ЛИЗИМЕТР
LYSIMETER

Изобретение относится к приборам, применяемым в сельском хозяйстве при балансовых исследованиях на мелиорируемых землях, в частности для определения инфильтрации поливных, талых и дождевальных вод, а также возможно применение подземного водообмена при переменном уровне грунтовых вод.
Известен лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец перегородкой, в средней части которой выполнено отверстие в виде проема, перекрываемого щитком снабженным устройством для сброса воды в виде сифона, нисходящая ветвь которого выведена в дренажный колодец в сторону оголовка отводящей трубы, при этом сифон закреплен внутри отверстия в щитке, выполнен с возможностью вертикального фиксированного перемещения относительно проема в перегородке, причем вертикально установленная емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости с монолитом почвы, крышку с градуированной стойкой в виде шкалы и регулировочное приспособление в виде винта, при этом нисходящая ветвь сифона в дренажном колодце снабжена, внутри телескопическим сбросным патрубком, который имеет выходное колено, выходное отверстие которого направлено вверх, колено расположено ниже выпускного отверстия отводящей трубы, при этом нисходящая ветвь в верхней части сифона имеет механизм запуска сифона, выполненный в виде соединенных между собой трубки-датчика уровня жидкости и эжектора, причем трубка-датчик сообщена с одной стороны - с находящейся в измерительной емкости восходящей ветвью сифона через отверстие, выполненное в боковой перегородке щитка, а с другой стороны - с полостью дренажного колодца телескопического сбросного патрубка, который имеет выходное колено, телескопический патрубок жестко зафиксирован к боковой стенке дренажного колодца, а нисходящая ветвь сифона имеет возможность фиксированного перемещения посредством винта относительно закрепленного к стенке дренажного колодца телескопического патрубка (Патент RU №2686691, G01N 33/24, G05D 9/00, A01G 25/16 от 30.04.2019).
Недостатком известного устройства является объем сброса воды, забираемый сифоном не достаточно учитывает точность обеспечения работы регулирования пускового устройства эжектора, всасывающий воздух из полости сифона в атмосферу через трубку-датчика, расположенную в дренажном колодце и качество регулирования для обеспечения высокой пропускной способности, что должно обеспечить отказаться от дополнительного усложнения при эксплуатации, чтобы затем возвращать лизиметр при избыточном воздухе в измерительной емкости в работу сбросного сифона и исключать избыточный подъем воды в монолите почвы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью, поддон и элементы контроля уровня воды, причем вертикально установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец перегородкой, в средней части которой выполнено отверстие, снабженным устройством для сброса воды в виде сифона, нисходящая ветвь которого выведена в дренажный колодец в сторону оголовка отводящей трубы, при этом сифон закреплен внутри отверстия в щитке, выполнен с возможностью вертикального фиксированного перемещения относительно проема в перегородке, причем вертикально установленная емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости с монолитом почвы, крышку с градуированной стойкой в виде шкалы и регулировочное приспособление в виде винта, телескопический сбросной патрубок с нижним концом, выходное отверстие которого расположено в дренажном колодце ниже выпускного отверстия отводящей трубы, при этом имеет механизм запуска сифона, телескопический патрубок жестко зафиксирован в боковой стенке дренажного колодца, а нисходящая ветвь сифона имеет возможность фиксированного перемещения винта относительно дренажного колодца телескопического патрубка, он снабжен подвижной вертикальной трубой с мембранным клапаном с регулирующей аэрационной трубкой и сифоном, горловина которого соединена посредством соединительной трубки с измерительной емкостью, при этом подвижная вертикальная трубка жестко соединена с подвижным щитком, размещенным в перегородке с регулировочным приспособлением в виде винта, который снабжен указательной стрелкой напротив отградуированной в соответствии со сроком полива путем учета биологической характеристики культур монолита почвы, снабжено установленной на крышке стойкой в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос (Патент RU №2694052, G01N 33/24 от 09.07.2019).
Недостатком устройства наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому лизиметру, заключается в том, что обеспечивает объем сброса воды, забираемый сифоном не достаточно учитывая повышения эффективности работы путем автоматического регулирования уровня сброса воды в измерительной емкости с помощью аэрационной трубки погружаемой в воду, он, затем вытесняя воздух, приподнимая мембранный клапан. Другим недостатком является также сложность конструкции и поскольку необходимо иметь специальные отверстия в перегородке с металлическим подвижным элементом и механизмом запуска сифона с телескопическим патрубком.
Технической задачей является упрощение конструкции и эксплуатации устройства и повышения срыва вакуума в режиме сифона, обеспечивая стабильность в монолите почвы жидкости, учитывая физиологическое состояние растений и условий роста и развития растений в соответствии уровня воды в емкости для определенной культуры севооборота с последующим учетом их фазы развития на опытной делянке до заданного значения, и получить более достоверный результат с малой ошибкой погрешностью измерений.
Технический результат достигается тем, что лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью, поддон и элементы контроля уровня воды, причем вертикально установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец перегородкой, в которой выполнено отверстие для сброса воды, прием вертикально установленная емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости с монолитом почвы, крышку с градуированной стойкой в виде шкалы и регулировочное приспособление в виде винта, подвижной вертикальной трубой с регулирующим устройством, при этом регулировочное приспособление в виде винта, который снабжен указательной стрелкой напротив отградуированной в соответствии со сроком полива путем учета биологической характеристики культур монолита почвы, снабжено стойкой в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос, согласно изобретения, он снабжен водосбросным полиэтиленовым трубопроводом, верхняя часть которого установлена внутри измерительной емкости и трубопровод нижним концом, посредством отверстия в нижней части перегородки, соединен с дренажным колодцем, при этом подвижная труба установлена коаксиально внутри вертикального водосбросного трубопровода, сильфоном и поплавковой емкости выполненной с отверстиями в дне, в каждом из которых установлен клапан со штоком, взаимодействующим с упорным устройством в виде фланца с отверстиями, размещенного внутри измерительной емкости и соединенного с крышкой емкости, причем сильфон расположен с наружной стороны подвижной трубы и верхним концом герметично присоединен к верхней части подвижной трубы, а нижним концом - к верхнему концу вертикального водосбросного трубопровода.
Кроме того, соединение фланца с крышкой измерительной емкости выполнено с приспособлением в виде винта с указательной стрелкой, с возможностью вертикального перемещения относительно крышки измерительной емкости и снабженного винтом.
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет не только настраивать лизиметр с помощью упорного устройства в виде фланца с отверстиями на работу поплавковой емкости с отверстиями в дне, в каждом из которых установлен клапан со штоком, взаимодействующим с упорным устройством, а также увеличивает диапазон сработки уровня воды над вертикальным водосбросным полиэтиленовым трубопроводом, который фиксируется подвижной трубой с сильфоном и поплавковой емкостью в нижнем положении. При этом в верхнем положении указанные элементы, после срыва вакуума измерительная емкость опорожняется и начинается движение вверх сильфона под воздействием поплавковой емкости одновременно с подъемом уровня воды. Кроме того, это дает возможность упорный фланец перемещать путем передвижения (настройки вниз или вверх) на определенную культуру полива и поддержание из условия определенного уровня через устройство в режиме сифона со сбросом излишков воды, соответственно, поддержания уровня воды в монолите почвы в зависимости от проведения опытов на делянке с различными культурами выращивания по фазам их роста. А это возможно упростить конструкцию за счет регулирующего упорного приспособления в виде фланца с отверстиями и соединенного с крышкой измерительной емкости. Все элементы просты конструктивно в режиме срабатывания лизиметра в диапазоне различных уровней емкости монолита почвы, позволяет поддерживать автоматический режим и фиксировать работу подвижной трубы, сильфон который расположен снаружи подвижной трубы и верхним концом герметично присоединен к верхней части подвижной трубы, а нижним концом - к верхнему концу полиэтиленовой водосбросного вертикального трубопровода непосредственно в сторону дренажного колодца, поплавковая емкость закреплена также к верхней части подвижной трубы, создавая перемещение в целом. Подвижная труба расположена коаксиально внутри вертикальной части полиэтиленового трубопровода, и тем самым упрощает конструкцию лизиметра, позволяет медленно накапливать жидкость в измерительной емкости и резко запускать вертикальный трубопровод в режиме сифона под большим расходом для последующего наполнения измерительной емкости, которая гидравлически через поддон связана с емкостью монолита почвы, а в случае ее перенаполнения от полива или дождевых осадков и т.п., имеется возможность, когда через определенное время, установленное в целом одно устройство в режиме сифона, идет быстрый сброс на основе образования вакуума. А это связано с программой заданного цикла, полива емкости монолита почвы.
В таких условиях при простоте устройства в едином узле крепления всех элементов можно проводить экспресс-информацию для визуального замера уровня воды в емкости циклически при свободном автоматическом перемещении указанных элементов вместе и фиксатора упорного устройства в виде фланца с отверстиями положения винта, связанного с упорным устройством и настройки его на поддержание оптимального уровня через вертикальный водосбросной трубопровод на сброс в режиме сифон в емкости монолита почвы в зависимости от проведения опытов на делянке, а значит, повышает при простоте производительность труда и качества полученной информации при определении элементов водного баланса почвогрунтов при заполнении емкости монолита почвы. Кроме того, наличие разноцветной полосы шкалы системы индикации позволяет дополнительно допускать заданную погрешность приборов контроля ± 1,0 см и, вычислять расход, сбрасываемый в дренажный колодец посредством пластмассового трубопровода внутри, которого установлена подвижная труба с закрепленными к ней верхней части элементами, т.е. сброс воды происходит до отметки верха вертикального неподвижного трубопровода, размещенного непосредственно к уровню настройки монолита почвы в зависимости от проведения опытов на делянке. Таким образом, мерная емкость наполняется только через гидравлическую связь с монолитом почвы, а значит, точность замера расхода жидкости повышается в разы по описываемой схеме. Таким образом, можно изменить программу выдачи сброса и параметры работы устройства в режиме сифона (сильфон сжимается, емкость наполняется водой, до тех пор, пока не произойдет срыв вакуума и емкость начнет опорожняться и начинается движение сильфона вверх под действием поплавковой пустой емкости - клапан открыты).
Эти конструктивные отличия от прототипа позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого лизиметра критерию изобретения «новизна».
На чертеже показана схема лизиметра, общий вид в разрезе.
Лизиметр содержит корпус емкости 1, заполненный монолитом почвогрунта, причем емкость заполняется двумя различными водопроницаемыми слоями фильтра: верхнего, хорошо проницаемого 2 исследуемого образца почвы и нижнего слабо проницаемого 3 дна-фильтра, выполненного из геотекстильного материала, уложенного на сетку 4, перекрывающих поддон 5, который соединен гидравлически с металлической вертикальной трубой в виде емкости 6. В хорошо проницаемом 2 образце почвы размещен датчик влажности 7. Емкость 6 разделена перегородкой 8 на две неравные части: на измерительную емкость 9, а вторая часть выполнена в виде дренажного колодца 10, в нижней части перегородки 8 выполнено отверстие 11, к которому прикреплен конец вертикального водосбросного полиэтиленового трубопровода 12 выше выпускного отверстия отводящей трубы 13. Вертикальная часть водосбросного трубопровода 12 установлена внутри измерительной емкости 9. Комплект устройства также содержит подвижную трубу 14, сильфон 15, поплавковую емкость 16, упорный механизм в виде фланца 17 с отверстиями 18, размещенного внутри измерительной емкости 9 и соединенного с крышкой 19 емкости 9. Подвижная труба 14 расположена коаксиально внутри полиэтиленового вертикального водосбросного трубопровода 12. Сильфон 15 расположен снаружи подвижной трубы 14 и верхним концом герметично присоединен к верхней части подвижной трубы 14, а нижним концом - к верхнему концу водосбросному вертикальному неподвижному трубопроводу 12. Поплавковая емкость 16 закреплена на верхней части также подвижной трубы 14 с наружной ее стороны в месте крепления сильфона 15 к верхнему концу. Кроме того, поплавковая емкость 16 выполнена с отверстиями 20 в дне 21, в каждом из которых установлен клапан 22 со штоком 23. Соединение фланца 17 с крышкой 19 емкости 9 выполнено в виде винта 24 механизма подъема вверх или опускания вниз. Кроме того, верхняя часть неподвижного вертикального водосбросного трубопровода 12 установлена в мерной емкости 9 не выше чем минимального состояния УГВ от поверхности почв и влажности почвы, что зависит от периодов проведения работ, как по культурам, так и их фазам развития сельскохозяйственных культур, т.е. на данный период роста растений. Все это позволяет более полно учесть факторы, определяющие влагозапасы в почве и условия роста и развития растений, избежать неоправданных расходов поливной воды, а также обеспечить оптимальный водный режим почвы на заданной фазе развития растения и автоматизировать сброс излишков слива воды в дренажный колодец 10 с учетом узлов работы упорного механизма 17, сильфона 15, подвижной трубы 14 сферической поверхности поплавковой емкости 16 в режиме работы сифона. В дренажный колодец 10 поступает сброс воды, выданный за один период работы лизиметра для данной конкретной сельскохозяйственной культуры.
Для измерения поступившей воды (жидкости) в измерительную 9 над крышкой 19 емкости 9 закреплена отградуированная стойка 25 с возможностью размещения на ней шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений уровня в измерительной емкости 9 в заданных интервалах изменений расходов. Разноцветные светящиеся отсчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса - черной, что соответствует перемещением зафиксированного положения вертикального винта 24 вместе с которыми, перемещается упорный механизм в виде фланца 17 с отверстиями 18, в нижнюю плоскость которого упирается свободно шток 23 клапана 21, расположенного на дне 21 сферической поплавковой емкости 16 с отверстиями 20 в сторону размещения сильфона 15 с подвижной трубой 14 и закрепленной также светящиеся краской указательной стрелки 26 на винте 24.
Таким образом, состояние УГВ от поверхности почвы и влажности почвы зависит как по периодам проведения работ, так и по культурам и их фазам развития сельскохозяйственных культур, т.е. на данный период роста растений. Все элементы выполнены, подлежащие осмотру и взаимозаменяемыми при настройке.
Лизиметр работает следующим образом.
На опытной делянке, на исследуемом поле, отрывается траншея, в которой на заданной глубине 1,0…1,8 м устанавливается металлическая емкость 1 и заполняется исследуемым почвогрунтом с двумя различными водопроницаемыми слоями фильтра, т.е. верхний слой монолит почвы 2 и геотекстильный материал 3 на сетке 4, последние закреплены над поддоном 5. Поддон 5 емкости 1 соединен гидравлически посредством перетекающей трубы с вертикально установленной емкостью 6, разделенной на две неравные части: измерительную емкость 9 и дренажный колодец 10 вертикальной перегородкой 8. В перегородке 8 в нижней ее части выполнено отверстие 11, к которому прикреплен конец вертикального полиэтиленового водосбросного трубопровода 12. Это разделяет измерительную часть емкости 9 и дренажный колодец 10 между собой при отсутствии поступления воды на сброс через подвижную трубу 13, размещенную коаксиально внутри водосбросного неподвижного вертикального трубопровода 12 на момент заполнения водой поливом или дождеванием емкости 1 с монолитом почвы и накопления воды в измерительной емкости 9, где затем происходит выравнивание уровней воды между собой. Во избежание затопления лизиметр не рекомендуется устанавливать в микропонижениях и западинах. Таким образом, имеет место переход перед отводящим оголовком отводящей трубы 13.
Фильтрующая из почвогрунта вода поступает через геотекстильный материал 3, поступает в поддон 5, далее заполняет измерительную емкость 9.
При заполнении водой измерительной емкости 9 поднимается вверх поплавковая емкость 16, при этом поднимается вверх и подвижная труба 14, соединенная с сильфоном 15 (сильфон растягивается), а клапан 22 остается закрытым. После того, как шток 23 упрется во фланец 17, открывается клапан 22, поплавковая емкость 16 наполняется водой и под ее тяжестью емкость 16 начинает опускаться, при этом клапан 22 закрывается, а сильфон 15 сжимается. В начале на участке от низа фланца 17 до зоны максимального сжатия сильфона 15 у оголовка подвижной трубы 14 при нижнем ее положении имеет место сброс воды в режиме свободного истечения, а после вывода из верхней части емкости 9 воздуха на входе в трубопровод 12 образуется вакуум и в дальнейшем идет сброс в режиме сифона (сильфон 15 находится в сжатом положение, емкость 16 наполнена водой, клапан 22 закрыт). После срыва вакуума емкость 16 опорожняется и начинается движение вверх сильфона 15 под воздействием поплавковой емкости 16 одновременно с подъемом уровня воды в измерительной емкости 9. Высота сработки над трубопроводом 12 будет складываться, примерно равной с глубиной вакуума в целом высота сработки удваивается определенным расстоянием. Упорный фланец 17 перемещается путем передвижения (вниз или вверх) винта 24, с которой он соединен и фиксируется винт 24, что позволяет регулировать уровень сработки с одно стороны, а с другой стороны упорной устройство в виде фланца 17 обеспечивает открытие клапана 22 через шток 23, поскольку шток 23 длиной несколько выше бортов емкости 16. Отверстия 18 фланца 15 обеспечивают сброс воды до того момента когда будет сжат сильфон 15.
Для измерения поступившей фильтрующей воды (жидкости) в мерную емкость 9 над крышкой 19 емкости 9 закреплена градуированная стойка 25 с возможностью размещения на ней системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений уровней в измерительной емкости 9 в заданных интервалах изменений расхода. Разноцветные светящиеся отсчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса черная, что соответствует перемещением зафиксированного положения вертикального винта 24, вместе с которым перемещается упорный механизм в виде фланца 17 с отверстиями 18, а также зависят и другие связанные между собой элементы в целом, кроме неподвижного полиэтиленового вертикального водосбросного трубопровода 12 для сброса воды, а также светящиеся краской указательной стрелки 26 на винте 24.
Такая компоновка лизиметра обеспечивает упрощение его конструкции и более точное поддержание уровня в корнеобитаемом слое почвогрунта емкости при отводе фильтрационного тока воды из почвы. Далее цикл повторяется до тех пор, пока вода будет поступать из монолита почвы емкости.
Таким образом, состояние УГВ от поверхности почв и влажности почвы зависит как по периодам проведения работ, так и по культурам и их фазам развития сельскохозяйственных культур, т.е. на данный период роста растений. Все элементы просты и выполнены взаимозаменяемыми при настройке.
Преимущество предлагаемого лизиметра - упрощение конструкции, обеспечивает надежность и достаточную точность регулирования уровня воды в лизиметре с передачей сигнала для регистрации расхода на шкале стойки расхода полива или дождевания, т.е. в соответствии с потребностью растений, а значит, иметь возможность решить научно-исследовательские вопросы на составляющие баланса в целом.