技术领域

本发明属于土壤水分测定仪器设备领域，尤其属于土壤水分测定的一种可调 内置U型管空气水银张力计装置。

                          背景技术

水银张力计是目前土壤灌溉水分研究和测定中常用的仪器设备，只要测出土 壤负压值，就能通过“土壤水分特征曲线”换算出土壤的含水量，有制作简单、 装配方便、测量准确等优点。但常规的水银张力计是一种外置式U型管水银张力 计，即U型水银柱管与张力计主管之间是分开的，两者间仅由一根连通软管相连 接；同时其U型玻璃管较长，大于76厘米，故在携带途中和田间埋设时均不方 便；此外，U型细玻璃管暴露在外，容易碰撞致碎，水银泄漏，很不安全。现虽 已有预封内置不可调U型管空气水银张力计[徐富安.水银触点式土壤水分传感器 的研制和应用.土壤，1987，19(2)：91-96]，但其U型玻璃管一侧上部空气柱顶 端是预封而不可调的，由于测量土壤负压值的精确度与气柱的长度成正比，所以 在空气柱是预封而不可调的情况下，为了达到缩短U型玻璃管的目的，只能以降 低测量精度，特别是较大地降低低吸力端测量精度为代价，由表1可知，在封气 19厘米状态下的0-190mm汞柱吸力测量精度只有原来的34-43％。

                        发明内容

本发明目的是克服上述两种已有设备存在的不足，提出一种将U型水银管装 配到张力计主管内，并通过与可调空气柱相结合使U型玻璃管缩短至最合理长 度，以使携带、埋设方便、并不易破碎、使用安全、成本低廉、且在＜190mm汞 柱土壤负压下不影响测量精度的一种可调内置U型管空气水银张力计装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种可调内置U型管空气水银张力计，包括透明管、U型管、水银柱、刻度 板、导压囊、密封盖(包括橡皮塞)、止气阀、陶土管；其中密封盖固定在透明 管上端口，内含水银柱的两侧高度相等的U形管的两端管口从密封盖所设两孔由 下而上穿出，在其一侧管口设止气阀，在其密封盖的下方设有导压囊，U形管背 后固定有刻度板，透明管的下端口与陶土管相连接，并在透明管与陶土管内注满 无气水；所述U型管内两侧零位至水银柱底部的高度均为19厘米，U形管中两 侧所能形成的最大压力差为38厘米汞柱，在两侧零位上方管内均设置等高的水 柱，在U型管止气阀的另一侧端口等高处设置气柱阀，该气柱阀至下方水柱顶端 间为气柱，其高度为19厘米。

所述刻度板为从零位开始分别向上和向下有高度标注的面板，最高刻度为19 厘米，最低刻度为-19厘米，最小刻度为1毫米。当在测量＜190mm汞柱土壤负 压时，气柱阀打开，所读出的水银柱高差就是土壤负压，在测量＞190mm汞柱土 壤负压时，气柱阀关闭，测量时所读出的水银柱高差可以通过查对表1换算成土 壤负压值(因为此时水银柱液面读数所表示的负压值，应包含水银柱的高差与所 封气柱被拉长后所降低的负压值，故必须通过计算或查表1获得土壤的水势负压 值)。

表1“可调内置U型管空气水银张力计土壤负压测量值及精确度比值查对 表”，即为水银柱液面在刻度板上的位置所对应的气柱阀打开和关闭状态下测得 的土壤负压值及二者测量读数精确度比值。表中第一项(第一、二栏)为水银柱 液面停留在刻度板上的不同位置，测量时气柱阀一侧水银从零位向下移动，读取 的值为负值，止气阀一侧从零位向上移动，读取的值为正值，两者合计产生液面 高差，列于第三栏。在气柱阀打开的状态下，第三栏的值即为土壤负压值，在气 柱阀关闭状态下，由第四栏查出对应的土壤负压值(严格地说是温度和气压均在 标准状态下测量值，详见实施例2)。第五栏值由第三栏除以第四栏而得，表示气 柱阀关闭状态下读数精确度与气柱阀打开的状态下读数精确度比值。

所述水柱高度为导压囊底部至止气阀底部的距离；

所述水柱高度设为6厘米时，U形玻璃管中气柱的长度为19厘米，两侧水 银柱的高度亦各为19厘米，水银柱、水柱、空气柱三者合计高度为44厘米， 加上止气阀或气柱阀和管头(指U形玻璃管两端安装止气阀或气柱阀后必须多 余的)部分的高度设为2厘米，则U形管的总高度为46厘米。

所述的导压囊是一个不透水、气，具有伸缩性的膜囊，土壤无压差时呈干 瘪状态，有压差时能扩张而传递负压；

所述的导压囊其最大容量为容纳该侧U型管中排出的全部空气和水柱之 水。

通过以上技术方案形成的可调内置U型管空气水银张力计，在测量＜190mm 汞柱的土壤负压时(例如适宜大部分蔬菜等生长的土壤水分所对应的土壤负压值 均属此范围内)，可以打开气柱阀进行测量，此时的可调内置U型管空气水银张 力计与常规水银张力计完全一样，测量精度也不降低。在测量值可能＞190mm汞 柱的土壤负压时(在土壤较干旱的情况下)，需关闭气柱阀测量，此时水银柱所 能形成的最大压力差也只有380mm汞柱，与常规水银张力计相比，此时可调内 置U型管空气水银张力计的测量读数精度降低为原来的43％-50％(表1)。但根 据李玉琪研究(李玉琪.负压计测定土壤水分的应用分析.中国农村水利水 电，1999(3)：18-19)，张力计所测的土壤含水量与土壤负压呈以下指数关系：

Q＝A+Bln(10s+1)…………………(1)

Q为土壤重量含水率(％)，A为象征饱和含水率的值，B为参数，s为土壤 水张力(Kpa)。由公式(1)可知，在负压较大的情况下，负压变化引起土壤含水量 的变化较小，因此，在负压较大的情况下关闭气柱阀测量对土壤含水量的测量结 果影响也较小。

本发明的有益效果，一是本发明通过水银柱与空气柱相结合，使张力计的U 型玻璃管长度由常规的至少76厘米缩短至实施例1的46厘米，因此大大缩短了 可调内置U型管空气水银张力计的总长度，为张力计的携带与田间埋设使用提供 了较大的方便。因为在标准状态下测量土壤负压时，陶土头所能感应的最大负压 值为1个大气压，常规水银负压计水银的最大注入量为能形成76厘米的高差(相 当于1个大气压。其单边水银柱长度为38厘米，自零位起算，水银面上升的最 大高度也为38厘米，水银高差为上升高度的两倍，下同)，因此，要求U型管 长度必须在76厘米以上。本发明通过计算并验证明确，若把常规水银张力计U 型管敝开端的气柱封住(分别具有38厘米水银柱和气柱高度)，在标准状态下测 量土壤负压时，水银柱可上升最大高度仅为23.49厘米，同时随着U型管内所封 气柱的缩短，水银面能上升的最大高度也随之缩短，但从图2可知，在气柱高度 下降到19厘米时恰与水银柱上升最大高度的19厘米相重合(见图2)，此后若继 续以减小气柱的长度来缩短U型管(两边等高)，则水银上升最大高度的减小程 度已小于气柱减小的程度，即水银在上升到最大高度时，将溢出U型玻璃管。因 此认为，19厘米气柱是在零位封气(敝开U型玻璃管管口、使两边水银柱液面高 度相等，均处于零刻度位置，然后关闭气柱阀进行的封气，称为零位封气)情况 下实现管长最短化的最适长度。这时当土壤负压降低到1个大气压时，水银柱上 升的零位距离也是19厘米，导压囊底部至止气阀底部的水柱高度为6厘米，张 力计的U型玻璃管高为44厘米，再加上气阀和管头部分高度2厘米，U形管的 总高度为46厘米，这一高度比普通的U型玻璃管76厘米减少30厘米，从而大 大方便了携带与田间操作；本发明的另一优点是由于将U型水银管装配在张力计 主管内，这使U型水银管不易破碎、使用较为安全；本发明的再一优点是其长 度虽缩短，但对＜190mm汞柱负压的土壤水分测定时采用敝口测量，故仍保持了 常规水银张力计的同样精度(见表1)，而＜190mm汞柱的负压的土壤水分是大部 分作物生长的正常水分条件；当需对土壤负压＞190mm汞柱负压的土壤水分测定 时采用封口测量，测量精度降低较小。

                      附图说明

图1本发明可调内置U型管空气水银张力计结构示意图。

图2气柱长度与水银柱上升最大高度关系示意图。

                    具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本发明作进一步的具体说明。

实施例1：

参见图1所示，本发明为一种可调内置U型管空气水银张力计，包括透明管 1由普通玻璃管或有机玻璃管制成，用普通玻璃管做管体的可接一加工有螺纹的 透明塑料管做管头；以有机玻璃管制成管体的可直接加工螺纹管做成管头，采用 3/4英寸管径管体，管体长度由埋深和可调内置U型管长度决定；U型玻璃管2 由毛细玻璃管弯曲而成，其两侧高度为46厘米；U型玻璃管2内零位以下注入 水银形成高度为19厘米的水银柱3；水银柱3两侧零位以上各设置长度为6厘米 的水柱11；刻度板4最高刻度为19厘米，最低刻度为-19厘米，最小刻度为1毫 米；无气水5为冷开水或蒸馏水；导压囊6是一个不透水、气且能扩张而传递负 压作用的膜囊，囊体要求既有伸缩性，又不易破裂的材料制成(如橡胶薄膜)， 在U型管两端无压差的情况下它保持干瘪状态，它的最大容量为容纳该侧U型管 中排出的全部空气和水柱之水；密封盖7由螺纹盖与橡胶塞组成；止气阀8；气 柱阀9；气柱10指由气柱阀9与水柱11上端面间形成的长度为19厘米的气腔； 陶土管12是土壤水势感应部件，具有透水不透气的功能，在土壤逐渐变干的过 程中，陶土头12及透明管1内灌满的水分被逐步吸出而产生负压，拉动水银柱3 和气柱10运动，实现测量功能，本实施例为与透明管径相配套采用直径为20mm 的陶土头；本发明张力计的U型玻璃管2两侧水银柱上下活动的净高度为38厘 米，其中包括气柱10的高度19厘米，加上导压囊6底部至止气阀8底部距离即 水柱11高度6厘米，再加上气阀和管头部分高度2厘米，共计仅为46厘米。

实施例2：

可调内置U型管空气水银张力计的使用方法是：

1、不同土壤吸力区段采用不同方法测量以保证精度：根据土壤水势的变化 规律，在土壤含水量变化相同数值时，较高土壤含水量状态下产生的负压变化比 在土壤含水量较低状态下产生的负压变化要小，因此，在低吸力区段，即土壤负 压值＜190mm汞柱时采取敝开本发明张力计气柱阀测量其土壤负压值，并从刻度 板上读取水银柱差值，使之与普通张力计有同样的测量精度；到测量高吸力区段 土壤负压值时，即土壤负压值可能＞190mm汞柱时，打开止气阀，水银柱回零， 用洗耳球吸瘪导压囊，关闭止气阀和气柱阀进行测量，读取水银柱差值后，由表 1查得土壤负压值，必要时进行实测校准。根据上述所得土壤负压值，结合“土 壤水分曲线表”即可取得土壤含水量数值。

2、调零：止气阀通常是关闭的，在稍有漏气、或水银柱不能回零、或测量过 程中要从开口测量转到封气测量的情况下，开启止气阀调零，调零后即可关闭。

3、埋深：埋深位置线以下管长为埋入土壤的深度，可根据需要制作不同埋 深的张力计。本发明可调内置U型管空气水银张力计是一体化的，埋深线以下的 管长需要在张力计制作时根据所要测量的最大深度确定，因此，测量时的埋深位 置最好不要在如图1所示的埋压线之上，否则给张力计读数造成不便。

4、关闭气柱阀测量时测定值的计算与校正：张力计是以水银柱的位移显示土 壤水势负压的，对于普通张力计来说，水银柱的位移与土壤水势负压值成直线关 系，可以直接用水银柱的位移高差表示土壤水势负压值，但对于空气水银张力计 (即关闭气柱阀进行测量时)，水银柱的位移与土壤水势负压值成非直线关系， 对于在标准条件下(1大气压、20℃)进行零位封气张力计，土壤水势值的计算 公式为：

$P=P_0-\left[\frac{h_0}{h_1}{P}_0\frac{(h_1-h_0)\times 2}{76}\right]$

式(1)中：

P——土壤水势值(负大气压数)；

P0——标准大气压值；

h0——封装时空气柱长度(厘米数)；

h1——某一时刻空气柱高度(厘米数)；

在标准状态下关闭气柱阀进行测量而产生的不同水银柱位移所对应的土壤负 压值已通过计算列于表1中，可以方便查得。

对于在非标准条件下所测得的数据，需要进行温度和气压变化的实测校正。 但根据徐福安研究(徐富安.水银触点式土壤水分传感器的研制和应用.土壤， 1987，19(2)：91-96)，在环境温度与标准温度相差不超过±10℃时，其测量误差 就小于±1.7％，因此，在常温下进行测量，测量误差一般不会超过5％；通常，海拔 高度在500米以下，气压变化值也在5％以下，可以取表1所列的近似值。在环境 条件变化较大、对测量精度要求较高的情况下，可通过实测比较来校正。

表1：水银柱液面位置所对应的气柱阀打开和关闭状态下测得的土壤负压值及二者测量精确度比值   水银柱液面在刻度板上的位置   气柱阀一侧   (mm)   0   -1   -2   -3   -4   -5   -6   -7   -8   -9   -10   止气阀一侧   (mm)   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   水银柱高差(也即气柱阀打开所测得的土壤负压值)   (mm汞柱)   0   2   4   6   8   10   12   14   16   18   20   对应气柱阀关闭所测量的土壤负压值(标准温度和气压状态下)   (mm汞柱)   0   6   12   18   24   29   35   41   47   52   58   气柱阀关闭测量读数精确度与打开测量读数的精确度比值   /   0.33   0.34   0.34   0.34   0.34   0.34   0.34   0.34   0.34   0.34   -11   -12   -13   -14   -15   -16   -17   -18   -19   -20   -21   -22   -23   -24   -25   -26   -27   -28   -29   -30   -31   -32   -33   -34   -35   -36   -37   -38   -39   -40   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   22   24   26   28   30   32   34   36   38   40   42   44   46   48   50   52   54   56   58   60   62   64   66   68   70   72   74   76   78   80   64   69   75   80   86   91   96   102   107   112   118   123   128   133   138   143   149   154   159   164   169   174   178   183   188   193   198   203   207   212   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35   0.36   0.36   0.36   0.36   0.36   0.36   0.36   0.36   0.36   0.37   0.37   0.37   0.37   0.37   0.37   0.37   0.37   0.37   0.38   0.38   0.38   -41   -42   -43   -44   -45   -46   -47   -48   -49   -50   -51   -52   -53   -54   -55   -56   -57   -58   -59   -60   -61   -62   -63   -64   -65   -66   -67   -68   -69   -70   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   82   84   86   88   90   92   94   96   98   100   102   104   106   108   110   112   114   116   118   120   122   124   126   128   130   132   134   136   138   140   217   222   226   231   236   240   245   249   254   258   263   267   272   276   281   285   289   294   298   302   307   311   315   319   324   328   332   336   340   345   0.38   0.38   0.38   0.38   0.38   0.38   0.38   0.39   0.39   0.39   0.39   0.39   0.39   0.39   0.39   0.39   0.39   0.39   0.40   0.40   0.40   0.40   0.40   0.40   0.40   0.40   0.40   0.40   0.41   0.41   -71   -72   -73   -74   -75   -76   -77   -78   -79   -80   -81   -82   -83   -84   -85   -86   -87   -88   -89   -90   -91   -92   -93   -94   -95   -96   -97   -98   -99   -100   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99   100   142   144   146   148   150   152   154   156   158   160   162   164   166   168   170   172   174   176   178   180   182   184   186   188   190   192   194   196   198   200   349   353   357   361   365   369   373   377   381   385   389   393   397   401   405   409   413   417   420   424   428   432   436   440   443   447   451   455   458   462   0.41   0.41   0.41   0.41   0.41   0.41   0.41   0.41   0.41   0.42   0.42   0.42   0.42   0.42   0.42   0.42   0.42   0.42   0.42   0.42   0.43   0.43   0.43   0.43   0.43   0.43   0.43   0.43   0.43   0.43

  -101   -102   -103   -104   -105   -106   -107   -108   -109   -110   -111   -112   -113   -114   -115   -116   -117   -118   -119   -120   -121   -122   -123   -124   -125   -126   -127   -128   -129   -130   101   102   103   104   105   106   107   108   109   110   111   112   113   114   115   116   117   118   119   120   121   122   123   124   125   126   127   128   129   130   202   204   206   208   210   212   214   216   218   220   222   224   226   228   230   232   234   236   238   240   242   244   246   248   250   252   254   256   258   260   466   469   473   477   481   484   488   491   495   499   502   506   509   513   517   520   524   527   531   534   538   541   545   548   552   555   558   562   565   569   0.43   0.43   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.44   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.45   0.46   0.46   0.46   -131   -132   -133   -134   -135   -136   -137   -138   -139   -140   -141   -142   -143   -144   -145   -146   -147   -148   -149   -150   -151   -152   -153   -154   -155   -156   -157   -158   -159   -160   131   132   133   134   135   136   137   138   139   140   141   142   143   144   145   146   147   148   149   150   151   152   153   154   155   156   157   158   159   160   262   264   266   268   270   272   274   276   278   280   282   284   286   288   290   292   294   296   298   300   302   304   306   308   310   312   314   316   318   320   572   576   579   582   586   589   592   596   599   602   606   609   612   616   619   622   626   629   632   635   639   642   645   648   651   655   658   661   664   667   0.46   0.46   0.46   0.46   0.46   0.46   0.46   0.46   0.46   0.46   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.47   0.48   0.48   0.48   0.48   0.48   0.48   0.48   -161   -162   -163   -164   -165   -166   -167   -168   -169   -170   -171   -172   -173   -174   -175   -176   -177   -178   -179   -180   -181   -182   -183   -184   -185   -186   -187   -188   -189   -190   161   162   163   164   165   166   167   168   169   170   171   172   173   174   175   176   177   178   179   180   181   182   183   184   185   186   187   188   189   190   322   324   326   328   330   332   334   336   338   340   342   344   346   348   350   352   354   356   358   360   362   364   366   368   370   372   374   376   378   380   671   674   677   680   683   686   690   693   696   699   702   705   708   711   714   717   721   724   727   730   733   736   739   742   745   748   751   754   757   760   0.48   0.48   0.48   0.48   0.48   0.48   0.48   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.49   0.50   0.50   0.50   0.50   0.50   0.50   0.50   0.50