ЭКСПРЕСС-СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ РАЗРЫВА КАПИЛЛЯРОВ ПОЧВ Российский патент 2025 года по МПК G01N33/24 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к сельскому хозяйству и почвоведению, а именно к средствам и способам определения влажности разрыва капилляров (ВРК) почв для определения содержания наиболее доступной для растений продуктивной влаги в почвах. В соответствии с определением [1], ВРК характеризует нижнюю границу диапазона наиболее доступной влаги для растений. Ниже этой влажности в почве перестает существовать непрерывный водный каркас. Как следствие, подвижность воды и её доступность для растений снижаются.

Уровень техники

Известен способ определения ВРК по методу Абрамовой-Роде [1]. Способ заключается в отборе почвенных монолитов высотой около 2 метров, тщательном пропитывании их раствором, содержащим хлорид-ион в качестве метки перемещения влаги, и иссушении поверхности монолитов. При этом следили за распределением влаги, то есть контролировали изменение влажности по профилю. В течение первого периода наблюдений, то есть, с момента начала испарения, влага заметно подпитывалась из нижних слоев, практически компенсируя потери влаги на поверхности монолита. Затем при наступлении некоторой влажности в средней части монолита подток влаги в поверхностные слои значительно снижался, и поверхностные слои начинали заметно уменьшать свою влажность, а вот влажность в средней части монолита изменялась мало. При этом влага в этой области заметно изменила свою подвижность. Значение этой влажности и является ВРК.

Недостатком данного способа является его высокая трудоемкость, а также низкая эффективность определения ВРК. При реализации способа требуются значительные помещения значительных объемов, длительный период наблюдений, привлечение визуально контролирующих процесс специалистов. Такой способ затруднительно реализовать в лабораторных условиях.

Известен также способ Мацкевича [2], основанный на следующем эффекте: при влажности почвы выше ВРК почвенный раствор быстро перемещается к поверхности испарения, на которой появляется налет вещества (соли), содержащегося в почвенном растворе. Если влажность ниже ВРК, то соль не появляется на поверхности почвы. Взяв образцы почвы, содержащие разное количество почвенного раствора с солью, определяют ВРК по первому образцу, на котором не выступят следы соли.

Недостатком данного способа является его низкая производительность при определении влажности разрыва капилляров. Высушивание образца происходит при атмосферных условиях, поэтому срок определения может исчисляться часами и даже сутками.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения ВРК по визуально определяемому излому, появляющемуся на графике скорости сушки почвенных образцов [3]. Способ заключается в том, что почвенный образец в виде пасты, увлажненной до состояния предела текучести (объем влаги подбирается примерно, исходя из особенностей конкретной почвы), помещают в пластмассовую чашку Петри диаметром 4 см и толщиной 4 мм, чем достигают однообразия исследуемых образцов по площади испарения и толщине. Внутрь почвенного образца помещают температурный датчик типа «Термохрон». Высушивание образца проводят при 60°C. Фиксацию температуры и влажности образцов проводят синхронно с интервалом в 1 минуту. ВРК определяют графически в координатах «скорость сушки - влажность образца». По достижении ВРК на графике наблюдается излом (перегиб кривой графика), который характеризует снижение скорости удаления воды из образца. Данный способ сходен с заявляемым тем, что ВРК определяют по снижению скорости удаления воды из образца, кроме того, в данном способе также используют дополнительные технические средства для ускорения испарения воды из почвенных образцов. В известном способе ускорение испарения достигается за счёт увеличения температуры до 60°C.

Основным недостатком метода является его относительно низкая производительность. Увеличение температуры до 60°C способствует ускорению испарения, однако удаление воды в виде паров воды требует значительных затрат энергии, что снижает производительность способа.

Таким образом, техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в необходимости преодоления недостатков приведенных выше аналогов за счет создания более экономичного и производительного в сравнении с аналогами и прототипом лабораторного способа определения влажности разрыва капилляров почвенных образцов.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый в результате использования заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности быстрого извлечения подвижной воды из почвенного образца.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе определения влажности разрыва капилляров (ВРК) почвенного образца, включающем насыщение почвенного образца водой, высушивание почвенного образца, фиксацию момента снижения скорости удаления воды из образца с определением в этот момент влажности высушенного образца, соответствующей ВРК, согласно техническому решению, почвенный образец помещают в воронку Шотта на внутреннюю поверхность стеклянного фильтра, а насыщение почвенного образца водой ведут до создания капиллярной связи между всеми почвенными частицами и стеклянным фильтром воронки Шотта, при этом высушивание почвенного образца ведут воздействием на почвенный образец вакуума, который вытягивает подвижную воду из почвенного образца, которая взаимодействует с воздухом и образует на внешней поверхности стеклянного фильтра пузырьки, фиксируют момент окончания образования пузырьков, после чего прекращают воздействие вакуума и определяют влажность высушенного таким образом почвенного образца, соответствующую ВРК. Предварительно почвенный образец подготавливают виброуплотнением на вибрационном столе в течение 10-15 с при амплитуде 2-3 мм и частоте 50 Гц. Воздействие вакуума при высушивании почвенного образца обеспечивают подключением к воронке Шотта водоструйного насоса.

Физическое обоснование принципа, реализуемого в заявляемом способе, состоит в том, что в почвенных образцах влага существует в двух формах: свободной, то есть подвижной, и кинетически связанной, входящей в состав почвенных гелей, где подвижность у воды отсутствует. Разряжение, создаваемое водоструйным насосом, заставляет подвижную влагу из почвенного образца переходить на стеклянный фильтр воронки Шотта, где влага взаимодействует с воздухом и образует на нижней границе стеклянного фильтра пузырьки. Эти пузырьки возникают из-за образования пленки воды на нижней поверхности стеклянного фильтра и вхождения под эту пленку воздуха через пустые капилляры. Прекращение образования пузырьков свидетельствует о прекращении перехода воды из почвы на фильтр и исчезновении пленки воды на нижней поверхности стеклянного фильтра и сохранении в почве только малоподвижной влаги, входящей в состав почвенных гелей, в образце, что дает возможность определить ВРК в момент прекращения или замедления выхода подвижной влаги.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, где

на фиг. 1 представлен график, характеризующий кривую сушки почвенного образца, помещенного в воронку Шотта, расположенную в воронке Бюхнера. Белыми квадратами отмечены точки, полученные при прекращении сушки через разные промежутки времени. Черные квадратики - точки, полученные при остановке сушки после прекращения образования на нижней части стеклянного фильтра водяных пузырьков. Красная точка соответсвует ВРК прототипа.

Осуществление изобретения

Заявляемый способ может быть реализован в короткие сроки в лабораторных условиях без необходимости применения высокотехнологичных ресурсов. Результаты реализации способа получают значительно быстрее по сравнению с известными аналогами, что позволяет проводить такие измерения для большего числа образцов в сжатые сроки.

Для реализации способа предварительно отобранные почвенные образцы избыточно увлажняют водой для образования капиллярной связи между всеми частицами почвенного образца и стеклянным фильтром воронки Шотта (https://simax.ru/blog/voronka-shotta-osobennosti-ispolzovaniya-i-naznachenie/?ysclid=m3is673jgv164407925), и включают водоструйный насос (например, известный из https://primelab.com/blog/chto-eto-takoe-steklyannyj-vodostrujnyj-vakuumnyj-nasos.html?ysclid=m34sky7zsf204081917) для удаления подвижной воды из почвенного образца. При удалении воды вакуумом она проходит через стеклянный фильтр, и взаимодействует с воздухом с образованием на нижней границе стеклянного фильтра пузырьков. Эти пузырьки возникают из-за образования пленки воды на нижней поверхности стеклянного фильтра и вхождения под эту пленку воздуха через пустые капилляры. Прекращение образования пузырьков свидетельствует о прекращении перехода воды из почвы на фильтр и исчезновении пленки воды на нижней поверхности стеклянного фильтра. Опытным путем установлено, что прекращение образования пузырьков хорошо фиксируется визуально. Таким образом, фиксация окончания образования пузырьков позволяет утверждать о завершении процесса удаления подвижной воды. На этом этапе останавливают процесс удаления воды из почвенного образца и при помощи весового измерителя влажности (например, сушильный шкаф https://snol-term.ru/products/laboratornyie-sushilnyie-shkafyi-snol/s-prinuditelnoj-konvekcziej-vozduxa/snol-58-350/?ysclid=m35itbvnd8128759806 или влагомер https://ru.ohaus.com/ru-ru/mb25-16) при 105°C (ГОСТ 28268-89) определяют влажность почвенного образца, соответствующую ВРК в почвенном образце.

Предлагаемый способ позволяет заметно упростить и ускорить процесс определения ВРК в почвенных образцах, что является мерой его производительности.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1 (прототип)

В качестве почвенного образца, в отношении которого определяли ВРК, использовали дерново-подзолистую почву (Московская область) с влажностью 19,8%. Влажность была сохранена после отбора почвенного образца. Для удаления растительных остатков почву перед определением ВРК просеивали через сито 5 мм.

В воронку Шотта объемом 150 мл (диаметр 65 мм) насыпали 40 г отобранного почвенного образца и виброуплотняли на вибрационном столе в течение 10-15 с при амплитуде 2-3 мм и частоте 50 Гц. Достаточность уплотнения фиксировали по прекращению усадки образца. Далее воронку переносили в колбу Бюхнера, которая была соединена с водоструйным насосом.

Заливали почву в воронке Шотта дистиллированной водой, поднимая уровень воды примерно на 1 см выше уровня почвы (при реализации примера 1 использовали 25 г воды), что обеспечивает избыточное содержание воды в почве для исключения наличия пор, заполненных воздухом (иными словами, обеспечивает создание капиллярной связи между всеми почвенными частицами и стеклянным фильтром). Включали водоструйный насос, подключенный к колбе Бюхнера, создавая разряжение 0,6-0,8 атм. В результате создаваемого разряжения из образца почвы в воронке Шотта вода стекала в колбу Бюхнера. Почвенный образец выдерживали под водоструйным насосом в течение 2 ч, при этом строили график высушивания образца. После этого отключали водоструйный насос и определяли остаточную влажность почвенных образцов при 105°C при помощи влагомера Ohaus МВ 25. В результате линейной аппроксимации по точкам построили две линии (фиг. 1, красные линии), коррелирующие с прямолинейными зависимостями. Точка их пересечения соответствует ВРК почвенного образца (прототип).

Из полученных результатов хорошо видно (фиг. 1, красная точка), что пересечению линий соответствует остаточная влажность 18,5 %, после чего скорость удаления воды из образца снижается, что свидетельствует о достижении ВРК в данной точке перегиба [1]. Однако, определение ВРК по излому на кривой скорости изменения влажности почвенного образца в зависимости от времени сушки под вакуумом в воронке Шотта (прототип) из-за значительного разброса данных требует многократной повторности. То есть, относительно достоверные значения возможно получить на основе определения, как минимум, на основе 10-15 таких экспериментальных точек пересечения (фиг. 1), для получения которых требуется потратить несколько рабочих дней. Кроме того, даже для получения значения ВРК в отношении одного образца, необходимо выдержать почвенный образец не менее 2 часов, чтобы определить точку перегиба графика.

Пример 2 (заявляемый способ)

При определении ВРК в соответствии с заявляемым способом подготовку почвенного образца ведут аналогичным примеру 1 методом.

В качестве почвенного образца, в отношении которого определяли ВРК, использовали дерново-подзолистую почву (Московская область) с влажностью 19,8%. Влажность была сохранена после отбора почвенного образца. Для удаления растительных остатков почву перед определением ВРК просеивали через сито 5 мм.

В воронку Шотта объемом 150 мл (диаметр 65 мм) для повышения точности опыта насыпали 100 г отобранного почвенного образца и виброуплотняли на вибрационном столе в течение 10-15 с при амплитуде 2-3 мм и частоте 50 Гц. Достаточность уплотнения фиксировали по прекращению усадки образца.

Заливали почву в воронке дистиллированной водой, поднимая уровень воды примерно на 1 см выше уровня почвы), что обеспечивает избыточное содержание воды в почве для исключения наличия пор, заполненных воздухом (иными словами, обеспечивает создание капиллярной связи между всеми почвенными частицами и стеклянным фильтром). Превышение данного уровня ведет к неоправданному увеличению времени эксперимента. Это количество воды в данном эксперименте соответствовало 50 мл.

После помещения почвенного образца в воронку Шотта, включали водоструйный насос, подключенный к колбе Бюхнера, создавая разряжение 0,6-0,8 атм., и выдерживали почву под вакуумом 30-40 мин до окончания образования пузырьков на внешней (по отношению к поверхности, на которой размещен почвенный образец) поверхности стеклянного фильтра, на котором располагался образец почвы. Вакуум отключали и определяли влажность почв сразу после окончания образования пузырей на внешней поверхности стеклянного фильтра в воронке Шотта при помощи влагомера Ohaus МВ 25 при 105°C.

Разброс результатов при определении влажность разрыва капилляров с фиксацией по прекращению образования водяных пузырьков на нижней части стеклянного фильтра меньше 2,5% при 95% уровне значимости: 19,2±0,5 (табл. 1). С учётом погрешности при графическом определении влажности в примере 1 (прототип), которая составляет не менее 0,5% (фиг. 1, красная точка), различия в значениях влажности 18,5 и 19,2 следует считать несущественными. Т.е. заявляемый способ дает возможность определять ВРК максимально быстро.

Таблица 1. Влажность разрыва капилляров, определенная в соответствии с заявляемым способом.

№ опыта Высота слоя почвы в воронке Шотта, см Влажность разрыва капилляров, определенная в момент прекращения образования пузырьков, % 1 5 19,5 2 5 19,1 3 5 19,25 4 5 18,8

Таким образом, определение влажности разрыва капилляров в соответствии с прототипом требует больше 10 точек для построения графика и построения по этому графику кривой (см. описание примера 1). Даже в однократной повторности этот процесс занимает 2-3 дня (прототип), а измерение по окончанию эффекта пузырения - не более 30-40 минут и позволяет не строить график, а сразу получить значение ВРК.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает возможность в несколько раз повысить производительность труда при определении влажности разрыва капилляров в изучаемом почвенном образце, используя стандартное для любой химической лаборатории оборудование.

Список литературы

1. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005, с. 98-99.

2. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Изд-во МГУ, 1984, с.164.

3. Честнова В.В. Реологические свойства черноземов типичных Курской области: взаимосвязь с физическими свойствами и основной гидрофизической характеристикой. Дисс. канд. биол. наук. М.: МГУ. 2017, с. 58.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и почвоведению. Раскрыт способ определения влажности разрыва капилляров (ВРК) почвенного образца, в котором почвенный образец помещают в воронку Шотта на внутреннюю поверхность стеклянного фильтра, насыщение почвенного образца водой ведут до создания капиллярной связи между всеми почвенными частицами и стеклянным фильтром воронки Шотта, при этом высушивание почвенного образца ведут воздействием на почвенный образец вакуума, который вытягивает подвижную воду из почвенного образца, которая взаимодействует с воздухом и образует на внешней поверхности стеклянного фильтра пузырьки, фиксируют момент окончания образования пузырьков, после чего прекращают воздействие вакуума и определяют влажность высушенного таким образом почвенного образца, соответствующую ВРК. Изобретение обеспечивает возможность быстрого извлечения подвижной воды из почвенного образца. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 2 пр.

1. Способ определения влажности разрыва капилляров (ВРК) почвенного образца, включающий насыщение почвенного образца водой, высушивание почвенного образца, фиксацию момента снижения скорости удаления воды из образца с определением в этот момент влажности высушенного образца, соответствующей ВРК, отличающийся тем, что почвенный образец помещают в воронку Шотта на внутреннюю поверхность стеклянного фильтра, а насыщение почвенного образца водой ведут до создания капиллярной связи между всеми почвенными частицами и стеклянным фильтром воронки Шотта, при этом высушивание почвенного образца ведут воздействием на почвенный образец вакуума, который вытягивает подвижную воду из почвенного образца, которая взаимодействует с воздухом и образует на внешней поверхности стеклянного фильтра пузырьки, фиксируют момент окончания образования пузырьков, после чего прекращают воздействие вакуума и определяют влажность высушенного таким образом почвенного образца, соответствующую ВРК.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно почвенный образец подготавливают виброуплотнением на вибрационном столе в течение 10-15 с при амплитуде 2-3 мм и частоте 50 Гц.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие вакуума при высушивании почвенного образца обеспечивают подключением к воронке Шотта водоструйного насоса.