紫外线和可见光可切换的光源，例如iDH2000氘卤二合一光源。
如图1所示，第一导热体6设置于可视化壳体2的顶部，通过对第一导热体6的冷却来模拟土样的冻结过程(在实际土壤冻结时，也是由土壤表层向土壤深处进行冻结)。第一导热体6设置于可视化壳体2的顶部，且第一导热体6内设导管10，且导管10用于与外界的冷却液供给装置相连通，并且第一导热体6伸入可视化壳体2内部，与土样4顶部紧密接触。导管10的设置，在隔离冷却液供给装置和土样4避免接触的同时，还可以更好地传递温度，冷却液供给装置的温度可以进行精准控制和实时监测。补水组件3与土样4的底部相连通，用于对不饱和土壤进行地下水补水。
第二导热体7用于承载土样并控制土样底部和地下水的温度；补水组件3与土样4的底部的水槽相连通，用于模拟地下水补水；光源5用于对可视化壳体进行照射。
本发明实施例公开的土壤冻结实验的可视化装置，通过恒温箱1和第二导热体7对土样的底部温度进行控制，在密闭容器中，热量交换相对较少，温度控制更为准确；土样顶部的温度通过第一导热体6进行控制，通过冷却液供给装置可以进行精准控制和实时监测；加之土样4中均匀密布的温度测量传感器12，能够实现实验结果的定量化；同时，补水组件3对土样进行补水，模拟地下水补水，从而实现模拟非饱和土壤的冻结过程。
具体地，第一导热体6可以采用T型导热性能好且耐腐蚀的金属块，例如不锈钢，T型金属块包括水平部61和竖直部62，水平部61上设置有冷却液进口8和冷却液出口9，且内部设置导管10；导管10的一端与冷却液进口8连通，另一端与冷却液出口9连通；竖直部62设置于水平部61的底部，且***可视化壳体2内部，并且竖直部62与土样4紧密接触；对土样4实现冷却。冷却液供给装置可以为外部装置，用于向导管10内供给循环冷却液。
本发明提供的土壤冻结实验的可视化装置，通过第一导热体作为一个传递温度的中介，将循环通入的精准控温的冷却液的温度迅速传递到土样4的顶部，对土样4的顶部实现冷却，有效地进行温度传递，在隔离冷却液供给装置和土样4进行接触的同时，还可以更好地控制温度，冷却液的温度可以进行精准控制和实时监测。
在本发明的实施例中，第二导热体7包括：导热块71、导热柱72和多孔板73；导热块71设置于可视化壳体2的底部；导热柱72具有多个，且多个导热柱72分布于导热块71的顶部；并且位于可视化壳体2的内部；多孔板73设置于导热柱72的顶部，同时设置于土样4的底部，多孔板73用于承载土样4。
其中，导热块71、导热柱72和多孔板73可以均采用导热性能较好且耐腐蚀的金属材质，例如不锈钢。多孔板73用于承托土样，还包括铺设于多孔板73靠近土样4一侧的过滤件，过滤件可以是滤纸，滤纸的孔径要小于土样4的粒径，以避免土样4落入水槽内；即多孔板73和过滤件液体可以自由通过，土样颗粒无法通过。
如图2所示，在本发明的实施例中，第一导热体6的内部设置的导管10呈曲折蜿蜒状，可以增加第二导热体6和冷却液的接触面积，更好地控制温度，达到更佳的冷却效果。
如图1所示，在本发明的实施例中，补水组件3包括马氏瓶31、水槽32，马氏瓶31设置于可视化壳体2的一侧，马氏瓶31的作用在于补水过程中保持土样4中的水位恒定，模拟一定埋深的地下水；在马氏瓶31内装的含第二颜料的水分，第二颜料与第一颜料的颜色不同；此处，第二颜料可以是含亚甲基蓝的水分(可见光照射下溶液呈蓝色，被冻结后不显色)；水槽32设置于多孔板73的底部，且水槽32与马氏瓶31相连通；导热柱72位于水槽32内；导热柱72可以对水槽32内水的温度进行控制；同时，多孔板73与可视化壳体2内壁接触的部分以及导热块71与可视化壳体2下端接触的部分通过密封材料密封，防止漏土漏水。用装有亚甲基蓝的马氏瓶31接入***模拟一定埋深的地下水，用于冻结过程中的地下水向冻结锋面运移过程的示踪。
控制第一导热体6的温度为-10℃，恒温箱的温度为1℃，冻结过程开始。将光源5切换为紫外线时，在其照射下，可以由荧光素(C20H12O5)示踪得到原来土壤中所含的水分的分布，即初始时整体呈均匀的黄绿色，开始冻结后，上部冻结的部分不显色，冻结锋面的黄绿色加深，冻结锋面会自上而下移动。同时土壤下部的水分会自下而上迁移，与此同时，装有亚甲基蓝的马氏瓶31开始为土样补水，将光源5切换为可见光，在其照射下，补充的地下水在可见光照射下为蓝色，含有亚甲基蓝的水分被冻结后也不显色。这样，可以由亚甲基蓝示踪得到原来地下水中的水分补充土壤水的过程。光源5在紫外线和可见光之间切换，冻结区、未冻结区和未冻水来源都能可视化。
补水组件3的设置，可以将冻结过程可视化和研究冻结过程中的水盐运移问题，通过不同状态下颜色变化的鲜明对比，将冻结过程可视化，同时实现冻结区、未冻结区和未冻水来源的可视化。
在本发明的实施例中，还包括摄像机11，摄像机11设置于可视化壳体2的一侧，用于对冻结过程进行拍摄。可视化壳体2的一个侧壁穿入多个温度测量传感器12，例如热电偶，能够实时测量温度。可以在可视化壳体2的该侧壁上设置多个贯穿孔13，将温度测量传感器12一一对应***贯穿孔埋于土样4中，再用密封材料将温度测量传感器12的导线和贯穿孔13之间的缝隙密封，以防土样4外漏。由于可视化壳体2的前后两平行板之间的距离约5mm，近似认为温度测量传感器12测得的温度能代表此厚度的土样一定半径范围内的温度，通过多个温度测量传感器12测得的温度进行插值，可以认为得到了整个土样剖面的温度分布等值线图。需要说明的是，仅在可视化壳体2的一个侧壁上设置贯穿孔穿入温度测量传感器的目的在于，另一侧壁便于观察冻结的过程。
具体地，通过可视化壳体2的侧壁上密布的贯穿孔穿入直径0.0254mm、探头长5mm的热电偶并埋于土样中，以热电偶阵列的方法测量温度，通过若干热电偶的温度测量，确定多点的温度，降低插值带来的影响，在分析冻结示踪过程时有较好的温度比较效果，并将拍摄得到的土壤冻结水和未冻水的分布图，与密布的热电偶得到的温度等值线图叠加，进行冻结过程中的量化分析。
其中，可视化壳体2由双层石英玻璃板制成，用于绝热，可透过紫外线和可见光，且为上下通透的长方体壳体。为了便于观察，可视化壳体2长度和高度可根据需求自行设定，而内部宽度约为5mm，即，可视化壳体2的前侧板和后侧板之间距离约为5mm，摄像机11位于可视化壳体2的前侧板的一侧；用于穿入温度测量传感器12的贯穿孔13位于可视化壳体2的后侧板上。
其中，土样4主要针对非饱和土壤，同时也适用于饱和土壤，应用范围较广。当用于饱和土壤时，则补水组件3无需补水，且多孔板73靠近土样4一侧的过滤件应替换为金属板，液体和土壤均不能通过。
下面对本发明提供的非饱和土壤冻结实验的可视化方法进行描述，下文描述的非饱和土壤冻结实验的可视化方法与上文描述的土壤冻结实验的可视化装置可相互对应参照。
如图3所示，本发明的另一方面实施例公开了土壤冻结实验的可视化方法，利用上述土壤冻结实验的可视化装置，包括步骤：
S1、在可视化壳体2内部设置含第一颜料的土样4，同时将温度测量传感器12通过贯穿孔13穿入可视化壳体2内部并埋于土样4中；
S2、在可视化壳体的顶部设置第一导热体6，在第一导热体6内设置有导管10，并将导管10接通冷却液供给装置，且第一导热体6伸入土样4内，通过第一导热体6对土样4进行冷却；
S3、在可视化壳体2的底部设置第二导热体7，通过第二导热体7对土样进行承载并控制土样的底部的温度；
S4、通过补水组件3对土样4进行补水，模拟地下水补水；
S5、通过光源5对可视化壳体2进行照射。
在步骤S1中包括对土样4的温度进行监测，可以在可视化壳体2的后侧板上设置多个均匀分布的贯穿孔，一一对应地穿入多个温度测量传感器12，例如，热电偶，埋于土样4中，形成阵列分布，实时进行温度检测，通过若干热电偶的温度测量，确定多点的温度，降低插值的影响，在分析冻结示踪过程时提供精准的土样剖面温度等温线图。
其中，在步骤S2中，第一导热体6上开设有冷却液进口8和冷却液出口9，与外接循环冷却液供给装置相连接，以实现冷却液供给装置对第一导热体6的持续冷却。
而且，第一导热体采用T型金属块，T型金属块包括水平部61和竖直部62，水平部61上设置有冷却液进口8和冷却液出口9，且内部设置导管10；导管10的一端与冷却液进口8连通，另一端与冷却液出口9连通；竖直部62设置于水平部61的底部，且***可视化壳体2内部，并且竖直部62与土样4紧密接触；对土样4实现冷却。冷却液供给装置可以为外部装置，用于向导管10内供给循环冷却液。
在步骤S3中，第二导热体7包括：导热块71、导热柱72和多孔板73；导热块71设置于可视化壳体2的底部；导热柱72具有多个，且多个导热柱72分布于导热块71的顶部，并且位于可视化壳体2的内部，用于支撑多孔板73的同时，在导热块71和多孔板73之间迅速传递热量，并且和导热块71、多孔板73一起控制水槽中水的温度；多孔板73设置于导热柱72的顶部，同时设置于土样4的底部，多孔板73用于承载土样4，并控制土样4底部的温度。
在步骤S4中，补水组件3包括马氏瓶31和水槽32，马氏瓶31设置于可视化壳体2的一侧，马氏瓶31在补水过程中保持土样中的水位恒定；在马氏瓶31内装含亚甲基蓝的水分(可见光照射下溶液呈蓝色，被冻结后不显色)；多孔板73用于承托土样，还包括铺设于多孔板73靠近土样4一侧的过滤件，过滤件可以是滤纸，滤纸的孔径要小于土样4的粒径，以避免土样4落入水槽内；即多孔板73和过滤件液体可以自由通过，土壤颗粒无法通过；水槽32设置于多孔板73的底部，且水槽32与马氏瓶31相连通；用装有亚甲基蓝的马氏瓶31接入***模拟一定埋深的地下水，用于冻结过程中的水分迁移过程的示踪。
而且，在步骤S5之后，通过摄像机11对可视化壳体2进行拍摄，拍摄得到的土壤冻结水和未冻水的分布图，与密布的温度测量传感器12，例如热电偶，得到的温度等值线图叠加，进行冻结过程的量化分析。
在本发明实施例中，可以控制第一导热体6的温度为-10℃，恒温箱的温度为1℃，冻结过程开始。将光源5切换为紫外线时，在其照射下，可以由荧光素(C20H12O5)示踪得到原来土壤中所含的水分的分布，即初始时整体呈均匀的黄绿色，开始冻结后，上部冻结的部分不显色，冻结锋面的黄绿色加深，冻结锋面会自上而下移动。同时土壤下部的水分会自下而上迁移，与此同时，装有亚甲基蓝的马氏瓶31开始为土样补水，将光源5切换为可见光时，在其照射下，补充的地下水在可见光照射下为蓝色，含有亚甲基蓝的水分冻结后也不显色。这样，可以由亚甲基蓝示踪得到原来地下水中的水分补充土壤水的过程。光源5在紫外线和可见光之间切换，冻结区、未冻结区和未冻水来源都能可视化。
其中，土样4可以为含盐土壤，可以为不含盐土壤；补水组件3中的地下水也可以为含盐地下水，或不含盐地下水。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种土壤冻结实验的可视化装置，设置于恒温箱内，其特征在于，包括：
可视化壳体，上下开口，内部设置有含第一颜料的土样；其中，所述土样为含盐土壤；
温度测量传感器，由所述可视化壳体侧壁穿入，并埋于所述土样中；
第一导热体，设置于所述可视化壳体的顶部，且所述第一导热体内设导管，且所述导管用于与冷却液供给装置相连通；
第二导热体，用于承载所述土样并控制所述土样的底部温度；
补水组件，与所述土样的底部相连通，用于模拟地下水补水；所述补水组件包括：
马氏瓶，设置于所述可视化壳体的一侧；所述马氏瓶内装有含第二颜料的水分，且所述第二颜料与所述第一颜料的颜色不同；
水槽，设置于多孔板的底部，且与所述马氏瓶相连通；并且所述导热柱位于所述水槽内；
光源，用于对可视化壳体进行照射；所述光源能够在可见光和紫外线之间切换；所述第一颜料在紫外线照射下显色；所述第二颜料在可见光照射下显色，且所述第一颜料和所述第二颜料在冻结后均不显色；
通过不同状态下颜色变化的鲜明对比，将冻结过程可视化和研究冻结过程中的水盐运移，实现冻结区、未冻结区和未冻水来源的可视化。
2.根据权利要求1所述的土壤冻结实验的可视化装置，其特征在于，所述第一导热体设置为T型金属块，包括：
水平部，设置有冷却液进口和冷却液出口，且内部设置所述导管；所述导管的一端与所述冷却液进口连通，另一端与所述冷却液出口连通；
竖直部，设置于所述水平部的底部，且***所述可视化壳体内部，并且所述竖直部与所述土样紧密接触。
3.根据权利要求1或2所述的土壤冻结实验的可视化装置，其特征在于，所述第二导热体包括：
导热块，设置于所述可视化壳体的底部；
导热柱，具有多个，且多个所述导热柱分布于所述导热块的顶部；并且位于所述可视化壳体的内部；
多孔板，设置于所述导热柱的顶部，用于承载所述土样。
4.根据权利要求2所述的土壤冻结实验的可视化装置，其特征在于，所述导管呈曲折蜿蜒状。
5.根据权利要求1所述的土壤冻结实验的可视化装置，其特征在于，所述可视化壳体的侧壁上均匀设置有多个贯穿孔，所述温度测量传感器一一对应由所述贯穿孔穿入并埋于土样中。
6.根据权利要求1所述的土壤冻结实验的可视化装置，其特征在于，所述可视化壳体采用透明双层石英玻璃板，用于绝热，且可透过紫外线和可见光。
7.根据权利要求5所述的土壤冻结实验的可视化装置，其特征在于，还包括用于拍摄土样冻结过程的摄像机，所述摄像机设置于所述可视化壳体的远离所述贯穿孔的一侧。
8.一种土壤冻结实验的可视化方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的土壤冻结实验的可视化装置，包括步骤：
在可视化壳体内部设置含第一颜料的土样，并由其侧壁穿入多个温度测量传感器，埋于所述土样中；
在可视化壳体的顶部设置第一导热体，在第一导热体内设置有导管，并将所述导管接通冷却液供给装置，通过所述第一导热体对土样进行冷却；
在可视化壳体的底部设置第二导热体，通过所述第二导热体对土样进行承载并控制所述土样的底部温度；
通过补水组件对土样进行补水，模拟地下水补水；
通过光源对可视化壳体进行照射。
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