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.
Известен лизиметр, включающий в себя емкость с монолитом почвы, связанный через клапан с питающим устройством, имеющим самописец уровня воды с поплавковым приводом (Авторское свидетельство SU №298887, G01N 33/24 от 16.03.1971).
Недостатком данного устройство является то, что не обеспечивает измерения искомых параметров при переменном уровне в емкости синхронно с изменяющимся уровнем грунтовых вод. Кроме того, оно слишком сложное для полевых лизиметров опытных делянок, исследования по изучению научно-обоснованных параметров агрохимической мелиорации на деградированных почвах, например, в условиях лизиметрических опытов, когда необходимо использовать полив или дождевание. Другим недостатком является то, что он сложен в работе, а это приводит к занижению показателей инфильтрации.
Известны лизиметры SU: №№889015, A01G 25/02, 1513400, G01N 33/24; 763794, G01N 33/24; 423106, G05D 9/00; 1004986, G05D 9/00; 1052198, A01G 25/16; 1681781, A01G 25/16.
Однако данные устройства характеризуются недостаточной точностью измерения и большой инерционностью из-за применения поплавков на электроприводе и т.п.Кроме того, сложность конструкции из-за дополнительного колодца, невозможность искусственного изменения уровня грунтовых вод. При этом необходимо менять уровень не монотонно, а ступенчато, учитывая рост растений по фазам развития.
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 в виде проема, перекрываемого щитком, снабженным устройством для сброса воды в виде сифона, нисходящая ветвь которого выведена в дренажный колодец в сторону оголовка отводящего закрытого коллектора, 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, при этом лизиметр снабжен дренажной трубкой с регулируемым клапаном, один конец которой герметично пропущен через щиток в нисходящую ветвь сифона и направлен вверх к его колену, а второй - в мерную емкость и расположен ниже восходящей ветви сифона, восходящая ветвь устройства в виде сифона снабжена Г-образным рычагом, в средней части которого шарнирно закреплен двуплечий рычаг, на одном плече которого закреплен запорный орган, а на другом плече - поплавок (Патент RU №2642261, G01N 33/24, G05D 9/00 от 24.01.2018).
Недостатком устройства, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому лизиметру, заключается в том, что он обеспечивает объем сброса воды через сифон, при этом небольшая часть потока жидкости, набегающая на конец дренажной трубки, расположенной внутри сифона, поступает в мерную емкость, т.е. удлиняет процесс быстрого отвода воды из мерной емкости. Кроме того, сама дренажная трубка увеличивает сопротивления для жидкости, вытекающей из нисходящей ветви сифона -создает сопротивлению для свободного истечения жидкости в дренажный колодец. При этом на момент зарядки работы полным сечением сифон через гребень, несколько удлиняет время его работы, а значит, имеет место запаздывания процесса полного сброса жидкости в дренажный колодец. Причем даже в случае, если начинается перелив жидкости через гребень сифона, то отток (отсасывание) жидкости имеет место замедленного действия с захватом воздуха, поступающего вместе с жидкостью, следствием чего пропускная способность несколько уменьшается по происшествии замедленного начала действия сифона, т.е. использование замкнутой гидравлической системы для управления выпуска жидкости клапаном дренажной трубки усложняет конструкцию для стабилизации заданного расхода при сифонном выполнении всасывающей ветви (восходящей ветви) сифона.
Технической задачей является упрощение конструкции и выполнение возможности повышения надежности работы устройства, и изменения этим путем величины подачи сигнала на включение эжектора для отсасывания скопившейся в гребне сифона воздуха.
Получение указанного технического результата обеспечивается тем, что заявленный лизиметр, включает 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 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 вертикально 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, согласно изобретения, нисходящая ветвь сифона в дренажном колодце снабжена внутри телескопическим сбросным патрубком, который имеет выходное колено, выходное отверстие которого направлено вверх, колено расположено в дренажном колодце 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 посредством эжектора выше конца 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.
Кроме того, восходящая ветвь сифона имеет на конце калиброванное отверстие, сообщенное с измерительной емкостью.
Кроме того, полость дренажного колодца сообщена с атмосферой через трубку -датчика, верхний конец который связан с эжектором, а нижний конец находится на уровне конца сливной нисходящей ветви сифона.
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет не только настраивать лизиметр с помощью настройки фиксатора положения с винтом в виде вертикального стержня щитка, размещенного в направляющих рамки, закрепленной в перегородке в щитке, с отверстием, в котором закреплено колено сифона, но нисходящая ветвь сифона снабжена пусковым устройством эжектора всасывающий воздух из полости сифона в атмосферу через трубку-датчика, расположенную в дренажном колодце, но при этом эжектор соединен с трубкой-датчиком уровня жидкости, которая закреплена на восходящей ветви сифона, через отверстие, выполненное в боковой стенке перегородки, в щитке со стороны измерительной емкости. Причем расположение сбросного телескопического патрубка с коленом, который направлен вверх в потоке дренажного колодца приводит к его затапливанию и, к исключению доступа атмосферного воздуха снизу, так как оно погружено ниже уровня дна сбросной дренажной трубы (коллектора), имеющей положительный уклон дна в сторону движения жидкости (воды), в которой давление ниже, чем в сифоне, работающем при зарядке его с относительно большим расходом через сифон, следствием чего пропускная способность резко увеличивается.
Таким образом, при повышении уровня в измерительной накопительной емкости трубка-датчик подает сигнал на включение эжектора, который отсасывает скопившейся в сифоне воздух. При этом это дает возможность вертикально и свободного перемещения вертикального фиксатора положения винта и настройки на поддержание оптимального уровня через сифон в емкости монолита почвы в зависимости от проведения опытов на делянке и с применением культуры выращивания на ней, т.е. многолетние травы, зерновые, картофель и т.п. Данная связь с переходными процессами самого сифона, в частности, когда нисходящая ветвь сифона обхватывает внутри сбросной телескопический патрубок, который зафиксирован в стенке дренажного колодца ниже конца нисходящей ветви при нижнем положении сифона в измерительной наполняемой емкости. Все элементы сифона в режиме срабатывания трубки-датчика и эжектора в диапазоне различных уровней емкости монолита почвы, позволяет поддерживать автоматический режим и фиксировать положение сифона, с его элементами создавая перемещение фиксатора при помощи винта, вместе с которым перемещается сифон, трубка-датчик, эжектор и воздушная трубка-датчик в полости дренажного колодца, при этом сбросной телескопический патрубок с коленом постоянно остается в одном вертикальном положении в дренажном колодце, и тем самым упрощает конструкцию лизиметра, позволяет медленно накапливать жидкость в измерительной емкости и резко запускать сифон под большим расходом для последующего наполнения измерительной емкости, которая гидравлически через поддон связана с емкостью монолита почвы, в случае ее перенаполнения от полива или дождевых осадков и т.п.Имеется возможность, когда через определенное время установленный сифон на перегородке, щитке срабатывает по программе заданного цикла полива емкости монолита почвы. Горизонт жидкости в измерительной емкости падает ниже отметки конца восходящей ветви, при этом калиброванное отверстие на входе восходящей ветви сифона обеспечивает надежную отсечку расхода сифона 8 конце понижения уровня жидкости в измерительной емкости при большом диапазоне изменения поступления при гидравлической связи через поддон с емкостью монолита почвы.
В таких условиях при простоте устройства можно проводить экспресс-информацию для визуального замера уровня воды в емкости циклически при свободном перемещении вертикального фиксатора положения винта и настройки на поддержание оптимального уровня через 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 сифона, когда нисходящая ветвь с эжектором, сбросным телескопическим патрубком с коленом и воздушная трубка-датчика в полости дренажного колодца, далее в отводящую трубу (коллектор). Таким образом, мерная емкость наполняется только через гидравлическую связь с монолитом почвы, а значит, точность замера расхода жидкости повышается в разы.
Эти конструктивные отличия от прототипа позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого лизиметра критерию изобретения «новизна».
Автору не известны конструкции лизиметра аналогичной конструкции, поэтому он считает, что предложенное техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
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 сверху поддон 5, который соединен гидравлически с металлической вертикальной трубой в виде емкости 6. В хорошо проницаемом 2 образце почвы размещен датчик влажности 7. Вертикально установленная емкость 6 разделена на измерительную накопительную емкость 9 и дренажный колодец 10 перегородкой 8, и в средней части которой выполнено отверстие 11 в виде проема. Отверстие перекрывается подвижным щитком 12 с механизмом подъема в виде винта 13 размещенного в направляющих 14, закрепленных в перегородке 8. В средней части перекрываемого щитка 12 выполнено отверстие, через которое пропущено устройство в виде сифона 15, закрепленного к подвижному щитку 12. Колено сифона 15 закреплено внутри отверстия 11 в щитке 12, выполненное с возможностью фиксированного перемещения относительно отверстия 11 в перегородке 8.
Нисходящая ветвь сифона 15 содержит внутри телескопический патрубок 16, закрепленный нижним концом к боковой стенке дренажного колодца 10, и нисходящая ветвь сифона 15 установлена с возможностью перемещения относительно неподвижного сбросного патрубка 16, который имеет выходное колено 17, в дренажном колодце 10 ниже выпускного отверстия отводящей трубы 21 (коллектора). Восходящая ветвь сифона 15, имеющая на конце калиброванное отверстие 18, сообщена с мерной накопительной емкостью 9 через трубку-датчик 19. Лизиметр содержит также механизм запуска сифона 15, который состоит из трубки-датчика 19 уровня жидкости в мерной накопительной емкости 9, эжектора 20, активное сопло которого присоединено к трубке-датчика 19 подающей воду из измерительной емкости 9 в сторону нисходящей ветви сифона 15 в дренажный колодец 10. Конец трубки-датчика 19 уровня жидкости расположен на одном уровне конца подвижной нисходящей ветви сифона 15 с возможностью одновременно вертикального перемещения вместе с сифоном 15 вверх или вниз, не доходя оголовка отводящей трубы 21.
Нисходящая ветвь сифона 15 имеет возможность фиксированного перемещения вместе с трубкой-датчиком 19 относительно закрепленного к стенке дренажного колодца 10 через уплотнение телескопического сбросного патрубка 16 с коленом 17, затапливая колено 17 патрубка 16, который установлен ниже уровня оголовка дна отводящей трубы 21. Все элементы выполнены съемными и взаимозаменяемыми при настройке. Таким образом, нисходящая ветвь сифона 15 в верхней части сифона имеет механизм запуска сифона 15 выполненный в виде соединенных между собой трубки-датчика 19 уровня жидкости и эжектора 20, причем трубка-датчик 19 сообщена с одной стороны – с находящейся в измерительной емкости 9 восходящей ветвью сифона 15 через отверстие, выполненное в боковой перегородке 8 щитка 12, а  с другой стороны – с помощью дренажного колодца 10 посредством эжектора 20 выше конца телескопический патрубок 16 жестко зафиксирован в боковой стенке дренажного колодца 10. Нисходящая ветвь сифона 15 имеет возможность фиксированного перемещения посредством винта 13 относительно закрепленного к стенке дренажного колодца 10 телескопического сбросного патрубка 16. Полость дренажного колодца 10 связана с атмосферой через отверстие 25 в крышке 22, что позволяет выходить воздуху при сливе поступающей воды через эжектор 20 из трубки-датчика 19 в сторону нисходящей ветви сифона 15, конец которой расположен на уровне конца нисходящей ветви сифона 15 при его перемещении вверх или вниз.
Мерная емкость 9 является основной деталью лизиметра. Она объединяет нисходящую ветвь, имеющее на конце калиброванное отверстие 18, трубку-датчика 19 с эжектором 20 и остальные детали и, служит для сброса излишков воды в дренажный колодец 10, в котором размещен сбросной телескопический патрубок 16 с коленом 17 с отводящей трубой 21. Изменение выполнение механизма запуска в виде трубки-датчика 19, эжектора 20 и дренажного колодца 10 позволяет медленно накапливать воду в измерительной емкости 9, в которую жидкость гидравлически поступает из емкости 1, заполненной монолитом почвогрунта 2 и, зависящей от его проницаемости, фильтра 3, выполненного из геотекстильного материала и, затем резко запустить сифон 15 под большим расходом для сброса в дренажный колодец 10, выданный за один период работы лизиметра для данной конкретной сельскохозяйственной культуры. При этом калиброванное отверстие 18 обеспечивает надежную отсечку расхода сифона 15 в конце опорожнения до заданного уровня в измерительной емкости 9 в случае большого диапазона изменения подводимого через гидравлическую связь из емкости 1.
Подвижный щиток 12 с механизмом подъема в виде винта 13, размещенного в направляющих 14, закрепленных в перегородке 8 с сифоном 15, который объединяет все остальные детали на восходящей ветви и нисходящей ветви устройства в виде сифона 15 со сбросной телескопической трубкой 16 с коленом 17, последний в начале заполняется жидкостью из трубки-датчика 19 через эжектор 20, являются регулируемыми в целом для работы сифона 15.
Для измерения поступившей фильтрующей воды (жидкости) в мерную емкость 9 над крышкой 22 емкости 6 закреплена градуированная стойка 23 с возможностью размещения на ней системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений уровней в мерной 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 13, вместе с которым перемещается щиток 12, сифон 15 и все другие его связанные между собой элементы в целом, кроме стационарно закрепленного сбросного телескопического патрубка 16 с коленом 17 для сброса воды, а также светящиеся краской указательной стрелки 24 на винте 13.
Следует отметить, что крышка 22 на дренажном колодце 10 имеет воздушное отверстие 25 для сообщения полости дренажного колодца с атмосферой, что связано с выпуском воздуха, подключенного к эжектору 20 трубки-датчика 19 для удаления воздуха из сифонной подающей ветви, которая содержит трубку-датчик 19, и поступления в полость дренажного колодца 10 воздуха.
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 выполнены съемными 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: мерную емкость 9 и дренажный колодец 10 вертикальной перегородкой 8. В перегородке 8 в средней части выполнено отверстие 11. Проем перекрывается подвижным щитком 12 с сифоном 15 со связанными между собой его элементами. Это разделяет мерную часть емкости 9 и дренажный колодец 10 между собой при отсутствии работы сифона 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 лизиметра не рекомендуется устанавливать в микропонижениях и западинах. Таким образом, имеется перепад перед отводящим оголовком отводящей трубы 21.
После достижения определенного уровня свободной поверхности воды (жидкости), излишняя вода из емкости 1 монолита почвогрунта 2 медленно поступает гидравлически посредством перетекающей трубы в вертикально установленную емкость 6. При достижении уровня воды в измерительной емкости 9 к уровню всасывающей части трубки-датчика 19, диаметр которой соизмерим для перетекания воды, она при любых незначительных величинах подводимого расхода запускается как сифон, сливая воду в полость дренажного колодца 10, затем затапливает колено 17 телескопического патрубка 16, далее и сливной части нисходящей ветви подвижного сифона 15, так как нисходящая ветвь сифона 15 может перемещаться по сбросному телескопическому патрубку 16 с коленом 17 и закрепленного последнего к боковой стенке дренажного колодца 10. После затопления колена 17 вода, проходя через эжектор 20, всасывает воздух из полости сифона 15 и сбрасывает в полость дренажного колодца 10, при этом воздух перемещается в нем вверх и выходит через отверстие 25 в крышке 22 в атмосферу наружу, вследствие чего в полостях сифона 15 создается разряжение и он запускается в работу. Таким образом, из сифонного механизма всасывающей трубки-датчика 19, которая содержит эжектор 20 активное сопло, которого дальше подключено к продолжению вниз к трубке-датчика 19 параллельно нисходящей ветви сифона 15 в дренажном колодце 10, т.е. эжектор 20 отсасывает скопившейся в сифоне 15 воздух. Уровень в восходящей ветви сифона 15 при этом поднимается до его гребня, и сифон включается с относительно большим расходом через сифон 15 в дренажный колодец 10 и, далее в отводящую трубу 21. А затопление колена 17 телескопического патрубка 16 приводит к исключению доступа атмосферного воздуха снизу, так как оно погружено ниже уровня в дренажном колодце при выходе в отводящую трубу 21, имеющей положительный уклон дна в сторону движения воды, в которой давление ниже, чем в работающем сифоне 15, на величину
р
где С - коэффициент понижения давления, зависящий от формы и размеров выходного колена 17 патрубка 16; ρ - плотность жидкости; V - средняя скорость движения жидкости перед выходным коленом 17 патрубка 16, воздух из дренажного колодца 10 через отверстие 25 в крышке 22 поступает в атмосферу, а также часть его поступает в придонные слои потока с объемным расходом
, где μ - коэффициент расхода телескопического патрубка;
а
ω - площадь поперечного сечения телескопического патрубка; Р - плотность воздуха и выносится вместе с потоком воды из измерительной емкости 9 в виде мелких пузырьков, что исключает напорный режим в отводящей трубе 21 и гидравлический удар. Таким образом, даже в случае, если в верхней части происходит отток (отсасывание) воды через трубку-датчик 19 с эжектором 20 работа как сифон с захватом воздуха, поступающего вместе с водой, следствие чего, в общем, его пропускная способность резко увеличивается. В дальнейшем циклы относительно медленного наполнения измерительной емкости 9 и быстрого ее опорожнения до начала конца восходящей ветви с калиброванным отверстием 18 обеспечивает надежную отсечку расхода сифона 15 в конце заданного опорожнения уровня в замерной емкости 9, даже при большом диапазоне изменения расхода, поступившего из емкости 1 монолита почвогрунта.
Таким образом, мерная емкость 9 имеет начальный один отток (сброс) воды через трубку-датчик 19, далее через сифон 15, а значит уровень свободной поверхности воды, достигнув гребня сифона 15, поступает через нисходящую ветвь в дренажный колодец 10.
Влажность почвы измеряют датчиком влажности 7, а положение воды в емкости 1 определяют наличием емкости 6 с элементами контроля, установленными в ней.
В зависимости от того какая культура выращивается на опытной делянке с испытуемым полем, какой необходимо поддерживать уровень в емкости 6 относительно емкости 1, винт 13 щитка 12, сифон 15, трубка-датчик 19 на восходящей ветви, эжектор 20 с продолжением вниз трубки-датчика 19 в дренажном колодце 10 относительно нисходящей ветви, последняя может перемещаться по телескопической трубке 16 с коленом 17, которая закреплена жестко к боковой стенке дренажного колодца 10, указатель стрелки 24, должны иметь возможность перемещения и фиксации с винт-гайкой над крышкой 22. Таким образом, наличие винта 13 позволяет задавать поднятие всего устройства или его опускания в целом.
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 на развитие каждой фазы растения, т.е. в соответствии с потребностью растений. Кроме того, изобретение существенно повышает надежность работы устройства, обеспечивая автоматическое удаление воздуха из сифона, что способствует повышению эффективности работы всего сифона.