CN114609005A - 基于压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压力检测的土壤机械组成在线测定装置和方法，其中在线测定装置包括沉降筒、压力传感器和数据采集处理单元，所述沉降筒的筒壁设有阀门，此阀门位于沉降筒的土壤悬液的液面的下方，所述压力传感器安装于阀门的一端，且压力传感器的信号输出端与数据采集处理单元连接。本发明利用压力传感器实时检测土壤悬液的压力值，并输送到数据采集处理单元进行记录分析，减少了人工操作中的不稳定性，自动程度高，提高了检测精度和准确性。

Description

基于压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，具体涉及一种基于压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）是指土壤各粒级矿物质颗粒所占的百分含量。土壤机械组成是研究土壤各种物理化学行为的基础资料，机械组成分析是进行土壤质地分类的基础工作。土壤机械组成精确、高效的测定对土壤研究有重要意义。

国内现行的土壤机械组成的测定方法主要是吸管法和比重计法。吸管法在检测分析中，是在一定时点及一定深度吸取一定量悬液，对该悬液进行烘干称重，测得不同粒径颗粒的含量。因此，吸取悬液时间及深度均会很大程度上影响测定结果的准确性。吸管法存在一些缺点，包括操作步骤繁琐，耗时长，测定精度依赖实验室条件与操作熟练水平等。相比吸管法，比重计法操作相对更简便，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。无论采用吸管法还是比重计法，都是以Stokes定律为基础，前者操作步骤繁琐，后者准确度差，两者都耗时长，特别是需要测定更小粒径的土粒时，耗时更多，误差比较大。

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，提供了一种基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置。此基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置可提高实验精度和准确性。

同时，本发明的另一目的是提供了一种基于压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：本基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置，包括沉降筒、压力传感器和数据采集处理单元，所述沉降筒的筒壁设有阀门，此阀门位于沉降筒的土壤悬液的液面的下方，所述压力传感器安装于阀门的一端，且压力传感器的信号输出端与数据采集处理单元连接。

优选的，所述阀门与土壤悬液的液面之间的距离的为大于或等于20cm。

优选的，所述沉降筒的外壁被恒温加热板包裹。

优选的，所述压力传感器为0.075级高精度差压传感器。

优选的，所述沉降筒的筒壁设有刻度。

基于压力检测的土壤机械组成在线测定方法，采用上述的基于压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、压力传感器实时检测压力变化，以形成时间和压力的数据组；

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 ，各组土粒的占比分别为k ₁ 、k ₂ …k _i ，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，Q为常数，

为沉降时间对应的压力值，i为大于或等于1的自然数；

S4、基于步骤S2的数据组及步骤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

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为液体密度，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、本发明的基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置主要由沉降筒、压力传感器和数据采集处理单元构成，利用压力传感器实时检测土壤悬液的压力值，并输送到数据采集处理单元进行记录分析，减少了人工操作中的不稳定性，自动程度高，提高了检测精度和准确性。

2、本发明的基于压力检测的土壤机械组成在线测定方法采用压力传感器在线实时检测土壤悬液的压力值，将压力值数据输送到数据采集处理单元进行记录分析，从而形成时间和压力的数据组，基于数据组与线性方程组求得各粒组土粒的含量（即机械组成）；与传统方法中将大小土粒沉降分隔开来检测、忽略了大小颗粒均在同时沉降的观点和解法相比，不仅提高了检测精度，且操作步骤简单，耗时短。

3、本发明的基于压力检测的土壤机械组成在线测定方法采用压力传感器和数据采集处理单元检测数据及记录分析，以形成数据组，从而可获得连续的土壤粒组分布曲线，可用于更多的研究。

4、本发明的基于压力检测的土壤机械组成在线测定方法采用压力传感器连接在沉降筒外,消除了其它方法使用吸管、比重计或其它测量设备需要浸入悬液中对颗粒沉降的干扰，测定结果更准确。

5、本发明采用恒温装置使悬液在整个测量过程中处理恒温状态，消除了温度变化对土粒沉降速度的影响，测定结果更可靠。

附图说明

图1是本发明的基于压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为压力传感器，3为数据采集处理单元，4为阀门，5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所示的基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置，包括沉降筒、压力传感器和数据采集处理单元，所述沉降筒的筒壁设有阀门，此阀门位于沉降筒的土壤悬液的液面的下方，所述压力传感器安装于阀门的一端，且压力传感器的信号输出端与数据采集处理单元连接。其中，沉降筒采用透明的玻璃筒，以方便观察。

所述阀门与土壤悬液的液面之间的距离的为大于或等于20cm。随着土粒的沉降，在某一深度位置，土壤悬液的液压会逐渐变小，在适当深度位置设置压力传感器可以精确检测压力值的变化，从而确保检测结果的精确性。

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理恒温状态，进一步提高检测的精确度。

所述压力传感器为0.075级高精度差压传感器。采用高精度的压力的传感器才能够检测出颗粒沉降引起的压力变化，进一步确保检测结果的精确性。

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悬液体积，保证悬液定容准确。

基于压力检测的土壤机械组成在线测定方法，采用上述的基于压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；具体的，先将分散处理好的土壤悬液倒入沉降筒定容液面至1L刻度处，按沉降法要求用搅拌器充分搅拌均匀。

S2、压力传感器实时检测压力变化，以形成时间和压力的数据组；随着土粒的沉降，监测位置的土壤悬液的液压随着时间逐渐发生变小，压力传感器将检测到的压力值输送到采集器中，采集器将接收到的压力值与相对应的时间分析处理形成时间与压力的数据组。

S3、根据土粒直径大小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 ，各组土粒的占比分别为k ₁ 、k ₂ …k _i ，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，Q为常数，

为沉降时间对应的压力值，i为大于或等于1的自然数；

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

对于上述线性方程组：

,

此为式（1）。

式（1）的求得过程具体如下：

根据Stokes定律和阿基米德原理，各土粒下降速度与土粒半径的平方成正比，则有：

，此为式（2），

根据速度、时间和距离之间的关系，直径为d _i的土粒下降到h深度（土壤悬液的液面到压力传感器所在平面之间的距离）时需要的时间T _i 为：

，此为式（3）。

其中，v和v _i 均为土粒在土壤悬液中的沉降速度，g为重力加速度，d和d _i均为土粒直径，ρ _s为土粒密度，ρ _w为水的密度，η为土壤悬液粘滞系数，h为土壤悬液的液面到压力传感器所在平面之间距离，T _i 为土粒的沉降时间。

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，由于0.05mm土粒筛分误差较大；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，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。测定时，划分粒组数不可过多，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，导致压力传感器采集的压力值变化不大，出现读数不准的情况，也可以根据测量要求，选择不同精度的压力传感器。

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深度及以下，h深度内均是直径小于d ₁ 的土粒，h深度内悬液的平均密度ρ ₁ 均是由直径小于d ₁ 的土粒产生，由于直径小于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，粒径大于d ₂ 的土粒全部沉降到h深度及以下，即d ₁ 粒组土粒全部下沉到h深度及以下，h深度内均是粒径小于d ₂ 的土粒，h深度内悬液的平均密度ρ ₂ 均是由直径小于d ₂ 的土粒产生，由于直径小于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）

沉降初期，即沉降时间T _i =0时，h深度内悬液中土粒的总质量则为m _s ，该值根据悬液制备时加入水中的土壤样品总量M与测量深度h占悬液总深度H的比例乘积算出，即

，为常数。因此沉降一定时间T _i 时，h深度内悬液中土粒的总质量则为

。

根据液体压强公式，记压力传感器测定压力为p，h深度内悬液平均密度为ρ，则有

，此为式（8）；

，此为式（9）。

f为h深度内土粒体积V _s 占悬液体积V的比例，

，因此

，此为式（10）。

，此为式（11）。

在某沉降时刻T _i ，则有

，此为式（12）；

由于

在整个沉降过程中是不变的，可设常数

，则T _i时刻，式（12）可写为

，即

，此为式（13）。

则基于k ₁ +k ₂ +k ₃ +k ₄ +…+k _i =1、式（4）~（7）及式（13），可得到线性方程组：

然后基于式（1）和（3），再结合步骤S2中得到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 (8)

1.基于压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、压力传感器和数据采集处理单元，所述沉降筒的筒壁设有阀门，此阀门位于沉降筒的土壤悬液的液面的下方，所述压力传感器安装于阀门的一端，且压力传感器的信号输出端与数据采集处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述阀门与土壤悬液的液面之间的距离的为大于或等于20cm。

3.根据权利要求1所述的基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述沉降筒的外壁被恒温加热板包裹。

4.根据权利要求1所述的基于压力检测的土壤机械组成在线测定装置，其特征在于：所述压力传感器为0.075级高精度差压传感器。

5.根据权利要求1所述的基于压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。

6.基于压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1~5任意一项所述的基于压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、压力传感器实时检测压力变化，以形成时间和压力的数据组；

S3、根据土粒直径大小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 ，各组土粒的占比分别为k ₁ 、k ₂ …k _i ，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，Q为常数，

为沉降时间对应的压力值，i为大于或等于1的自然数；

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

7.根据权利要求6所述的基于压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。

8.根据权利要求6所述的基于压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

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为液体密度，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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