一种恒压式田间土壤透气速率测定仪

摘要

本发明公开了一种恒压式田间土壤透气速率测定仪，包括：透气速率测量机构、流量检测机构、气压室及恒压机构，透气速率测量机构包括：环刀以及环刀固定器，环刀固定器中间形成有供气压室内的气体进入待测土壤的导气孔；流量检测机构设置于气压室的出气口与环刀固定器的导气孔之间，恒压机构用于控制并稳定气压室内的气压。有益之处在于：本发明的恒压式田间土壤透气速率测定仪结构简单、成本较低，而且操作方便，通过恒压机构控制并稳定气压室内的气压从而提高了土壤透气速率测量的精度，同时也对流量计进行了改进从而减少了对测量结果的影响，进一步提高了测量精度；环刀固定器的结构更是进行了改进，确保了安装稳定性和良好的气密性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤透气速率测定仪，具体涉及一种恒压式田间土壤透气速率测 定仪。

背景技术

土壤透气速率是指气体通过土体的速度，反映了土壤气体和大气交换的能力。土 壤透气的优劣，通过土壤成分的变化，会直接影响到作物及土壤微生物的生长发育，还会影 响土壤肥力的有效利用，进而影响作物生长。土壤通气不良，则氧气不足，将抑制作物根系 的呼吸作用，进而削弱根系吸收水肥的功能。

在判断土壤耕作管理的效果以及进行其它有关的科学研究时，常常需要测定土壤 的透气性，因为它综合地反映了土壤的质地、结构及松紧度等基本物理状况，同时也受土壤 含水量的制约。测定土壤透气性一般方法有两种：一种是室内恒压测定法，另一种是压力计 法。传统的恒压测定法在透气过程中气压不是常数，仪器内与大气之间无法形成稳定可控 的压差，存在测得结果误差较大的问题；压力计法依赖于复杂的调压设备，测量较难，室内 试验结果易受季节、温度、取土样过程中改变土体孔隙结构等因素影响。鉴于上述原因，目 前还没有一种操作方便、结果可靠的土壤透气速率测定仪。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测量精度高、操作简便的恒 压式田间土壤透气速率测定仪。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种恒压式田间土壤透气速率测定仪，包括：透气速率测量机构、流量检测机构、 气压室及恒压机构，其中，所述透气速率测量机构包括：压入待测土壤内的环刀以及用于安 装环刀的环刀固定器，所述环刀固定器中间形成有供气压室内的气体进入待测土壤的导气 孔；所述流量检测机构设置于气压室的出气口与环刀固定器的导气孔之间，所述恒压机构 用于控制并稳定气压室内的气压。

优选地，前述流量检测机构包括：流量计和单片机计时器，所述单片机计时器与流 量计通过导线连接；所述环刀固定器的导气孔与流量计一端通过具有伸缩波纹的第一橡胶 管连接，所述流量计的另一端与气压室的出气口通过第二橡胶管连接。

更优选地，前述第一橡胶管和第二橡胶管上分别安装有第一阀门和第二阀门。

再优选地，前述流量计为皂泡流量计，包括：安装支架、皂泡发生器以及流量计本 体，所述流量计本体上间隔设置两个力敏电阻，所述皂泡发生器将皂液推进流量计本体内 从而在气流作用下产生皂泡，所述单片机计时器与两个力敏电阻通过导线连接以记录皂泡 通过两个力敏电阻的时间差。

进一步地，前述恒压装置包括：液压筒、调压管、水泵及水槽，所述液压筒高于气压 室并且液压筒的底部形成有出水口，液压筒的出水口通过软管连接一三通，所述三通的第 一支管与气压室通过一开口向上的J型管相连，所述三通的第二支管与调压管通过软管相 连；所述调压管包括基座、安装于基座上的管体以及连接于管体顶部出水口且接入水槽的 第一排水管，所述管体顶部形成有与大气连通的凹槽并且管体伸出基座的长度是能够调节 的，所述气压室的底部排水口通过第二排水管接入水槽，所述第二排水管上设置有第三阀 门，所述水泵安装于水槽内并且通过进水管向液压筒供水。

优选地，前述调压筒的基座下方安装一调平支座，所述基座上设置有液泡水准仪， 调平支座使得液泡水准仪中的液泡居中，从而保证调压管水平。

优选地，前述管体与基座之间设置一调节螺栓，旋转管体即可调节其伸出基座的 长度，所述管体上设有刻度，由上至下读数依次增大，位于最上方的基准刻度为：调节螺栓 的最顶部较J型管顶部高出的高度差。

更优选地，前述环刀固定器内设有多个规格的环刀接口，所述环刀接口包括：环刀 安装槽和与导气孔连通的气路。

再优选地，前述环刀安装槽内设有内锁机构和密封机构，所述内锁机构包括弹簧 和与连接于弹簧端部的卡扣，所述环刀上形成有与卡扣配合的卡孔；所述密封机构包括：安 装于环刀安装槽入口的一对压缩橡胶垫、以及安装于环刀安装槽顶部靠近气路处的C型密 封圈，气路中的压力越高，则C型密封圈的密封性越好。

具体地，前述卡扣为1/4金属球，所述金属球的球面朝向环刀安装槽的入口，这样 就限制了环刀由槽内向槽外运动，但不限制环刀其他方向的运动，易于固定环刀，解除锁定 时旋转环刀，将金属球压入安装弹簧的槽中，即可取出环刀。

本发明的有益之处在于：本发明的恒压式田间土壤透气速率测定仪结构简单、成 本较低，而且操作方便，通过恒压机构控制并稳定气压室内的气压从而提高了土壤透气速 率测量的精度，同时也对流量计进行了改进从而减少了对测量结果的影响，进一步提高了 测量精度；环刀固定器的结构更是进行了改进，确保了安装稳定性和良好的气密性。

附图说明

图1是本发明的恒压式田间土壤透气速率测定仪的一个优选实施例的机构示意 图；

图2是图1所示实施例中环刀固定器和环刀的截面结构示意图；

图3是图2的局部放大示意图；

图4是图1所示实施例中流量检测装置的结构示意图；

图5是图1所示实施例中气压室和调压管的结构示意图。

图中附图标记的含义：1、环刀，2、环刀固定器，3、导气孔，4、环刀1安装槽，5、气路， 6、弹簧，7、金属球，8、卡孔，9、压缩橡胶垫，10、C型密封圈，11、流量计，12、单片机计时器， 13、第一橡胶管，14、第二橡胶管，15、第一阀门，16、第二阀门，17、安装支架，18、皂泡发生 器，19、流量计本体，20、力敏电阻，21、液压筒，22、调压管，23、水泵，24、水槽，25、三通，26、J 型管，27、第二排水管，28、第三阀门，29、基座，30、管体，31、第一排水管，32、凹槽，33、调平 支座，34、液泡水准仪，35、气压室。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参见图1，本发明的恒压式田间土壤透气速率测定仪包括：透气速率测量机构、流 量检测机构、气压室35及恒压机构，该测定仪能够解决现有技术中恒压测定方法测量精度 不足、对精密仪器的依赖性高、操作复杂等一系列问题。

其中，如图2所示，透气速率测量机构包括：环刀1和环刀固定器2，测试过程中，环 刀1安装于环刀固定器2上，然后压入待测土壤内，在环刀固定器2中间形成有供气压室35内 的气体进入待测土壤的导气孔3。环刀固定器2由不锈钢圆饼制成，在其内设有多个规格的 深度为3.5cm的环刀接口，直径分别为5厘米、10厘米和15厘米。具体地，环刀接口包括：用于 固定环刀1的环刀安装槽4和与导气孔3连通的气路5。

需要重点说明的是，参见图2和图3，在环刀安装槽4内设有内锁机构和密封机构。 其中，内锁机构包括弹簧6和与连接于弹簧6端部的卡扣，环刀1上形成有与卡扣配合的卡孔 8；本实施例中的卡扣为1/4金属球7，金属球7的球面朝向环刀安装槽4的入口，卡孔8是两个 圆孔，在距离环刀1顶部1cm处。这样一来，金属球7卡接于卡扣中时，就限制了环刀1由环刀 安装槽4的槽内向槽外运动，但不限制环刀1其他方向的运动，易于固定环刀1，解除锁定时 旋转环刀1，将金属球7压入安装弹簧6的槽中，即可取出环刀1。

为了获得可靠的密封性能，本发明的密封机构有两道，具体为：安装于环刀安装槽 4入口的一对压缩橡胶垫9、以及安装于环刀安装槽4顶部靠近气路5处的C型密封圈10，一对 压缩橡胶靠自身的弹性紧压住环刀1实现第一重密封，在气路5中的压力作用下，自内腔给C 型密封圈10施以压力，气路5中的压力越高，则C型密封圈10更加压紧环刀1，从而实现第二 重密封。

流量检测机构设置于气压室35的出气口与环刀固定器2的导气孔3之间，如图4所 示，包括：流量计11和单片机计时器12，环刀固定器2的导气孔3与流量计11一端通过具有伸 缩波纹的第一橡胶管13连接，从而方便检测过程中根据需要灵活调节环刀1的位置，流量计 11的另一端与气压室35的出气口通过第二橡胶管14连接，在第一橡胶管13和第二橡胶管14 上分别安装有第一阀门15和第二阀门16，从而控制大气是否进入流量计11和环刀固定器2。

本发明的流量计11为皂泡流量计，本实施例的皂泡流量计包括：安装支架17、皂泡 发生器18以及流量计本体19，在流量计本体19上间隔10cm设置两个力敏电阻20，力敏电阻 20上涂有防导电涂料，单片机计时器12与两个力敏电阻20通过导线连接以记录皂泡通过两 个力敏电阻20的时间差从而计算出流量。为了便于操作，在单片机计时器12上有显示器、电 源开/关键、手动/自动键、开始计时/暂停计时键及复位键等按钮。

此外，为了避免传统的橡皮塞式皂泡发生器18在产生皂泡时产生气流，影响试验 准确性这一问题，本发明的皂泡发生器18仅将皂液推进流量计本体19内，不产生气流，皂液 在流经流量计本体19的大气作用下产生皂泡。

本发明的重要创新之处在于利用恒压机构控制并稳定气压室35内的气压。具体 地，如图1所示，恒压装置包括：液压筒21、调压管22、水泵23及水槽24，液压筒21高于气压室 35并且液压筒21的底部形成有出水口，液压筒21的出水口通过软管连接一三通25，三通25 的第一支管与气压室35通过一开口向上的J型管26相连，三通25的第二支管与调压管22通 过软管相连。气压室35的底部排水口通过第二排水管27接入水槽24，第二排水管27上设置 有第三阀门28，水泵23安装于水槽24内并且通过进水管向液压筒21供水。

通过调压管22即可方便地控制和调节气压室35内的气压，如图5所示，调压管22包 括基座29、安装于基座29上的管体30以及连接于管体30顶部出水口且接入水槽24的第一排 水管31，管体30顶部形成有与大气连通的凹槽32并且管体30伸出基座29的长度是能够调节 的，此外，为了确保调压管22水平，在调压筒的基座29下方还安装一调平支座33，并且基座 29上设置有液泡水准仪34，调平支座33使得液泡水准仪34中的液泡居中，从而保证调压管 22水平。为了方便调节管体30，在管体30与基座29的连接处设置一调节螺栓，旋转管体30即 可调节其伸出基座29的长度，管体30上设有刻度，由上至下读数依次增大，位于最上方的基 准刻度为：调节螺栓的最顶部较J型管26顶部高出的高度差。测试开始前，通过调节螺栓改 变管体30长度，即改变出水头高度，以达到试验所需不同气压，测试过程中，通过水泵23向 液压筒21中持续注入水，保持调压管22持续出水，调压管22的液面高度与液压筒21的液面 高度相同，则能够控制气压室35的气压为恒定值。

为了更好地理解本发明，下面对本发明的恒压式田间土壤透气速率测定仪的工作 过程和计算过程进行阐述：

(1)、按照图1的连接关系连接好所有部件后，进入实验准备工作，关闭第三阀门 28，打开第一阀门15和第二阀门16，选择型号为15厘米×15厘米(内径x有效高度，下同)的 环刀1锁入环刀固定器2，并确保密封；

(2)、按试验设定压强调节调压管22至合适的高度(调压管22上的刻度是压强计算 依据)，通过水泵23从水槽24中向液压筒21内注水，液压筒21液面达到设定高度且J型管26 无水滴出时，气压室35达到设定气压值，装置气密性良好，暂停注水，关闭第一阀门15；

(3)、在环刀固定器2内侧铺垫一层纱布，选择合适的位置，用刮土刀清理土体表面 杂质，将环刀1的刀口对准土体，用力踩下环刀固定器2使环刀1完全插入待测土壤内；

(4)、打开单片机计时器12的电源开关，使用水泵23向液压筒21内注水并打开第一 阀门15，稳定后利用皂泡发生器18将皂液旋进流量计本体19产生皂泡，皂泡随气流运动，经 过第一个力敏电阻20时单片机计时器12开始计时，经过第二个力敏电阻20时单片机计时器 12结束计时，则单片机计时器12显示时间为Δt；

(5)、关闭第一阀门15，取下环刀1，装入型号为10厘米×10厘米的环刀1，重复上述 步骤(2)-(4)在原位置进行测定试验；

(6)、关闭第一阀门15，取下环刀1，装入型号为5厘米×5厘米的环刀1，再次重复上 述步骤(2)-(4)在原位置进行测定试验；

(7)、测定结束后，关闭第二阀门16，打开第三阀门28，降低调压管22高度至原位， 回收液压筒21和气压室35内的水，取出环刀1，清理现场。

记录环刀1内径D、环刀1有效高度h、单片机计时器12上读数Δt、调压管22刻度线 读数H以及试验气温T，根据Darcy定律，流体穿过土柱的量Q与土壤通气面积S、流体压差P、 时间Δt成正比，与土体厚度L(即环刀1有效高度h)、粘滞系数μ成反比。

将上述原理应用于所采用样本土体，得到下列方程：

$Q=K·\frac{SP\Delta t}{L\mu }---\left(1\right);$

式(1)中：Q为土壤透气量(cm³)；S为样本土体横截面积(cm²)；P为空气压差(Pa)；Δ t为时间(s)；L为样本土体厚度(cm)；μ为空气粘滞系数，其中，样本土体横截面积S、时间Δ t、样本土体厚度L由实验直接记录或者测量获得；空气粘度系数由试验温度T查《物理化学 手册》获得；空气压差P由静水压强计算公式得出：

P＝ρgH(2)

式(2)中：ρ为实验温度下水的密度(kg/m³)；g为当地重力加速度(m/s²)；H为液面高 差，即调压管22刻度线读数H(m)。

在温度不变的条件下，土壤透气量Q根据玻意耳-马略特定律:P₁V₁＝P₂V₂得出：

Q＝V₁＝P₂V₂/P₁(3)

式(3)中：P₁为当地大气压(Pa)；P₂为气压室35内气压，即当地大气压与空气压差之 和(Pa)；V₂为流量计本体19的容积，由内径和长度计算获得(cm³)。

最后，通过式(1)可计算出土壤透气速率指数K：

$K=\frac{QL\mu }{SP\Delta t}.$

综上，本发明的恒压式田间土壤透气速率测定仪结构简单、成本较低，而且操作方 便，通过恒压机构控制并稳定气压室35内的气压从而提高了土壤透气速率测量的精度，同 时也对流量计11进行了改进以减少对测量误差，进一步提高了测量精度；环刀固定器2的结 构也进行了改进，确保了安装稳定性和良好的气密性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该 了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的 技术方案，均落在本发明的保护范围内。