本發(fā)明涉及土壤以及包氣帶水文學技術領域，特別涉及一種包氣帶氣體壓力計。

背景技術：

水在非飽和帶中的入滲實質上是水、氣兩種互不相溶的流體水和空氣在土壤中互相替代的過程，氣相流動在傳統(tǒng)的非飽和帶水的流動研究中通常被忽略，即認為氣體的驅替過程是自由的，在此過程中氣相壓力與大氣壓平衡，這主要是根據(jù)richards近似方法，有如下假定：①氣相壓力為一常數(shù)值；②可近似忽略氣相的黏度，從而忽略氣相對水相運動的影響，可簡單概化為單相水流運動。

多年來，許多學者通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，在降雨強度較大的條件下，由于土壤中快速推進的水流作用，空氣由于來不及排出而對入滲水流產生阻滯作用，從而降低入滲速率。試驗研究為定性分析和定量化研究非飽和帶中水、氣二相流的運移機理提供了一個必要的手段，從而為數(shù)值模擬奠定了基礎。在試驗研究過程中，包氣帶中氣體壓力的測定成為研究過程中的關鍵。測定包氣帶中氣體壓力的傳統(tǒng)方法是采用雙u型管測定，該方法存在以下缺點：①氣體壓力較小時無法測定；②測量的時間間隔人為控制，很難達到秒級，不能快速地捕捉氣體壓力峰值；③雙u型管的壓力變化主要靠人工讀數(shù)，人為誤差大；④氣體壓力傳遞路徑長，造成氣體壓力衰減大，不能準確地測定氣體壓力。因此，針對上述問題，發(fā)明了一種自動測定包氣帶氣體的壓力計。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自動測量包氣帶壓力、采樣間隔任意設定、氣體壓力傳遞路徑較短且測量精度高的包氣帶氣體壓力計。

本發(fā)明所采取的技術方案是：包氣帶氣體壓力計，包括微壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機，還包括感應氣體壓力的氣體壓力探頭和用于連接氣體壓力探頭和微壓傳感器的連接桿，所述微壓傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連并將微壓傳感器探測到的連接管內的壓力信息傳輸給數(shù)據(jù)采集器，所述計算機與數(shù)據(jù)采集器相連并對數(shù)據(jù)采集器采集到的信息控制、顯示和分析處理。

所述的包氣帶氣體壓力計還包括兩端分別連接微壓傳感器和數(shù)據(jù)采集器以將微壓傳感器的壓力信息轉換并傳輸給數(shù)據(jù)采集器的逆變電路板。

所述微壓傳感器的外部設置有微壓傳感器外殼，所述連接桿與微壓傳感器外殼相連，所述逆變電路板的外部設置有逆變電路板外殼，所述微壓傳感器與逆變電路板外殼連接的一端設置有微壓傳感器密封膠環(huán)，所述逆變電路板外殼的另外一端設置有pg09密封膠環(huán)；所述逆變電路板外殼內設置有空心電纜固定架以及設置在空心電纜固定架上的用于連接逆變電路板和數(shù)據(jù)采集器的空心電纜。

所述氣體壓力探頭包括安裝在一起的內花管和外花管，所述內花管和外花管之間設置有橡膠密封環(huán)，所述內花管與連接桿連接。

所述外花管為一端為圓錐形的空心結構體，所述空心結構體上開設有氣孔；所述內花管為一端與外花管配合的圓柱狀管體，所述圓柱狀管體上設置有通氣孔，所述內花管的另外一端為與連接桿配合連接的連接部。

所述連接桿為空心結構，所述連接桿的一端與內花管配合連接，所述連接桿的另外一端與傳感器外殼螺紋連接。

本發(fā)明的有益效果是：

1、該包氣帶氣體壓力計采用微壓傳感器作為氣體壓力測量傳感器，測量精度可以達到0.4mm，降低了人工讀數(shù)的誤差，提高了測量精度，同時將傳感器信號傳輸至數(shù)據(jù)采集器，經過簡單運算可以在顯示器上直接讀出瞬時氣體壓力值。

2、該裝置通過與數(shù)據(jù)采集器相連接的上位機軟件可以實現(xiàn)連續(xù)測量包氣帶中的氣體壓力，采樣間隔（1~999s）可根據(jù)試驗要求及目的確定，實現(xiàn)捕捉氣體的壓縮和逃逸過程。

3、該壓力計的氣體壓力探頭采用雙花管結構，消除水分入滲過程中水分對氣體壓力的影響，保證測量過程的科學性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明包氣帶氣體壓力計的結構示意圖；

圖2為外花管結構示意圖；

圖3為內花管的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明的本包氣帶氣體壓力計在降雨入滲研究中的應用示意圖；

圖5為本發(fā)明的包氣帶氣體壓力計在曝氣過程的應用示意圖。

圖中：1、外花管；2、橡膠密封環(huán)；3、內花管；4、連接桿；5、傳感器外殼；6、微壓傳感器；7、微壓傳感器密封膠環(huán)；8、逆變電路板；9、空心電纜空心管；10、空心電纜固定架；11、pg09密封接頭；12、空心電纜；13、數(shù)據(jù)采集器；14、計算機；15、逆變電路板外殼；16、氣孔；17、通氣孔；18、連接部；4-1針式降雨器；4-2降雨收集器；4-3上濾料層；4-4溢流口；4-5試驗土柱；4-6試驗介質；4-7含水量傳感器；4-8降水雨供水管；4-9降雨供水箱；4-10降雨增壓泵；4-11供排水閥門；4-12降雨補給量收集器；4-13下粗濾料層；4-14下細濾料層；4-15水位控制器；4-16數(shù)據(jù)采集器；4-17計算機；4-18包氣帶氣體壓力計；4-19降雨收集器排水口；5-1溢流口；5-2上濾料層；5-3試驗土柱；5-4試驗介質；5-5下細濾料層；5-6下粗濾料層；5-7供水閥門；5-8供水管；5-9水位控制器；5-10排氣排水閥門；5-11氣體壓力控制閥；5-12氣體壓力溢流閥；5-13試驗氣體壓力灌；5-14數(shù)據(jù)采集器；5-15包氣帶氣體壓力計；5-16計算機。

具體實施方式

本包氣帶氣體壓力計的實施例一，如圖1~3所示，包氣帶氣體壓力計，包括微壓傳感器6、數(shù)據(jù)采集器13和計算機14，還包括感應氣體壓力的氣體壓力探頭和用于連接氣體壓力探頭和微壓傳感器6的連接桿4，所述微壓傳感器6與數(shù)據(jù)采集器13相連并將微壓傳感器探測到的壓力信息傳輸給數(shù)據(jù)采集器13，所述計算機14與數(shù)據(jù)采集器13相連并對數(shù)據(jù)采集器采集到的信息控制、顯示和分析處理。

所述的包氣帶氣體壓力計還包括兩端分別連接微壓傳感器6和數(shù)據(jù)采集器13以將微壓傳感器6的壓力信息轉變并傳輸給數(shù)據(jù)采集器13的逆變電路板8。

所述微壓傳感器的外部設置有微壓傳感器外殼5，所述連接桿4與微壓傳感器外殼5相連，所述逆變電路板8的外部設置有逆變電路板外殼，所述微壓傳感器6與逆變電路板外殼連接的一端設置有微壓傳感器密封膠環(huán)7，所述逆變電路板外殼的另外一端設置有pg09密封膠環(huán)11；所述逆變電路板外殼內設置有空心電纜固定架10以及設置在空心電纜固定架10上的用于連接逆變電路板8和數(shù)據(jù)采集器13的空心電纜12，空心電纜12內含有空心電纜空心管9。

所述氣體壓力探頭包括安裝在一起的內花管3和外花管1，所述內花管3和外花管1之間設置有橡膠密封環(huán)2，所述內花管3與連接桿4連接。

所述外花管1為一端為圓錐形的空心結構體，所述空心結構體上開設有氣孔16；所述內花管3為一端與外花管配合的圓柱狀管體，所述圓柱狀管體上設置有通氣孔17，所述內花管的另外一端為與連接桿4配合連接的連接部18。

所述連接桿4為空心結構，所述連接桿的一端與內花管配合連接，所述連接桿的另外一端與傳感器外殼螺紋連接。

本實施例中，連接外花管1和內花管3組成包氣帶氣體壓力探頭，氣體壓力探頭主要實現(xiàn)氣體壓力向微壓傳感器的傳遞過程，該探頭為了消除水分入滲過程中水分對氣體壓力的影響，將探頭設計為雙花管形式；連接桿主要是連接氣體壓力探頭和微壓傳感器，連接桿的長度由試驗的土柱和砂槽模型確定；微壓傳感器6和逆變電路板8組成包氣帶氣體壓力的測量部分，微壓傳感器主要用于測量包氣帶中的氣體壓力，該包氣帶氣體壓力計選擇的微壓傳感器滿足量程為±2kpa、測量精度為0.001kpa，可以測量氣體入滲過程中氣體壓縮和逃逸過程中的氣體壓力變化；通過空心電纜12連接數(shù)據(jù)采集器13，組成包氣帶氣體壓力測量裝置的數(shù)據(jù)存儲部分；通過232或485接口將數(shù)據(jù)采集器13與計算機14連接，組成包氣帶氣體壓力測量的控制、顯示和數(shù)據(jù)分析部分，數(shù)據(jù)采集器的輸出信號為4～20ma，便于選擇通用的數(shù)據(jù)采集器，這樣，數(shù)據(jù)采集器與計算機上安裝的上位機軟件連接，可以實現(xiàn)氣體壓力測量結果的實時顯示、數(shù)據(jù)存儲、采樣間隔測定以及數(shù)據(jù)標定4項功能。

在組裝包氣帶氣體壓力計時需要注意：①外花管1、內花管3和連接桿4之間連接時加橡膠密封環(huán)2，確保密封；②微壓傳感器6兩側需要用密封膠環(huán)7密封；③空心電纜12中的空心管9不能折彎，避免微壓傳感器6與外界大氣壓之間不平衡。

包氣帶氣體壓力計主要用于包氣帶中氣體壓力的測定，主要用于以下兩個方面：

如圖4所示，包氣帶氣體壓力計在降雨入滲研究中的應用，包氣帶氣體壓力計在研究氣體對水分入滲的影響過程中是不可缺少的一種儀器，具體實施過程如下：

將加工好的試驗土柱4-5安裝垂直，通過軟管連接水位控制器4-15，利用供排水閥門4-11控制流量；在排水口位置鋪上濾網防止介質阻塞排水口，在其上鋪設5～10cm的下粗濾料層4-13（可選用含礫粗砂），在下粗濾料層4-13上鋪設5～10cm下細濾料層4-14，在下細濾料層4-14上面鋪設一層與試驗介質顆粒接近的濾網。

在試驗土柱4-5內壁上涂上凡士林防止邊界效應，將制備好的試驗介質4-6填裝進試驗土柱4-5內，調節(jié)水位控制器4-15的高度，通過沖水和排水對試驗介質4-6進行密實；當沖排水2次后，打開試驗土柱4-5側壁預留的安裝孔，在不同位置安裝含水量傳感器4-7和包氣帶氣體壓力計4-18，并連接數(shù)據(jù)采集器4-16，通過數(shù)據(jù)通訊線連接計算機4-17，4-19為降雨收集器排水口。

在試驗土柱4-5上方50～100cm范圍內安裝針式降雨器4-1，在試驗土柱4-5頂端安裝降雨收集器4-2，利用降雨增壓泵4-10調節(jié)降雨供水箱4-9中的供水壓力，以控制針式降雨器4-1的降雨強度，實現(xiàn)不同的降雨特征。

根據(jù)使用者所確定的研究目的與試驗方案，利用針式降雨器4-1確定降雨強度，利用水位控制器4-15設定試驗方案所設定的水位埋深。打開計算機4-17和數(shù)據(jù)采集器4-16的電源，設置采樣間隔與頻次。啟動針式降雨器4-1，開始試驗，通過水位控制器4-15將降雨入滲補給的水收集在降雨補給量收集器4-12中，分析不同水位埋深條件下降雨入滲補給的特征。

如圖5所示，包氣帶氣體壓力計在曝氣過程的應用，包氣帶氣體壓力計在研究曝氣過程中氣體壓力的變化規(guī)律方面是不可缺少的一種儀器，具體實施過程如下：

將加工好的試驗土柱5-3安裝垂直，通過供水軟管5-8連接水位控制器5-9，利用供水閥門5-7控制供水流量，實現(xiàn)試驗介質5-4的密實；在排水口位置鋪上濾網防止介質阻塞排水口，在其上鋪設5～10cm的下濾料層5-6（可選用含礫粗砂），在下粗濾料層5-6上面鋪設5～10cm的下細濾料層5-5，在下細濾料層5-5上面鋪設一層與試驗介質顆粒接近的濾網。

在試驗土柱5-3內壁上涂上凡士林防止邊界效應，將制備好的試驗介質5-4填裝進試驗土柱5-3內，調節(jié)水位控制器5-9的高度，通過沖水和排水對試驗介質5-4進行密實；當沖排水2次后，打開試驗土柱5-3側壁預留的安裝孔，在不同位置安裝包氣帶氣體壓力計5-15，并連接數(shù)據(jù)采集器5-14，通過數(shù)據(jù)通訊線連接計算機5-16。

在試驗土柱5-3下方利用膠管通過氣體壓力控制閥5-11和氣體壓力溢流閥5-12連接試驗氣體壓力罐5-13，實現(xiàn)不同曝氣過程的氣體壓力監(jiān)測。

根據(jù)使用者所確定的研究目的與試驗方案，通過氣體壓力控制閥5-11和氣體壓力溢流閥5-12，調節(jié)曝氣過程中的氣體壓力，將排氣和排水閥門5-10使試驗介質中的水排干；打開計算機5-16和數(shù)據(jù)采集器5-14的電源，設置采樣間隔與頻次。打開氣體壓力控制閥5-11，開始試驗，試驗氣體壓力罐5-13中的氣體按設定的壓力進入試驗土柱5-3，利用包氣帶氣體壓力計5-15監(jiān)測包氣過程中氣體壓力的變化。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明的范圍內。本發(fā)明要求的保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。