一种针网式室内人工降雨试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种针网式室内人工降雨试验系统，包括土样室模块、模拟降雨模块和控制模块。所述模拟降雨模块分别与土样室模块和控制模块连接。一种使用人工降雨试验系统的方法，包括以下步骤：率定蠕动泵输出端的流量q与PLC输出脉冲频率f的关系。进行人工降雨试验系统的土样填筑，给定雨强‑时间函数R(t)与降雨持续时间D，根据调节精度将降雨持续时间D划分为n段，并计算每一段降雨持续时间对应的PLC脉冲频率f。根据PLC脉冲频率f，通过PLC可编程控制器和步进电机驱动器进行人工降雨实验。本发明专利技术实现了输出精度高、可程序控制、操作便捷和性能可靠的人工降雨试验。

A Needle-net Indoor Artificial Rainfall Test System and Method

【技术实现步骤摘要】
一种针网式室内人工降雨试验系统及方法
本专利技术属于土质研究领域，具体涉及一种针网式室内人工降雨试验系统及方法。
技术介绍
降雨引起的土壤中的水分运动和溶质迁移规律一直是农林、水土保持和岩土工程等领域研究的热点问题，而室外原位试验通常费时费力，经济成本大，因此通常开展室内人工模拟降雨试验来进行研究。一维试验是这类室内试验中较基础的一种，试验过程中，在圆柱形土柱上部模拟降雨，并在土柱内部埋设传感器来监测土样内部的各项参数的响应。目前实验室中实现人工模拟降雨的方法有两种：(1)在由针头组成的针网上方维持一恒定水头，在该水头下液体通过针头下落形成降雨，其优点是可以实现降雨的均匀分布，缺点是降雨强度无法实现实时调节，仅能进行恒定雨强试验，无法模拟实际降雨过程中降雨强度随时间而发生变化；(2)采用水泵与雾化喷头的组合，水泵为喷头供水，并提供一定压力，流体通过喷头过程中被压缩分散形成锥形喷雾，此方法理论上可以实现降雨强度的调节，但降雨强度是降雨量、时间、降雨面积的函数，该类设备调节降雨量的同时必然要改变供水压力，而改变供水压力则会引起喷头喷射角的变化，导致实际降雨强度与设计值之间产生较大的误差，且降雨均匀性较差，因此在降雨的模拟中，该类设备通常也仅用于恒定雨强降雨的模拟。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种针网式室内人工降雨试验系统及方法解决了现有人工降雨实验系统降雨强度无法实时调节的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种针网式室内人工降雨试验系统，包括土样室模块、模拟降雨模块和控制模块；所述土样室模块用于装载试验土样，提供传感器布设通道，收集土体表面产生的径流；所述模拟降雨模块的输出端与土样室模块的输入端连接，其用于在土样室模块中进行人工模拟降雨试验；所述控制模块的输出端与模拟降雨模块的输入端连接，其用于按照降雨强度-时间函数控制模拟降雨模块进行人工降雨模拟试验。优选的，所述土样室模块包括径流收集口、柱形土样室、传感器布设通道、连接法兰、紧固螺栓、硅胶垫片、底部排水口、透水石、第一连接机构、第二连接机构、第三连接机构和第四连接机构；所述柱形土样室包括两段圆柱体，第一段圆柱体与模拟降雨模块连接，第二段圆柱体为柱形土样室的主体，且其直径小于第一段圆柱体；所述径流收集口安装在第一段圆柱体上，并靠近第二段圆柱体的一端，所述第二段圆柱体的一端与第一段圆柱体连接，第二段圆柱体的另一端安装有底部排水口和透水石，所述底部排水口设置在第二段圆柱体上，所述透水石设置在第二段圆柱体内部；所述柱形土样室的第二段圆柱体上安装有第一连接机构、第二连接机构、第三连接机构和第四连接机构，且柱形土样室的第二段圆柱体被第一连接机构、第二连接机构、第三连接机构和第四连接机构分为多层，每个连接机构相同，均包括连接法兰、多个紧固螺栓和硅胶垫片，所述连接法兰和硅胶垫片通过多个紧固螺栓固定连接；每个连接机构上均设置有传感器布设通道。采用上述优选方案的有益效果为：土样室模块结构简单，易于安装，方便传感器的布控，实验过程中实时采集土壤的数据，底部设有底部排水口，避免了实验时土样室的积水。优选的，所述模拟降雨模块包括针网、三级管路、多通、二级管路、蠕动泵一级管路、水箱和步进电机；所述针网安装在柱形土样室的第一段圆柱体内部，并通过三级管路与多通连接，所述多通通过二级管路与蠕动泵的输出端连接，所述蠕动泵安装在步进电机的输出端，其输入端通过一级管路与水箱连接。优选的，所述蠕动泵的输入端用于进水，其输出端用于出水；所述针网由多个等间距的9号针头组成；所述三级管路、多通、二级管路和一级管路均为硅胶材质制成的管路。采用上述优选方案的有益效果为：模拟降雨模块中采用的步进电机保证了出口降雨质量不受水箱中水位变化和连接管路中流量变化等因素的影响，实现了降雨强度控制的同时保证了降雨均匀度。优选的，所述控制模块包括步进电机驱动器、直流电源、PLC可编程控制器、编程电缆和计算机；所述直流电源的输入端与220V的交流电连接，其输出端与步进电机驱动器的电源输入端连接；所述PLC可编程控制器的电源输入端与220V交流电连接，其24V+输出接口分别与步进电机驱动器的ENA+接口、DIR+接口和PUL+接口电连接，其Y0接口、Y1接口和Y3接口分别与步进电机驱动器的ENA-接口、DIR-接口和PUL-接口通信连接，其程序读写接口通过编程电缆与计算机通信连接；所述步进电机驱动器的A+接口、A-接口、B+接口和B-接口分别与步进电机的A+接口、A-接口、B+接口和B-接口一一对应连接。优选的，所述直流电源输出电压为18V-24V。采用上述优选方案的有益效果为：实现了降雨全过程自动控制，操作方便，减少了人工操作带来的误差。一种使用针网式室内人工降雨试验系统进行人工降雨实验的方法，包括以下步骤：S1、率定蠕动泵输出端的流量q与PLC输出脉冲频率f的关系；S2、进行人工降雨试验系统的土样填筑；S3、给定雨强-时间函数R(t)与降雨持续时间D，根据调节精度将降雨持续时间D划分为n段，并计算每一段降雨持续时间对应的PLC脉冲频率f；S4、根据步骤S2得到的PLC脉冲频率f，通过PLC可编程控制器和步进电机驱动器进行降雨实验。所述步骤S4包括以下分步骤：S4.1、根据步骤S2得到的PLC脉冲频率f，通过计算机设定好PLC程序；S4.2、将PLC程序通过编程电缆传输至PLC可编程控制器；S4.3、通过PLC程序和PLC可编程控制器控制电机驱动器驱动步进电机工作；S4.4、通过步进电机带动蠕动泵进而带动水箱中的水沿一级管路、二级管路、多通和三级管路送至针网；S4.5、通过针网在土样室模块中进行降雨试验。优选的，所述步骤S1中流量q与PLC输出脉冲频率f的关系为：q＝af+b(1)其中，a和b为拟合参数。优选的，所述步骤S3中每一段降雨持续时间对应的PLC脉冲频率fk为：其中，tk表示第k段降雨持续时间，tk-1表示第k-1段降雨持续时间，k＝1,2,...,n，S为土样面积。采用上述优选方案的有益效果为：实现了人工模拟降雨过程中降雨强度的自动控制，降雨强度可按照用户给定的函数进行变化。本专利技术的有益效果为：土样室模块结构简单，易于安装，方便传感器的布控，实验过程中实时采集土壤的数据，底部设有底部排水口，避免了实验时柱形土样室的积水。模拟降雨模块中采用的步进电机保证了针网的降雨质量不受水箱中水位变化和连接管路中流量变化的影响，实现了降雨强度控制的同时保证了降雨均匀度。控制模块实现了降雨全过程自动控制，操作方便，减少了人工操作带来的误差。本专利技术实现了人工模拟降雨过程中降雨强度的自动控制，降雨强度可按照用户给定的函数进行变化。附图说明图1为本专利技术提出的一种针网式室内人工降雨试验系统示意图。图2为本专利技术提出的土样室模块平面结构示意图。图3为本专利技术提出的土样室模块立体结构示意图。图4为本专利技术提出的控制模块电路图。图5为本专利技术提出的一种使用针网式室内人工降雨试验系统的方法流程图。其中：1-径流收集口、2-柱形土样室、3-传感器布设通道、4-连接法兰、5-紧固螺栓、6-硅胶垫片、7-底部排水口、8-透水石、9-第一连接机构、10-第二连接机构、11-第三连接机构、12-第四连接机构、1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针网式室内人工降雨试验系统，其特征在于，包括土样室模块、模拟降雨模块和控制模块；所述土样室模块用于装载试验土样，提供传感器布设通道，收集土体表面产生的径流；所述模拟降雨模块的输出端与土样室模块的输入端连接，其用于在土样室模块中进行人工模拟降雨试验；所述控制模块的输出端与模拟降雨模块的输入端连接，其用于按照降雨强度‑时间函数控制模拟降雨模块进行人工降雨模拟试验。

【技术特征摘要】
1.一种针网式室内人工降雨试验系统，其特征在于，包括土样室模块、模拟降雨模块和控制模块；所述土样室模块用于装载试验土样，提供传感器布设通道，收集土体表面产生的径流；所述模拟降雨模块的输出端与土样室模块的输入端连接，其用于在土样室模块中进行人工模拟降雨试验；所述控制模块的输出端与模拟降雨模块的输入端连接，其用于按照降雨强度-时间函数控制模拟降雨模块进行人工降雨模拟试验。2.根据权利要求1所述的针网式室内人工降雨试验系统，其特征在于，所述土样室模块包括径流收集口(1)、柱形土样室(2)、传感器布设通道(3)、连接法兰(4)、紧固螺栓(5)、硅胶垫片(6)、底部排水口(7)、透水石(8)、第一连接机构(9)、第二连接机构(10)、第三连接机构(11)和第四连接机构(12)；所述柱形土样室(2)包括两段圆柱体，第一段圆柱体与模拟降雨模块连接，第二段圆柱体为柱形土样室(2)的主体，且其直径小于第一段圆柱体；所述径流收集口(1)安装在第一段圆柱体上，并靠近第二段圆柱体的一端，所述第二段圆柱体的一端与第一段圆柱体连接，第二段圆柱体的另一端安装有底部排水口(7)和透水石(8)，所述底部排水口(7)设置在第二段圆柱体上，所述透水石(8)设置在第二段圆柱体内部；所述柱形土样室(2)的第二段圆柱体上安装有第一连接机构(9)、第二连接机构(10)、第三连接机构(11)和第四连接机构(12)，且柱形土样室(2)的第二段圆柱体被第一连接机构(9)、第二连接机构(10)、第三连接机构(11)和第四连接机构(12)分为多层，每个连接机构结构相同，均包括连接法兰(4)、多个紧固螺栓(5)和硅胶垫片(6)，所述连接法兰(4)和硅胶垫片(6)通过多个紧固螺栓(5)固定连接；每个连接机构上均设置有传感器布设通道(3)。3.根据权利要求2所述的针网式室内人工降雨试验系统，其特征在于，所述模拟降雨模块包括针网(13)、三级管路(14)、多通(15)、二级管路(16)、蠕动泵(17)、一级管路(18)、水箱(19)和步进电机(20)；所述针网(13)安装在柱形土样室(2)的第一段圆柱体内部，并通过三级管路(14)与多通(15)连接，所述多通(15)通过二级管路(16)与蠕动泵(17)的输出端连接，所述蠕动泵(17)安装在步进电机(20)的输出端，其输入端通过一级管路(18)与水箱(19)连接。4.根据权利要求3所述的针网式室内人工降雨试验系统，其特征在于，所述蠕动泵(17)的输入端用于进水，其输出端用于出水；所述针网(13)由多个等间距的9号针头组成；所述三级管路(14)、多通(15)、二级管路(16)和一级管路(18)均为硅胶材质制成的管路。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：张建经，胡君龙，闫世杰，牛家永，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51