УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ВОДНОГО БАЛАНСА ПОЧВЫ Российский патент 2016 года по МПК G01N33/24 A01G25/16 E02D1/06 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при водно-балансовых исследованиях на мелиоративных землях, а также в качестве первичного преобразователя при исследованиях влияния условий внешней среды на произрастание растений в автоматизированных осушительно-увлажнительных системах.

Известно устройство для регулирования уровня грунтовых вод и измерения баланса почвы, содержащее емкость с монолитом почвы, гидравлически соединенную с емкостью контроля уровня воды в лизиметре, имеющем узел сброса инфильтрата и водоподпитывающий, а также электронные узлы коммутации, управления и регистрации и источник водоподачи, узел сброса инфильтрата выполнен в виде дозатора инфильтрации с датчиком уровня, подключенным к узлу управления, и электромагнитными клапанами на выходе из дозатора информации и на входе в него из емкости контроля уровня воды в лизиметре, а водоподпитывающий узел выполнен в виде дозатора испарения с датчиком уровня, подключенным к узлу управления, и электромагнитными клапанами на входе в дозатор испарения из источника водоподачи и на выходе из дозатора испарения в емкость контроля уровня воды в лизиметре, причем все дозаторы, электромагнитные клапаны и емкость контроля уровня воды в лизиметре смонтированы на одной панели, установленной с возможностью ее вертикальной перестановки, а электромагнитные клапаны подключены к узлу коммутации (Авторское свидетельство SU №1052198, A01G 25/16 от 07.11.1983).

Недостатком известного устройства является то, что оно достаточно сложно и имеет повышенную металлоемкость, а значит, и высокую стоимость. Кроме того, контроль участка грунтовой воды связан с исследуемой емкостью с монолитом почвы, а это является повышенной трудоемкостью, обусловленной отсутствием раздела дренаж-воздух на пути движения воды в нижней части емкости. Инфильтрационная вода, перемещаясь по трубке вверх до емкости контроля уровня воды в лизиметре, выполняющем роль регулятора уровня грунтовых вод, которое соединено с гибкой трубкой как сообщающиеся сосуды, заиливается мелкими частицами грунта, это приводит к занижению точности и достоверности контроля при переменном уровне грунтовых вод и в некоторой степени искажает химический состав инфильтрата в приемниках лизиметра из-за остаточного осадка мелких фракций грунта.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство контроля водного баланса почвы, включающее емкость с монолитом почв, гидравлически связанную с емкостью контроля уровня, которая снабжена входным патрубком и водосливом, размещена на панели регулирования с возможностью вертикального перемещения и оснащена узлом сброса, подключенным к водосливу, и водоподпитывающим узлом, подключенным к источнику водоподачи, а также блок управления с электрокоммутационной схемой и подключенные к нему электромагнитные клапаны на входах и выходах узла сброса и водоподпитывающего узла, блок питания и регистрации и датчики уровней в емкости контроля уровня, в узле сброса и водоподпитывающем узле, устройство также снабжено узлом перемещения панели регулирования с электроприводом, подключенным к блоку управления, перфорированной скважиной в почве с помещенным в ней поплавком, имеющим источник гамма-излучения, детектором гамма-излучения, установленным на панели регулирования на одном уровне с водосливом, и последовательно включенными между детектором и блоком управления усилителем-дискриминатором и интенсиметром, причем источник водоподачи выполнен в виде емкости с датчиком уровня, подключенным к блоку управления, и подсоединенного к ней трубопровода, на котором смонтированы реверсивный гидронасос с ресиверным электроприводом, подключенным к блоку управления, и фильтр-оголовок, установленный в почве ниже уровня грунтовых вод (Авторское свидетельство SU №1436945, A01G 25/16 от 15.11.1988).

Однако главный недостаток устройства то, что оно достаточно сложно и имеет повышенную металлоемкость, а значит, и высокую стоимость. Кроме того, наличие плоскости раздела дренаж-воздух в них не устранен. Лизиметры - на отдельной площадке вблизи опытных делянок, для определения истиной величины инфильтрации почвенной влаги устанавливаются на требуемую глубину, непосредственно в полевом опыте дают низкую точность определения величины инфильтрационного потока воды, а поступление воды из нижнего дна емкости может засорять взвешенными частицами грунта емкости контроля уровня воды, так как она не защищена от повышенной скорости поступления воды в нее, и частицы почвы неизбежно остаются в емкости. Другим недостатком является также то, что вынужденное размещение перфорированной скважины с поплавком с источником гамма-излучения имеет высокую стоимость. В целом устройство сложно в требуемых пределах контроля вне зависимости от измерения уровня грунтовых вод. Лизиметр требует сложных исследований взаимосвязей составляющих водного баланса и получения теоретических формул для расчета напорности потока и т.п.

Технической задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости контроля путем сокращения дозированных емкостей и электромагнитных клапанов, а также снижение материалоемкости.

Поставленная задача в устройстве контроля водного баланса почвы, включающем емкость с монолитом почвы, гидравлически связанную с емкостью контроля уровня, узел сброса, подключенный к источнику водоподачи, а также блок управления с электрокоммутационной схемой и подключенные к нему электромагнитные датчики уровней воды в емкости контроля уровня, причем источник выполнен в виде емкости с датчиком уровня, подключенным к блоку управления, и подсоединенного к ней трубопровода с гидронасосом, подключенного к блоку управления, емкость контроля уровня выполнена из закрытого резервуара, разделенного в средней части перегородкой, в нижней части резервуара выполнена дополнительная камера, нижняя часть которой имеет фильтрующее покрытие, выполненное из геотекстильного материала, расположенного над сеткой, а поддон дополнительной камеры гидравлически соединен с емкостью, снабженной монолитом почвы, при этом на перегородке сверху размещен насос, а золотниковый механизм установлен с возможностью сообщения полости дополнительной камеры с атмосферой и соединен управляющим входом через электромагнит с программным блоком, входы которого связаны с датчиком уровня, а выход - с насосом, при этом блок снабжен задатчиками продолжительности открытия и закрытия золотника.

Выполнение устройства контроля водного баланса почвы при обеспечении требуемого снижения трудоемкости и сокращения материалоемкости более достоверно количественно и качественно фиксирует состав депрессионной кривой и влияния на напорность на модуль грунтовых вод, влияющий на растительный покров почвы, а также повысит точность расчета параметров дренажа и т.п.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - блок-схема управления работой золотникового механизма и насоса.

Устройство содержит емкость 1 с монолитом почвы, установленную на контрольном участке поля, и измерительную емкость контроля в виде закрытого резервуара 2. Резервуар 2 в средней части разделен перегородкой 3, в нижней части которого выполнена дополнительная камера 4, дном которой является фильтрующее покрытие из геотекстильного материала 5, расположенного над сеткой 6. Дополнительная камера 4 имеет поддон 7, который гидравлически сообщается трубой с емкостью 1 с монолитом почвы.

Камера 4 контроля уровня снабжена насосом 8, размещенным сверху на перегородке 3 с всасывающим 9 и нагнетательным 10 трубопроводами, наливным баком 11 с отводящим трубопроводом 12 и датчиками 13 и 14 верхнего и нижнего уровня воды в камере 4. Датчики уровня соединены с насосом 8 через программный блок 15. На перегородке 3 камеры 4 установлен золотниковый механизм 16, сообщающийся посредством трубки 17 с полостью камеры 4, а управляющим входом - через электромагнит 18, связанный с программным блоком 15 управления. Последний имеет задатчики 19 продолжительности периодического открытия и закрытия золотникового механизма.

Блок 15 управления с электронно-коммунитирующей схемой (не показано) предназначен для управления всем устройством и включает в себя также электронные ключевые элементы, электромагнитное реле времени, блок сравнения, стабилизатор опорного напряжения и блок переключателя (не показано).

Устройство работает следующим образом.

Емкость 1 монолита почвы гидравлически сообщается с грунтовыми водами. Для приведения в рабочее состояние включается программный блок 15 управления.

В герметично закрытую сверху камеру 4 через поддон 7, сетку 6 и фильтрующее покрытие геотекстиля 5 инфильтрат поступает в камеру 4 накопления, и в течение выдержки времени происходит заполнение камеры 4 с выравниванием уровня воды в емкости 1 с монолитом, контролируемое задатчиками 19 времени. Программный блок 15 электромагнитом 18 воздействует на золотниковый механизм 16, перемещает его поршень, сообщая через трубку 17 полость камеры 4 с атмосферой. Снятие вакуума позволяет сохранить сплошность фильтрующей влаги через полотно геотекстиля 5 путем предотвращения срыва вакуума в результате проникновения инфильтрата с пузырьками воздуха, что увеличивает его фильтрующую способность и заполнение полости камеры 4. Насос 8 через всасывающий трубопровод 9 откачивает инфильтрат из камеры 4 и под давлением подает его по нагнетательному трубопроводу 10 в наливной бак 11, из которого инфильтрат по отводящему трубопроводу 12 направляют потребителю. В результате откачки инфильтрата и понижения уровня в свободной полости камеры создается вакуум (разрежение), величина которого возрастает с понижением уровня инфильтрата. Верхний и нижний уровни инфильтрата контролируются датчиками 13 и 14, сигналы от которых поступают в программный блок 15 для управления работой насоса 8. Через определенный промежуток времени программный блок 15 электромагнитом 18 воздействует на золотниковый механизм 16, перемещает его поршень, сообщая через трубку 17 полость камеры 4 с атмосферой, т.е. снимается вакуум в полости камеры 4.

В результате происходит дальнейшее заполнение инфильтрата через сетку 6 и фильтрующий геотекстиль 5. Одновременно мелкие частицы грунта осаждаются в поддоне 7 и в дальнейшем удаляются за пределы резервуара известными способами (не показано для упрощения). В дальнейшем процесс повторяется. Информация слива из наливного бака 11, т.е. количество поступившей воды из камеры 4, регулирует снижение грунтовых вод в лизиметрических опытах на разных типах почв. Поскольку из емкости 1 с монолитом поступает вода из грунтовых вод, непосредственно примыкающих к лизиметру, то химический состав почвы в емкости 1 лизиметра всегда соответствует химическому составу окружающих лизиметр почв, следовательно, и точность экспериментальных данных возрастает.

В таблице показаны оптимальные значения состояния расположения УГВ от поверхности почвы и влажности почвы, как по периодам проведения работ, так и по культурам и их фазам развития.

Достигается полная автоматизация управления устройством дополнительной камеры, а функции наблюдения сводятся лишь к наполнению бака, из которого вода через отводящий трубопровод отводится потребителю, при этом возможна установка счетчика стока (не показано), погрешность которого достаточна высока.

Таким образом, в течение всего периода работы устройства уровень воды в камере и в емкости с монолитом почвы постоянно следует за уровнем грунтовых вод в поле. Эта связь на исследуемом участке грунтовой воды приводит к снижению трудоемкости контроля и материалоемкости предложенного устройства в сравнении с прототипом.

Основным достоинством устройства, определяющим его надежность и обеспечение долговременной (продолжительной) эксплуатации и улучшения условий труда обслуживающего персонала, является независимость процесса задания и поддержания уровня в камере, заполняемой инфильтратом через поддон ее, и возможность автоматической регистрации и управления процессами наполнения и слива.

Благодаря гибкости фильтрационного полотна из геотекстильного материала и прочности его уложенного сверху на сетку в камере предотвращается отложение мелких фракций почвы в полости камеры, даже в ходе продолжительной эксплуатации покрытие не выйдет из строя, слой которого защищен снизу сеткой, обращенной в сторону поддона камеры.

Лизиметр включает емкость с монолитом почвы, гидравлически связанную с емкостью контроля уровня, узел сброса, подключенный к источнику водоподачи, блок управления с электрокоммутационной схемой и подключенные к нему электромагнитные датчики уровней воды в емкости контроля уровня. Источник выполнен в виде емкости с датчиком уровня, подключенным к блоку управления, и подсоединенного к ней трубопровода с гидронасосом, подключенным к блоку управления. Емкость контроля уровня выполнена из закрытого резервуара, разделенного в средней части перегородкой, в нижней его части выполнена дополнительная камера. Нижняя часть камеры имеет фильтрующее покрытие из геотекстильного материала, расположенного над сеткой. Поддон камеры гидравлически соединен с емкостью с монолитом почвы. На перегородке сверху размещен насос. Золотниковый механизм установлен с возможностью сообщения полости камеры с атмосферой и соединен управляющим входом через электромагнит с программным блоком, входы которого связаны с датчиком уровня, а выход - с насосом. Блок снабжен задатчиками продолжительности периодического открытия и закрытия золотника. Технический результат - снижение материалоемкости. 2 ил., 1 табл.

Устройство контроля водного баланса почвы, включающее емкость с монолитом почвы, гидравлически связанную с емкостью контроля уровня, узел сброса, подключенный к источнику водоподачи, а также блок управления с электрокоммутационной схемой и подключенные к нему электромагнитные датчики уровней воды в емкости контроля уровня, причем источник выполнен в виде емкости с датчиком уровня, подключенным к блоку управления, и подсоединенного к ней трубопровода с гидронасосом, подключенным к блоку управления, отличающееся тем, что емкость контроля уровня выполнена из закрытого резервуара, разделенного в средней части перегородкой, в нижней части резервуара выполнена дополнительная камера, нижняя часть которой имеет фильтрующее покрытие, выполненное из геотекстильного материала, расположенного над сеткой, а поддон дополнительной камеры гидравлически соединен с емкостью, снабженной монолитом почвы, при этом на перегородке сверху размещен насос, а золотниковый механизм установлен с возможностью сообщения полости дополнительной камеры с атмосферой и соединен управляющим входом через электромагнит с программным блоком, входы которого связаны с датчиком уровня, а выход - с насосом, при этом блок снабжен задатчиками продолжительности периодического открытия и закрытия золотника.