CN114608989A - 基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置及方法，其中测定装置包括沉降筒、测量棒、重力检测器、数据采集处理单元和支架；所述测量棒的下端放入沉降筒的土壤悬液中，所述测量棒的上端通过连接机构与重力检测器连接，所述重力检测器通过支架安装于沉降筒的上方，且所述重力检测器通过数据线与采集器连接。本发明可以减少人工操作中的不稳定性，具备智能化的特点，且可连续采集数据，提高检测精度与准确性。

Description

基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置及方法

技术领域

本发明涉及土壤检测技术，具体涉及一种基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置及方法。

背景技术

土壤机械组成（土壤颗粒组成）是土壤固相物质各粒级土粒的配合比例。土壤机械组成是研究土壤的形成、分布、分类的必要步骤，且直接关系着土壤松紧程度、孔隙数量和分布，进而影响着土壤通气、透水及土壤环境背景值、能量转化等性能，是土壤肥力特征的重要参数之一，是评价土壤基本性质和形成环境的一个重要指标。

土壤机械组成分析是土壤物理性质分析最基本、最常见的一项工作。目前土壤机械组成分析使用最普遍的测定方法是吸管法和比重计法。吸管法在检测分析中，是在一定时间吸取悬液，烘干、称重，测得不同粒级颗粒的含量，因此，吸取悬液时间、深度和称重误差均会很大程度上影响测定结果的准确性，另外吸管法存在操作步骤繁琐、耗时长、测定精度依赖实验室条件与操作熟练水平等缺点。相比吸管法，比重计法操作相对简便，但精度低，且依旧是一个非常耗时、手工操作难以精确把控的方法，需要技术人员在所预设的沉降时间到达后，及时读取并记录比重计上读数。而且这两种方法只能测定有限的几个粒级。

激光粒度仪是近些年发展起来的现代分析技术，虽然有可测粒径范围大、粒级多、自动化程度高、人为操作误差小、耗时短等优点，但是由于测量原理基于激光衍射原理，与基于颗粒沉降原理的吸管法和比重计法不同，与经典吸管法测定结果有很大差别，特别是粘粒含量差别最大，而且激光粒度仪价格高昂，只限于少数实验室使用，无法普及。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置。此基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置提高了实验精度和准确性。

同时本发明的另一目的是提供了一种基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，包括沉降筒、测量棒、重力检测器、数据采集处理单元和支架；所述测量棒的下端放入沉降筒的土壤悬液中，所述测量棒的上端通过连接机构与重力检测器连接，所述重力检测器通过支架安装于沉降筒的上方，且所述重力检测器通过数据线与数据采集处理单元连接。

优选的，所述沉降筒的外壁包裹有恒温加热板。

优选的，所述连接机构包括悬挂环，所述测量棒的上端通过悬挂环与重力检测器的称重挂钩连接。

优选的，所述重力检测器为万分之一电子天平。

优选的，所述测量棒为实心圆柱型塑料棒，且密度大于土壤悬液的密度。

优选的，所述沉降筒的筒壁设有刻度。

基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法，采用上述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，包括以下步骤：

S1、将处理好的土壤悬液倒入沉降筒，并充分搅拌均匀；

S2、将测量棒的下端放入到土壤悬液中，重力检测器实时检测测量棒的重力数据，并将重力数据输送给数据采集处理单元，数据采集处理单元记录重力数据及与重力数据相对应的时间，以形成时间和重力的数据组；

S3、根据土粒直径大小以将土壤悬液中的土粒分成i组，其中各组土粒的直径为d ₁ 、d ₂ …d _i ，各组土粒的质量占比分别为k ₁ 、k ₂ …k _i，再结合步骤S2检测的数据，可得线性方程组：

其中，T ₁~T _i为各组土粒完全沉降一定深度h的沉降时间，P和Q为常数，m ₁~m _i 为沉降时间对应的天平读数，i为大于或等于1的自然数；

S4、基于步骤S2的数据组和步骤S3的线性方程组，求得土壤悬液中各组土粒的机械组成。

优选的，各组土粒直径的大小为0.05mm＞d ₁ ＞d ₂ ＞…＞d _i ＞0.002mm。

优选的，步骤S3中，每一个粒组土粒完全下降至h深度的沉降时间T _i 的确定步骤如下：

根据Stokes定律、阿基米德原理，各组土粒下降速度与土粒的半径的平方成正比，即

再根据速度、时间和距离之间的关系，直径为d _i 的土粒沉降到深度h时的沉降时间为：

其中，v为土粒在液体中的沉降速度，g为重力加速度，ρ _s为颗粒密度，ρ _w为土壤悬液密度，η为液体粘滞系数，d和d _i 均为土粒的直径，v _i 为直径为d_i的土粒在液体中的沉降速度。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置主要由沉降筒、测量棒、重力检测器、数据采集处理单元和支架构成，可以减少人工操作中的不稳定性，具备智能化的特点，且可连续采集数据，提高检测精度与准确性。

2、本基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法采用重力检测器和数据采集处理单元得到的数据组，再结合线性方程组可求得土壤的机械组成（即土壤中各组土粒的含量），与传统的比重计法和吸管法相比，可测定更多个粒级的土壤颗粒组成，且准确性高。

3、本基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法采用数据组和线性方程组求得各粒组土粒的含量，与传统的方法中将大小土粒沉降分隔开来、忽略了大小颗粒均在同时沉降的观点和解法相比，本申请的方法操作步骤简单，耗时少，且准确性高；同时获得的数据组可用于绘制完整的粒径分布曲线，方便于更多的研究。

4、本发明测量棒在测定过程中静置在悬液中，与传统吸管法和比重计法每测定一个粒级要拿出吸管和比重计相比，减少了对悬液中颗粒沉降过程的影响，测定更准确。

5、本发明采用的重力检测器为普通实验室常备的具备数据输出功能的万分之一电子天平，能够用于实验室常规称重，大大降低了测量成本。

附图说明

图1是本发明的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置的结构示意图。

其中，1为沉降筒，2为测量棒，3为重力检测器，4为数据采集处理单元，5为支架，6为称重挂钩，7为悬挂环，8为土壤悬液。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，包括沉降筒、测量棒、重力检测器、数据采集处理单元和支架；所述测量棒的下端放入沉降筒的土壤悬液中，所述测量棒的上端通过连接机构与重力检测器连接，所述重力检测器通过支架安装于沉降筒的上方，且所述重力检测器通过数据线与数据采集处理单元连接。其中，沉降筒采用透明的玻璃量筒，以方便观察。具体的，本实施例中的数据采集处理单元采用采集器或电脑。

所述沉降筒的外壁被恒温加热板包裹。恒温加热板可使土壤悬液处于恒温状态，进一步提高检测的精确度。具体的，恒温加热板的上端与土壤悬液的液面持平。

所述连接机构包括悬挂环，所述测量棒的上端通过悬挂环与重力检测器的称重挂钩连接。此连接机构的结构简单，操作方便，且稳定性高。

所述重力检测器为万分之一电子天平。万分之一电子天平具有极高的灵敏度，很少量颗粒沉降使悬液密度下降从而引起的测量棒重量变化均能够被天平检测出来，具备检测更多粒级的能力，从而进一步保证检测结构的精确性。

所述测量棒为实心圆柱型塑料棒，且密度大于土壤悬液的密度。具体的，测量棒的直径小于沉降筒的内径，且测量棒的质量在电子天平的量程范围内，从而进一步确保检测结构的精确性。

所述沉降筒的筒壁设有刻度。此设计方便操作人员直接能观察，提高了操作简便性。

基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法，采用上述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，包括以下步骤：

S1、将处理好的土壤悬液倒入沉降筒，并充分搅拌均匀；在进行前，先将电子天平归零，然后将分散处理好的土壤悬液倒入沉降筒，且土壤悬液的液面刚好到沉降筒的1L刻度处，然后按沉降法要求采用搅拌器将土壤悬液充分搅拌；

S2、将测量棒的下端放入到土壤悬液，重力检测器实时检测测量棒的重力数据，并将重力数据输送给采集器，采集器记录重力数据及与重力数据相对应的时间，以形成时间和重力的数据组；测量棒的下端入入到土壤悬液后，土壤悬液中的土粒开始沉降，随着土粒的下降，测量棒受到的浮力逐渐变小，则随着时间变化，电子天平实时检测到测量棒在对应时间时的重量，此重量为m _i 。则电子天平实时检测的得到重量m _i 与其相对应的沉降时间T _i 形成数据组。

S3、根据土粒直径大小以将土壤悬液中的土粒分成i组，其中各组土粒的直径为d ₁ 、d ₂ …d _i ，各组土粒的质量占比分别为k ₁ 、k ₂ …k _i，再结合步骤S2检测的数据，可得线性方程组：

其中，T ₁~T _i为各组土粒完全沉降一定深度h的沉降时间，P和Q为常数，m ₁~m _i 为沉降时间对应的天平读数，i为大于或等于1的自然数；

S4、基于步骤S2的数据组和步骤S3的线性方程组，求得土壤悬液中各组土粒的机械组成。

具体的，上述的线性方程组：

此为式（1）；

式（1）的建立过程具体如下：

根据Stokes定律和阿基米德原理，各组土粒下降速度与土粒的半径的平方成正比，即

，此为式（2），其中d为土粒的直径；

再根据速度、时间和距离之间的关系，直径为d _i 的土粒沉降到深度h时的沉降时间为：

，此为式（3），

其中，v为土粒在液体中的沉降速度，g为重力加速度，ρ _s为颗粒密度，ρ _w为液体密度，η为液体粘滞系数，v _i 为直径为d _i 的土粒在液体中的沉降速度。

测定时，将土壤中的土粒根据直径d _i 分成i组，且直径为d _i 的土粒在土壤中的质量比例为k _i ，

分好粒组d ₁～d _i ，i为自然数，设每粒组的比例为k _i ，k _i ≥0,

。土粒的分组的划分应根据研究需要划定，由于直径大于0.05mm的土粒沉降过程不符合Stocks定律；而土壤颗粒分级一般以0.002mm为粘粒直径上限，且小于0.002mm的土粒沉降时间过长，如无特殊需要，一般最小粒组上限选0.002mm。因此本实施例中土粒的直径d _i 的大小为0.002mm~0.05mm。划分粒组数也不可过多，划分太多粒组时，会由于每个粒组的土粒含量少，对应相邻两个沉降时间的间隔过短，某些时段内悬液密度可能变化不大，造成测量棒质量变化小于天平感量，出现读数不准的情况，也可以根据测量要求，选择不同感量的天平。

本实施例的工作和计算原理，将土粒划分为i个粒组，每个粒组的比例分别为k ₁ 、k ₂ 、k ₃ 、k ₄ …k _i ，而k ₁ 、k ₂ 、k ₃ 、k ₄ …k _i 这i组土粒的直径分别为d ₁、d ₂、d ₃、d ₄…d ₅ ，其中，d ₁>d ₂>d ₃>d ₄>…>d _i ，k ₁ +k ₂ +k ₃ +k ₄ +…+k _i =1。

当沉降时间为T ₁ 时，直径为d ₁的土粒全部沉降到h深度以下，h深度内均是直径小于d ₁ 的土粒，h深度内土壤悬液的平均密度ρ ₁ 均是由小于直径d ₁ 的土粒产生，由于小于d ₁ 的土粒沉降时间也为T ₁，因而此时直径小于d ₁ 的各粒组土粒有

已经下降到h深度以下，h深度内直径小于d ₁ 的土粒占沉降开始时h深度内该粒级的比例为

，占沉降开始时h深度内所有土粒的比例为

，即此时h深度内，所有土粒的组成比例为

，此为式（4）。

当沉降时间为T ₂ 时，直径大于d ₂ 的土粒全部沉降到h深度及以下，h深度内均是直径小于d ₂ 的土粒，h深度内悬液的平均密度ρ ₂ 均是由小于d ₂ 的土粒产生，由于小于d ₂ 的土粒沉降时间也为T ₂ ，因而此时直径小于d ₂ 的各粒组土粒有

已经下降到h深度以下，h深度内直径小于d ₂ 的土粒占沉降开始时h深度内该粒级的比例为

，占沉降开始时h深度内所有土粒的比例为

，即此时h深度内，所有土粒的组成比例为

，此为式（5）。

以此类推，

在T ₃ 时刻，h深度内，所有土粒的组成比例为

，此为式（6）。

在

时刻，h深度内，所有土粒的组成比例为

，此为式（7）。

而在沉降初期，即沉降时间为0，即T _i 等于0时，h深度内土壤悬液中土粒的总质量则为m _s ，m _s 的值可根据土壤悬液制备时加入水中的土壤样品混合成土壤悬液总质量与深度h占土壤悬液总质量M的比例乘积算出，即

，此为式（8），其中H为悬液总深度。

根据示重差法，测量棒的质量为m _B ，测量棒浸入土壤悬液中体积为V _B ，h深度内土壤悬液的平均密度为ρ，则有：

，此为式（9），

两边除以g，得：

，此式（10），

令f为h深度内土粒体积Vs占土壤悬液体积V的比例，则有：

，此为式（11）；

而

，此为式（12）；

结合式（8）、（10）、（11）和（12），可得：

，此为式（13），

，此为式（14），

，此为式（15）；

在沉降时间T _i 时，则有

，此为式（16）

由于

和

在整个沉降过程中是不变的，可设常数

,

，则T _i时刻，式（16）可写为：

，此为式（17）,

则基于k ₁ +k ₂ +k ₃ +k ₄ +…+k _i =1和式（4）~（7）及（17），可得到线性方程组：

此为式（1）。

然后基于式（1）和（3），再结合步骤S2中得到的数据组可求得各组直径土粒的机械组成。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：包括沉降筒、测量棒、重力检测器、数据采集处理单元和支架；所述测量棒的下端放入沉降筒的土壤悬液中，所述测量棒的上端通过连接机构与重力检测器连接，所述重力检测器通过支架安装于沉降筒的上方，且所述重力检测器通过数据线与数据采集处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述沉降筒的外壁包裹有恒温加热板。

3.根据权利要求1所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述连接机构包括悬挂环，所述测量棒的上端通过悬挂环与重力检测器的称重挂钩连接。

4.根据权利要求1所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述重力检测器为万分之一电子天平。

5.根据权利要求1所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述测量棒为实心圆柱型塑料棒，且密度大于土壤悬液的密度。

6.根据权利要求1所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述沉降筒的筒壁设有刻度。

7.基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法，其特征在于，采用权利要求1~6任意一项所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定装置，包括以下步骤：

S1、将处理好的土壤悬液倒入沉降筒，并充分搅拌均匀；

S2、将测量棒的下端放入到土壤悬液中，重力检测器实时检测测量棒的重力数据，并将重力数据输送给数据采集处理单元，数据采集处理单元记录重力数据及与重力数据相对应的时间，以形成时间和重力的数据组；

S3、根据土粒直径大小以将土壤悬液中的土粒分成i组，其中各组土粒的直径为d ₁ 、d ₂ …d _i ，各组土粒的质量占比分别为k ₁ 、k ₂ …k _i，再结合步骤S2检测的数据，可得线性方程组：

其中，T ₁~T _i为各组土粒完全沉降一定深度h的沉降时间，P和Q为常数，m ₁~m _i 为沉降时间对应的天平读数，i为大于或等于1的自然数；

S4、基于步骤S2的数据组和步骤S3的线性方程组，求得土壤悬液中各组土粒的机械组成。

8.根据权利要求7所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法，其特征在于，各组土粒直径的大小为0.05mm＞d ₁ ＞d ₂ ＞…＞d _i ＞0.002mm。

9.根据权利要求7所述的基于重力检测的土壤机械组成在线测定方法，其特征在于，步骤S3中，每一个粒组土粒完全下降至h深度的沉降时间T _i 的确定步骤如下：

根据Stokes定律、阿基米德原理，各组土粒下降速度与土粒的半径的平方成正比，即

再根据速度、时间和距离之间的关系，直径为d _i 的土粒沉降到深度h时的沉降时间为：

其中，v为土粒在液体中的沉降速度，g为重力加速度，ρ _s为颗粒密度，ρ _w为土壤悬液密度，η为液体粘滞系数，d和d _i 均为土粒的直径，v _i 为直径为d_i的土粒在液体中的沉降速度。

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