申请/专利权人：内蒙古农业大学

申请日：2017-08-16

公开（公告）日：2020-03-31

公开（公告）号：CN107462594B

主分类号：G01N25/00(20060101)

分类号：G01N25/00(20060101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2021.07.30#未缴年费专利权终止;2020.03.31#授权;2018.01.05#实质审查的生效;2017.12.12#公开

摘要：本发明具体公开了一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其步骤包括：在金属土槽的各面设置半导体制冷器TEC；在各面内侧设置土槽壁温度传感器；将各土槽壁温度传感器、半导体制冷器TEC分别与控制器连接；将试验用土装入土槽并在其内埋设土壤中心温度传感器，再向土槽中注水并静置土槽；对土槽降温以冻结其中土壤；通过控制器将土壤内部的温度和其侧边的温度进行实时比对，并自动控制半导体制冷器TEC对土壤侧边进行冷却温度补偿，直至最终土槽中的土壤逐渐全部融化。本发明通过控制器自动控制半导体制冷器TEC对土壤侧边进行冷却温度补偿，更加真实的通过室内模拟实现了更加接近大自然环境下的土壤冻融过程。

主权项：1.一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：1制作导热金属材质的土槽1，在土槽1的前侧面、后侧面、左侧面以及底面分别设置覆盖各个面的半导体制冷器TEC2，且各半导体制冷器TEC2的冷端与对应的各个面相贴；2在所述土槽1的前侧面、后侧面、左侧面以及底面的各面内侧分别设置一用于检测土槽1各面内壁处温度的土槽壁温度传感器；将各土槽壁温度传感器分别与控制器6信号连接，同时将各半导体制冷器TEC2分别通过一控制开关与蓄电池12电连接，同时将各控制开关与控制器6信号连接；再将控制器6与蓄电池12电连接；3将试验用土装入所述土槽1，在装入试验用土的同时，在试验用土内部埋设用于检测其内部温度的土壤中心温度传感器，再向所述土槽1中注水，注水结束将所述土槽1静置；4对所述土槽1降温以冻结其中的土壤9；5通过所述土壤中心温度传感器实时检测所述土壤9中心的温度，所述土壤中心温度传感器将所检测的土壤中心温度值实时传递给所述控制器6；通过所述的各土槽壁温度传感器实时检测土槽1各面内壁处温度，各土槽壁温度传感器将所检测的土槽1各面内壁处温度值实时传递给所述控制器6；6所述控制器6将所接收到的土壤中心温度值与所接收到的土槽1各面内壁处温度值进行实时比对，当某个面内壁处温度值高于所述土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值上限时，所述控制器6控制覆盖该面的半导体制冷器TEC2所对应的控制开关开启，使半导体制冷器TEC2通过该面向与该面相邻的土壤9侧边降温，直至所述控制器6实时接收到的该面内壁处温度值与实时接收到的土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值下限时，所述控制器6控制覆盖该面的半导体制冷器TEC2所对应的控制开关关闭，停止向该面所相邻的土壤9的侧边降温；所述温差值上限是0.20℃～0.50℃，所述温差值下限是-0.20℃～-0.50℃；7通过步骤6的不断循环，始终保持所述土槽1内的土壤9的各侧边温度和其中心温度的实时差值保持在所设定的温差值上下限范围内，直至最终由于所述土壤9的上表面不断吸收来自外部的热量，导致所述土槽1中的土壤9逐渐全部融化；所述土壤9的上表面还置有用于实时检测土壤9表面温度的土壤表层温度传感器10，所述土壤表层温度传感器10与所述控制器6信号连接，控制器6与触摸设置显示屏7信号连接；所述触摸设置显示屏7用于显示土壤表层温度传感器10所实时检测到的土壤9表面温度；所述触摸设置显示屏7还用于实时显示步骤6中所述的土壤中心温度值、各面内壁处温度值以及用于设置所述温差值上限和温差值下限；所述土槽1上设有竖直伸缩支撑杆3，所述竖直伸缩支撑杆3上端固定有与所述土壤9上表面相平行的板面4，所述板面4的下表面均匀的设置有若干个用于模拟太阳光光热辐射的光照供热灯5，所述光照供热灯5通过光照供热开关与所述蓄电池12电连接；所述竖直伸缩支撑杆3上设有用于观测其伸缩长度的长度刻度；所述竖直伸缩支撑杆3上还设有用于锁定其伸缩高度的调节螺栓8。

全文数据：一种土壤冻融过程的室内模拟方法技术领域[0001]本发明涉及土壤冻融室内模拟实验领域，特别涉及一种土壤冻融过程的室内模拟方法。背景技术[0002]高海拔寒旱盐灌区冻融作用引起土壤次生盐渍化，对生态及农业生产、生活和工程设施产生严重影响。研宄模拟土壤冻融过程的方法与设施，对研宄土壤冻融过程及水热盐迀移机理具有重要意义。在干旱寒冷地区，冻融土壤水盐运动的特殊规律与分配特性是影响北方灌区土壤盐渍化发生、发展和演变的重要因素。土壤的冻结和融化对于土壤盐渍化具有重要的作用。越冬期间土壤水分、盐分在垂直剖面上的迁移与土壤冻融的关系十分密切。研宄冻融条件下土壤水热盐迁移，对农业生产具有十分重要的意义。[0003]土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、物理化学、力学的现象和子过程，最主要的包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚。据统计，全球陆地面积70%存在冻土，其中14%为永久冻土，56%为季节冻土;我国是世界上第三冻土大国，其中多年冻土分布面积为2.068X106km2，占我国国土面积的21•5%，季节性冻土分布面积很广，为5•137X106km2，占我国国土面积的53•5%，两者合计约占全国总面积的34左右徐学祖等，2001。我国季节性冻土主要分布在北纬30°以北地区。而这些地区又大多属于干旱、半干旱的缺水地区。由于灌溉管理不当和冬春季土壤的冻融等的影响，形成大面积的土壤盐碱化，这对作物的危害相当严重，给农业生产造成极大的损失。另外我国又是一个水资源十分短缺的国家，春天降雨少，蒸发十分强烈，春旱是每年农业生产遇到的首要问题之一。如何保存和利用冬季冻结时土壤表层的水分，减少春旱程度，并且尽量降低盐害，是一个亟待解决的技术难点。越冬期间土壤水分、盐分的变化与土壤冻融的关系十分密切。因此，开展冻融条件下土壤水热盐运动的研宄，必须首先要有一种科学合理的土壤冻融过程的室内模拟方法，来尽可能的贴近大自然中土壤冻融的再现，从而方便实验室人员能够反复进行室内土壤冻融来开展相关科研活动，积累足够充足的科研数据。[0004]但是，目前国内外进行土壤冻融试验的室内试验设施简单，不能很好地模拟冻融的实际大自然环境，这些实验室研宄与真实情况差异较大，例如在实际土壤冻融的过程中土壤内部的温度往往相差不大，整个土壤通过其表面接受来自大自然（阳光、热空气等）的热辐射进行热交换逐渐融化，而其内部整体温度也在同时发生一定的变化，直至最终被融化。而目前很多室内冻融模拟装置对冻融土样的侧边均采用的是冰块和保温结构对其温度进行维持，由于冰块属于晶体，其在固体状态直至固液状态的过程中其温度始终保持在零度以下或者维持在零度，与大自然中土壤上表面吸收热量辐射，同时其内部温度也在逐渐变化的溶解规律并不相符，因此不能准确的模拟大自然中土壤冻融过程。发明内容[0005]本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种土壤冻融过程的室内検拟方法。[0006]本发明的技术方案是:一种土壤冻融过程的室内模拟方法，包括如下步骤：[0007]1制作导热性好的金属材质的土槽，在土槽的前侧面、后侧面、左侧面以及底面分别设置覆盖各个面的半导体制冷器TEC，且各半导体制冷器TEC的冷端与对应的各个面相贴；[000S]2在所述土槽的前侧面、后侧面、左侧面以及底面的各面内侧分别设置一用于检测土槽各面内壁处温度的土槽壁温度传感器;将各土槽壁温度传感器分别与控制器信号连接，同时将各半导体制冷器TEC分别通过一控制开关与蓄电池电连接，同时将各控制开关与控制器信号连接;再将控制器与蓄电池电连接；[0009]3将试验用土装入所述土槽，在装入试验用土的同时，在试验用土内部埋设用于检测其内部温度的土壤中心温度传感器，再向所述土槽中注水，注水结束将所述土槽静置；[0010]4对所述土槽降温以冻结其中的土壤；[0011]5通过所述土壤中心温度传感器实时检测所述土壤中心的温度，所述土壤中心温度传感器将所检测的土壤中心温度值实时传递给所述控制器;通过所述的各土槽壁温度传感器实时检测土槽各面内壁处温度，各土槽壁温度传感器将所检测的土槽各面内壁处温度值实时传递给所述控制器；[0012]6所述控制器将所接收到的土壤中心温度值与所接收到的土槽各面内壁处温度值进行实时比对，当某个面内壁处温度值高于所述土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值上限时，所述控制器控制覆盖该面的半导体制冷器TEC所对应的控制开关开启，使半导体制冷器TEC通过该面向与该面相邻的土壤侧边降温，直至所述控制器实时接收到的该面内壁处温度值与实时接收到的土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值下限时，所述控制器控制覆盖该面的半导体制冷器TEC所对应的控制开关关闭，停止向该面所相邻的土壤的侧边降温；[0013]7通过步骤6的不断循环，始终保持所述土槽内的土壤的各侧边温度和其中心温度的实时差值保持在所设定的温差值上下限范围内，直至最终由于所述土壤的上表面不断吸收来自外部的热量，导致所述土槽中的土壤逐渐全部融化。[0014]所述温差值上限是0•20°C〜0.50°C，所述温差值下限是-0•20°C〜-0•50°C。[0015]所述温差值上限是0•35°C，所述温差值下限是-0.35。：；步骤4中对土槽内的土壤的冻结温度范围为〇°C〜-35°C。[0016]所述温差值上限是0.20°C〜0.50°C，所述温差值下限是-0•20°C〜-0•50°C。[0017]所述温差值上限是〇.35°C，所述温差值下限是-0.35°C。[0018]所述金属材质的土槽具体使用铜材料或者铝材料制成。[0019]所述土槽上设有竖直伸缩支撑杆，所述竖直伸缩支撑杆上端固定有与所述土壤上表面相平行的板面，所述板面的下表面均匀的设置有若干个用于模拟太阳光光热辐射的光照供热灯，所述光照供热灯通过光照供热开关与所述蓄电池电连接。[0020]所述竖直伸缩支撑杆上设有用于观测其伸缩长度的长度刻度;所述竖直伸缩支撑杆上还设有用于锁定其伸缩高度的调节螺栓。[0021]所述土壤的上表面还置有用于实时检测土壤表面温度的土壤表层温度传感器，所述土壤表层温度传感器与所述控制器信号连接，控制器与触摸设置显示屏信号连接;所述触摸设置显示屏用于显示土壤表层温度传感器所实时检测到的土壤表面温度;所述触摸设置显示屏还用于实时显示步骤6中所述的土壤中心温度值、各面内壁处温度值以及用于设置所述温差值上限和温差值下限。[0022]所述土槽的底部还设有支撑腿。[0023]所述控制器是型号为0MR0NCP1E-N20DR-D的PLC控制器或MSP430单片机。[0024]本发明的有益效果:本发明克服了目前室内冻融模拟装置由于对冻融土样的侧边均采用的是冰块和保温结构对其温度进行维持，而由于冰块属于晶体，其在固体状态直至固液状态的过程中其温度始终保持在零度以下或者维持在零度，与大自然中土壤上表面吸收热量辐射，同时其内部温度也在逐渐变化的溶解规律并不相符，因而不能准确的模拟大自然中土壤冻融过程的缺点，本发明方法将土壤样品内部的温度和其侧边的温度进行实时比对，通过控制器自动控制半导体制冷器TEC对土壤侧边进行冷却温度补偿，从而更加真实的通过室内模拟实现了更加接近大自然环境下的土壤冻融过程，能够为土壤冻融的研究提供了更加真实有效的实验结果。附图说明[0025]图1是本发明方法所用装置的整体结构示意图；[0026]图2是本发明所用装置的电系统框图；具体实施方式[0027]下面对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。[0028]参见图1、图2，本发明提供了一种土壤冻融过程的室内模拟方法，包括如下步骤：[0029]1制作导热性好的金属材质的土槽1，在土槽1的前侧面、后侧面、左侧面以及底面分别设置覆盖各个面的半导体制冷器TEC2,且各半导体制冷器TEC2的冷端与对应的各个面相贴；[0030]2在所述土槽1的前侧面、后侧面、左侧面以及底面的各面内侧分别设置一用于检测土槽1各面内壁处温度的土槽壁温度传感器;将各土槽壁温度传感器分别与控制器6信号连接，同时将各半导体制冷器TEC2分别通过一控制开关与蓄电池12电连接，同时将各控制开关与控制器6信号连接;再将控制器6与蓄电池12电连接；[0031]3将试验用土装入所述土槽1，在装入试验用土的同时，在试验用土内部埋设用于检测其内部温度的土壤中心温度传感器，再向所述土槽1中注水，注水结束将所述土槽1静置；[0032]4对所述土槽1降温以冻结其中的土壤9;[0033]5通过所述土壤中心温度传感器实时检测所述土壤9中心的温度，所述土壤中心温度传感器将所检测的土壤中心温度值实时传递给所述控制器6;通过所述的各土槽壁温度传感器实时检测土槽1各面内壁处温度，各土槽壁温度传感器将所检测的土槽1各面内壁处温度值实时传递给所述控制器6;[0034]6所述控制器6将所接收到的土壤中心温度值与所接收到的土槽丨各面内壁处温度值进行实时比对，当某个面内壁处温度值高于所述土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值上限时，所述控制器6控制覆盖该面的半导体制冷器TEC2所对应的控制开关开启，使半导体制冷器TEC2通过该面向与该面相邻的土壤9侧边降温，直至所述控制器6实时接收到的该面内壁处温度值与实时接收到的土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值下限时，所述控制器6控制覆盖该面的半导体制冷器TEC2所对应的控制开关关闭，停止向该面所相邻的土壤9的侧边降温；[0035]7通过步骤6的不断循环，始终保持所述土槽1内的土壤9的各侧边温度和其中心温度的实时差值保持在所设定的温差值上下限范围内，直至最终由于所述土壤9的上表面不断吸收来自外部的热量，导致所述土槽1中的土壤9逐渐全部融化。[0036]进一步地，所述温差值上限是0•20°C〜0•50°C，所述温差值下限是-0•20°C〜-0.50。。。[0037]进一步地，所述温差值上限是0.35-C，所述温差值下限是-0.35°C;步骤4中对土槽内的土壤的冻结温度范围为0°C〜-35°C。[0038]进一步地，所述金属材质的土槽1具体使用铜材料或者铝材料制成。[0039]进一步地，所述土槽1上设有竖直伸缩支撑杆3,所述竖直伸缩支撑杆3上端固定有与所述土壤9上表面相平行的板面4,所述板面4的下表面均匀的设置有若千个用于模拟太阳光光热辐射的光照供热灯5,所述光照供热灯5通过光照供热开关与所述蓄电池12电连接。[0040]进一步地，所述竖直伸缩支撑杆3上设有用于观测其伸缩长度的长度刻度;所述竖直伸缩支撑杆3上还设有用于锁定其伸缩高度的调节螺栓8。[0041]进一步地，所述土壤9的上表面还置有用于实时检测土壤9表面温度的土壤表层温度传感器10,所述土壤表层温度传感器10与所述控制器6信号连接，控制器6与触摸设置显示屏7信号连接;所述触摸设置显示屏7用于显示土壤表层温度传感器10所实时检测到的土壤9表面温度;所述触摸设置显示屏7还用于实时显示步骤6中所述的土壤中心温度值、各面内壁处温度值以及用于设置所述温差值上限和温差值下限。[0042]进一步地，所述土槽1的底部还设有支撑腿11。[0043]进一步地，所述控制器6是型号为OMRONCP1E-N20DR-D的PLC控制器或MSP430单片机。[0044]综上所述，本发明克服了目前室内冻融模拟装置由于对冻融土样的侧边均采用的是冰块和保温结构对其温度进行维持，而由于冰块属于晶体，其在固体状态直至固液状态的过程中其温度始终保持在零度以下或者维持在零度，与大自然中土壤上表面吸收热量辐射，同时其内部温度也在逐渐变化的溶解规律并不相符，因而不能准确的模拟大自然中土壤冻融过程的缺点，本发明方法将土壤样品内部的温度和其侧边的温度进行实时比对，通过控制器自动控制半导体制冷器TEC对饱和土壤侧边进行冷却温度补偿，从而更加真实的通过室内模拟实现了更加接近大自然环境下的土壤冻融过程，能够为土壤冻融的研宄提供了更加真实有效的实验结果。[0045]本发明实施例公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

权利要求：1.一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：1制作导热金属材质的土槽（1，在土槽1的前侧面、后侧面、左侧面以及底面分别设置覆盖各个面的半导体制冷器TEC¾，且各半导体制冷器TEC2的冷端与对应的各个面相贴；2在所述土槽（1的前侧面、后侧面、左侧面以及底面的各面内侧分别设置一用于检测土槽⑴各面内壁处温度的土槽壁温度传感器;将各土槽壁温度传感器分别与控制器6信号连接，同时将各半导体制冷器TEC2分别通过一控制开关与蓄电池（12电连接，同时将各控制开关与控制器⑹信号连接;再将控制器⑹与蓄电池12电连接；3将试验用土装入所述土槽（1，在装入试验用土的同时，在试验用土内部埋设用于检测其内部温度的土壤中心温度传感器，再向所述土槽（1中注水，注水结束将所述土槽（1静置；4对所述土槽⑴降温以冻结其中的土壤⑼；5通过所述土壤中心温度传感器实时检测所述土壤9中心的温度，所述土壤中心温度传感器将所检测的土壤中心温度值实时传递给所述控制器6;通过所述的各土槽壁温度传感器实时检测土槽（1各面内壁处温度，各土槽壁温度传感器将所检测的土槽（1各面内壁处温度值实时传递给所述控制器6;6所述控制器6将所接收到的土壤中心温度值与所接收到的土槽（1各面内壁处温度值进行实时比对，当某个面内壁处温度值高于所述土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值上限时，所述控制器⑹控制覆盖该面的半导体制冷器TEC2所对应的控制开关开启，使半导体制冷器TEC2通过该面向与该面相邻的土壤9侧边降温，直至所述控制器⑹实时接收到的该面内壁处温度值与实时接收到的土壤中心温度值的差值达到所设定的温差值下限时，所述控制器6控制覆盖该面的半导体制冷器TEC2所对应的控制开关关闭，停止向该面所相邻的土壤9的侧边降温；7通过步骤6的不断循环，始终保持所述土槽（1内的土壤9的各侧边温度和其中心温度的实时差值保持在所设定的温差值上下限范围内，直至最终由于所述土壤9的上表面不断吸收来自外部的热量，导致所述土槽1中的土壤逐渐全部融化。2.如权利要求1所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述温差值上限是0.20°C〜0.50°C，所述温差值下限是-0•20°C〜-0•50°C。3.如权利要求2所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述温差值上限是0.35°C，所述温差值下限是-0.35°C;步骤4中对土槽⑴内的土壤⑼的冻结温度范围为TC〜-35。。。4.如权利要求1所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述金属材质的土槽1具体使用铜材料或者铝材料制成。5.如权利要求1所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述土槽（1上设有竖直伸缩支撑杆3，所述竖直伸缩支撑杆3上端固定有与所述土壤9上表面相平行的板面4，所述板面⑷的下表面均匀的设置有若千个用于模拟太阳光光热辐射的光照供热灯5，所述光照供热灯5通过光照供热开关与所述蓄电池12电连接。6.如权利要求5所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述竖直伸缩支撑杆3上设有用于观测其伸缩长度的长度刻度;所述竖直伸缩支撑杆⑶上还设有用于锁定其伸缩高度的调节螺栓⑻。7.如权利要求1所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述土壤9的上表面还置有用于实时检测土壤9表面温度的土壤表层温度传感器（10，所述土壤表层温度传感器1〇与所述控制器⑹信号连接，控制器⑹与触摸设置显示屏⑺信号连接；所述触摸设置显示屏7用于显示土壤表层温度传感器10所实时检测到的土壤9表面温度;所述触摸设置显示屏7还用于实时显示步骤6中所述的土壤中心温度值、各面内壁处温度值以及用于设置所述温差值上限和温差值下限。8.如权利要求1所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述土槽（1的底部还设有支撑腿11。9.如权利要求1所述的一种土壤冻融过程的室内模拟方法，其特征在于，所述控制器⑹是型号为OMRONCPlE_N2〇DR-D的PLC控制器或MSP43〇单片机。

百度查询： 内蒙古农业大学 一种土壤冻融过程的室内模拟方法

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