УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАПЕЛЬНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВЫ

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, в частности к мелиорации почв, и может быть использована при комплексном изучении характеристик последствий динамического действия капли искусственного и естественного дождя на почву и в мелиоративном машиностроении при разработке агротехнологических и экологических требований к дождевальным насадкам и аппаратам.
Устройство для исследования капельной эрозии почвы включает металлическую телескопическую штангу или металлический лабораторный штатив с соосно закрепленными сосудом Мариотта, капилляром, защитной трубкой, кювету с почвой, размеченную мишень, стакан-уловитель, установленные на неподвижном основании. Устройство отличается тем, что в конструкции используется набор капилляров с тупым концом, , что позволяет регулировать размер водяных капель, защитная трубка, позволяющая исключить влияние движения воздуха в помещении лаборатории на точность и трудоемкость измерений, стакан-уловитель и отличается тем, что позволяет регулировать и устанавливать постоянную интенсивность образования и падения капель, а также позволяет учитывать исходную влажность образца почвы.
Данное техническое решение позволяет с использованием одной установки обеспечить различные варианты воздействий капель на почвенный образец и измерить расстояние и массу разброса частиц почвы, создать капли разного диаметра, повысить точность и упростить процесс измерений, повысить производительность труда.
Известен способ изучения капельной эрозии почвы, возникающей при ударе дождевых капель о почву и их разбрызгивании (патент на изобретение CN 102749272 А). Способ включает следующие основные элементы: дождевые капли, имеющие расчетные размеры, проходят через ветрозащитную трубу и образец почвы, который помещается на основании, которое позволяет регулировать угол наклона к горизонту. Основные элементы соосны друг с другом. После удара капель возникает эрозия разбрызгивания, частицы почвы перемещаются по параболическим траекториям. На основании закреплены концентрические пластиковые или резиновые кольца радиусами от 10 до 245 см с покрытием из разрезанной фильтровальной бумаги, в которые собираются разбрызганные частицы почвы. Кольца разбираются, высушиваются. Количество и состав разбрызганных частиц анализируется с помощью лазерного анализатора частиц или набором почвенных сит. Недостатками известного способа являются отсутствие информации о закреплении ветрозащитной трубы траектории падения капли, отсутствие регулировки вертикального положения ветрозащитной трубы, отсутствие постоянной скорости образования капель (интенсивности падения капель).
3
Известен способ оценки ударного действия капель дождя (RU 2569664). Сущность способа оценки ударного действия капель дождя, включающего полив каплями почвенного образца, измерение величины радиуса разлета почвенных частиц и оценку ударного действия капель дождя, заключается в том, что почвенные образцы дополнительно обрабатывают шариками, масса и размер которых идентичен массе и размерам каплям дождя, фиксируя при этом радиусы разлета почвенных частиц, затем сравнивают их с радиусами разлета почвенных частиц, измеренных при обработке почвенных образцов каплями дождя, и по результатам сравнения оценивают ударное действие капель дождя на почву. Недостатком известного способа является принятое допущение об одинаковом характере динамического воздействия о почву водяной капли и шарика плотностью 1 г/см, изготовленного из термопластичных полимерных материалов с «балластом».
Известно устройство для определения дальности разброса частиц почвы (патент на полезную модель RU 172663), включающее телескопическую опору с основанием, закрепленную к опоре капельницу и улавливатель частиц почвы, который представляет собой набор дисков различного диаметра с равным шагом изменения диаметра, концентрично размещенных на основании под капельницей соосно ее центру по убыванию значения диаметра от нижнего диска к верхнему, при этом диски имеют сложнопрофильную центральную часть в виде усеченно-конического выступа с углублением в центре, обеспечивающую концентрическую фиксацию дисков. Недостатками известного устройства являются: отсутствие обеспечения постоянной скорости истечения капли из бюретки через «капиллярный каплеобразователь» и защиты рабочей жидкости бюретки от попадания посторонних примесей (разная интенсивность падения капель и состав воды может существенно сказаться на характеристиках капли и точности измерений), отсутствие тарированного набора «капиллярных каплеобразователей» для получения капель необходимого диаметра, отсутствие возможности регулировки уровня опоры и стойки соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, отсутствие защиты траектории движения капли от движения воздуха в лаборатории (сложность контроля соосности траектории движения капли и образца почвы).
Известно устройство для определения дальности разброса частиц почвы (авторское свидетельство SU 1103147 А), включающее телескопическую опору с закрепленной на ней капельницей и расположенные на основании емкость с почвенным образцом и улавливатель эродированных частиц, выполненный в виде экрана из гетинакса с отверстием, соосным с центром капельницы; на обращенной к капельнице поверхности экрана имеется съемное покрытие в виде липкой ленты, при этом экран закреплен на емкости с почвенным образцом с помощью дугообразной пружины, а емкость с почвенным образцом смонтирована на горизонтальной штанге посредством поворотного кронштейна. Недостатками известного устройства являются отсутствие защиты траектории движения капли от движения воздуха в лаборатории (сложность контроля соосности траектории движения капли и образца почвы), сложность отделения разбрызганных частиц от съемного покрытия в виде липкой ленты, отсутствие регулирования исходной влажности почвенного образца.
Наиболее близким по цели и совокупности существенных технических признаков к предлагаемому техническому решению является способ оценки ударного действия капель дождя, включающий штатив с закрепленной капельницей и медицинской иглой, защитный кожух траектории движения капли, мишень на основании штатива (Жигимонт Ю.Г. Экспериментальное исследование процесса капельной эрозии почвы / Роль молодых ученых в модернизации мелиоративной науки: матер, науч.-практич. конф. М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2011. С. 59-66). Осуществляют полив каплями почвенного образца, измерение величины радиуса разлета почвенных частиц и оценку ударного действия капель дождя. Недостатком известного способа являются ограничение падений капли по высоте (сложность поддержания жесткости конструкции при увеличении высоты установки капельницы), отсутствие регулировки уровня положения элементов штатива по вертикали и горизонтали, отсутствие тарированного набора каплеобразователей для точного регулирования размеров капель.
Цель полезной модели - повышение точности и снижение трудоемкости измерения расстояния и массы разброса частиц почвы в результате динамического действия водяной капли.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышение точности и упрощении процесса измерений, в возможности определения расстояния, массы и других количественных характеристик разбрызгиваемых частиц.
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство включает соосные с центром капилляра сосуд Мариотта, защитный кожух, закрепленные на штативе и почвенный образец с кюветой, размеченную мишень, стакан-уловитель, расположенные на неподвижном основании. Устройство позволяет исследовать почвы в виде насыпных образцов и отдельных агрегатов. Простота конструкции устройства позволяет монтировать его к штативам и к внутренней стене лаборатории с помощью кронштейнов. От приведенных аналогов устройство отличается тем, что позволяет регулировать размер водяных капель, исключить влияние движения воздуха в помещении лаборатории на точность и трудоемкость измерений, регулировать и устанавливать постоянную интенсивность образования и падения капель, а также позволяет учитывать исходную влажность образца почвы.
1
Конструкцию полезной модели поясняет чертеж. Сосуд Мариотта 1 с градуированной шкалой для учета объема воды герметично закрывается при помощи пробки с резиновым или силиконовым уплотнителем 2, в котором герметично установлена открытая с двух концов полой трубка 3, один конец которой обязательно погружен в воду, а другой - сообщается с атмосферой. Внешний конец трубки может дополнительно комплектоваться воздушным фильтром 22 при использовании в качестве рабочей жидкости дистиллированной воды. В дне сосуда Мариотта с помощью резинового или силиконового уплотнителя 6 герметично устанавливается трубка 4, которая имеет шарообразный микро-вентиль 5 и установленный на ее свободном конце капилляр 7. Капилляр 7 служит для образования капель воды. Устройство комплектуется набором капилляров 23 с различными размерами поперечного сечения и тарированными по диаметру капель. В пробке 2 герметично установлена открытая с двух концов полая трубка 33, один конец которой находится внутри сосуда Мариотта, но не касается слоя воды, а внешний конец сообщается с атмосферой и имеет заглушку с 24 с воздушным фильтром 25. В стенке нижней части сосуда Мариотта герметично с помощью резинового или силиконового уплотнителя 9 устанавливается заправочный клапан 8 в виде полой открытой с двух сторон трубки, на внешнем конце которой имеется шарообразный микро-вентиль 10. Сосуд Мариотта 1 закрепляется на металлической телескопической штанге или металлическом лабораторном штативе 11 с помощью кронштейна 12 и зажима 13, позволяющие менять высоту расположения сосуда 1 и высоту штанги или штатива. Вдоль траектории движения капли устанавливается на штативе с помощью кронштейнов 12 и зажимов 13 полая защитная трубка 14, диаметр d которой достаточен для свободного падения капли 26. При необходимости увеличения длины трубки 14 один из ее концов сужен до диаметра d, а другой конец выполнен в виде раструба 15 с резиновым или силиконовым уплотнителем 16. Телескопическая штанга или лабораторный штатив 11 в нижнем конце имеет резьбу 28 и с помощью двух гаек 19 и одной шайбы 27 жестко закрепляется в опоре 18, на которой в зависимости от режимов работы устройства имеется пластиковая мишень 20 с координатной сеткой или стакан-уловитель 21, центры которых соосны траектории движения капли. Исследуемый образец почвы в кювете 17 (или в насыпном виде) помещается в центр мишени 20 или стакана-уловителя 21. Платформа опоры 18 имеет пузырьковый уровень 29 и регулировочные винты 30 для горизонтальной установки устройства. Вертикальное положение телескопической штанги или лабораторного штатива 11 регулируется с помощью пузырькового уровня 31, закрепленного на устройстве с помощью магнита 32.
Устройство работает в двух режимах: «А» и «Б». Режим работы «А» предназначен для измерения дальности и направления разбрызгивания частиц почвы в результате удара капли об образец почвы. В зависимости от требуемой высоты падения капли устанавливают на штанге или штативе сосуд Мариотта 1 с закрытым микро-вентилем 5. При необходимости падения капли с высоты, при которой жесткость штатива или штанги снижается, возможно закрепление штанги или штатива к стене лаборатории. С помощью пузырьковых уровней 29 и 31 выполняется регулировка положения устройства соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях путем вращения регулировочных винтов 30. Закрепляется трубка 14 так, чтобы ее центр совпадал с трубкой 4, на свободный конец которой устанавливается капилляр 7 определенного размера из набора 23 для получения капель необходимого для исследования диаметра. Сосуд Мариотта 1 заправляется рабочей жидкостью (например, дистиллированной водой) через заправочный клапан 8 необходимым объемом (уровень жидкости должен быть ниже трубки 33), при этом заглушка 24 должна быть открытой. После заправки микро-вентиль 10 и заглушка 24 закрываются. На мишени 20 размещается образец почвы 17 в кювете в насыпном виде или отдельный агрегат и имеющий необходимый для исследования уровень влажности, в количестве, достаточном для проведения однократного удара или последовательных серий ударов капли. Сосуд Мариотта при этом обеспечит постоянную интенсивность падения капель. Использование образца почвы в кювете имеет преимущество над агрегатом: в этом случае проще добиться соосности центра образца и траектории падения капли 26. Микро-вентиль 5 открывается настолько, чтобы такую скорость истечения капель позволяла произвести однократный удар. Образовавшаяся капля 26 ударяет образец 17, разлетевшиеся частицы почвы осаждаются на мишени 20, по координатной сетке которой определяется дальность и направление разлета частиц. Микро-вентиль 5 закрывается.
Режим работы «Б» предназначен для измерения массы разбрызганной почвы в результате однократного удара или последовательных серий ударов капли. Выполняется подготовка устройства к исследованию аналогично режиму «А». Образец почвы 17 помещается в стакан-уловитель 21. Разбрызганные частицы осаждаются на внутренней поверхности стакана-уловителя. Микро-вентиль 5 закрывается. Из стакана-уловителя частицы почвы переносятся на предварительно высушенную до постоянной массы и взвешенную обеззоленную фильтровальную бумагу с помощью лабораторной промывалки с дистиллированной водой. Бумага высушивается до постоянной массы (например, в термостате при температуре 105°С) и по разности масс бумаги до и после работы устройства определяется масса разбрызганной почвы.