Результат интеллектуальной деятельности: ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ

Уже известны приборы для определения капиллярных свойств почвы, в которых применен манометр для измерения разрежения, образующегося в заполненном водой сосуде вследствие поглощения части воды почвой, помещенной во вставленном в сосуд патроне.

Предлагаемый прибор для определения капиллярных свойств почвы относится к указанному типу приборов и имеет ту особенность, что, с целью определения, мощности капиллярного подъема воды почвой, манометрическая трубка снабжена впаянными в нее контактами, замыкаемыми ртутной каплей и включенными в цепь электродвигателя, управляющего регистрацией движения ртутной капли.

На чертеже фиг. 1 изображает общий вид предлагаемого прибора сбоку; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - электрическую схему регистрирующего устройства; фиг. 4-6 - детали прибора.

Предлагаемый прибор (фиг. 12) состоит из столика 1 для установки всего прибора, установленного на нем на подставке 2 стеклянного сосуда 3, в который во время работы с прибором наливается вода до метки HR и вставляется патрон 4. Патрон 4 на нижнем конце имеет металлическую сетку и снабжен винтовой нарезкой 5, помощью которой он ввинчивается в металлическую пробку 6 сосуда 3. Перед работой на сетку патрона кладется полотно и фильтровальная бумага и патрон 4 перед ввинчиванием в пробку 6 наполняется почвой. В пробку сосуда кроме того вставлена дважды изогнутая под прямым углом трубка 7, соединенная с прикрепленной к вертикальному щиту 9 столика 1 воронкой 8, и немного выступающая из пробки трубка 10. Нижний конец трубки 7, в целях избежания разбрызгивания и взмучивания, доходит почти до дна сосуда 3 и самая трубка снабжена у воронки двухходовым краном 11. Трубка 10 изогнута под прямым углом и присоединена к четырехходовому крану 12 (фиг. 4), прикрепленному к вертикальному щиту 9 при помощи накладки 13. Кран 12 соединен с трубками 14, 15 и 16, из которых трубка 14 присоединена к регулятору давления, трубка 15 к манометрической трубке, a трубка 16 открыта в атмосферу. Зигзагообразная манометрическая трубка 17 смонтирована на особом столике 18, который опирается на три установочных винта 19 и снабжен двумя перпендикулярно расположенными уровнями 20, 21 для приведения столика в горизонтальное положение. Трубка 17 манометра, с целью предохранения ее от нагревания и охлаждения, помещена в эбонитовой пластине 22 (фиг. 5) таким образом, что эбонит покрывает трубку со всех сторон, кроме верхней лицевой стороны.

Манометрическая трубка 11 снабжена двумя расположенными на эбоните шкалами: одна шкала градуирована в кубических сантиметрах (через 0,01 см³), а другая - в граммах, соответствующих количеству всасываемой почвой воды. На каждом делении, отмечающем 0,1 см³, в трубку 17 впаяны контакты а и внутри ее помещена капля b ртути, служащая для замыкания цепи электромагнита регистрирующего устройства. Конец манометрической трубки 17 соединен с трубкой 23, присоединенной к трехходовому крану 24, прикрепленному к щиту 9 и соединенному с трубками 25, 26, из которых трубка 25 соединена с резервуаром 27 манометра, а трубка 26 открыта в атмосферу. Резервуар 27 манометра помещен внутри сосуда 28, установленного на подставке 29 и являющегося для резервуара 27 термостатом. В резервуар 27 и сосуд 28 вставлены термометры 29, 30, сосуд 28 снабжен выходным отверстием с краном 31. Для приведения ртутной капли в нулевое положение трубка 14 соединена с регулятором давления, состоящим из воронки 32 с краном 33, вставленной в пробку резервуара 34, соединенного через заполненный серной кислотой поглотитель 35 с с трубкой 14. Резервуар 34 соединен с выпускной трубкой, снабженной зажимом Мора 36.

Работа регулятора давления сводится к следующему. В том случае, когда ртутная капля b находится на каком-то делении от нуля, а требуется привести его в нулевое положение, то из воронки 32 при помощи крана 33 по каплям в резервуар 34 спускается вода. Зажим Мора 36 закрыт, а выходное отверстие 26 крана 24 открыто. Вытесненный воздух из резервуара 34 через поглотитель 35 с серной кислотой и трубки 14 и 15 (они сообщаются при помощи крана 12) проходит в зигзагообразную трубку 17 манометра и давит на ртутную каплю b и последняя приходит в нулевое положение. В это время краны 12 и и 24 закрываются. Если же каплю нужно передвинуть в обратную сторону, то краны 12 и 24 открываются, трубка 16 и кран 33 закрыт, вода из резервуара 34 через зажим Мора 36 сливается по каплям в подставленный стакан. Вследствие разреженности воздуха в резервуаре 34 капля b опять приходит в нулевое положение и краны 12 и 24 закрываются.

Регистрирующее устройство (фиг. 1, 3) состоит из ящика 37, служащего подставкой для столика 18 и снабженного стеклом для наблюдения. Внутри ящика помещены часовой механизм 38 с роликом для бумажной ленты 39 и ролик 40 с пружиной для наматывания бумажной ленты, а кроме того, электромагнит 41 с якорем 42. Якорь представляет собой рычаг, на конце которого имеется пишущее приспособление 43, находящийся под действием пружины 44. Электромагнит включен в цепь аккумулятора с последовательно включенной контрольной лампой и замыкаемой через контакты в манометрической трубке 17.

Работа регистрирующего устройства заключается в следующем. Пускается в работу часовой механизм на все время опыта. Бумажная лента, двигаясь на роликах равномерно, в единицу времени проходит равные отрезки пути. Эти отрезки пути градуируются в единицах; времени - в минутах и часах. Когда идет всасывание воды, ртутная капля b доходит до контактов а (фиг. 3), электроцепь через ртуть замыкается. Ток от аккумулятора через цепь и контрольную лампочку проходит через обмотку электромагнита. Стержень электромагнита намагничивается и притягивает конец якоря, в это время пишущее перо прижимается к бумаге и пишет на ней линию. Когда капля b пройдет контакты а, цепь размыкается, лампочка тухнет, стержень электромагнита размагничивается и пружина приводит якорь в прежнее положение. Перо от бумаги открывается и на бумаге остается пунктирная линия. Чем быстрее будет передвигаться ртутный мениск в манометрической трубке, тем короче будет получаться пунктирная линия. Таким образом, пишущее перо записывает скорость движения мениска в единицах времени, причем длина пунктирной линии обратно пропорциональна скорости движения мениска в сантиметрах, а скорость движения мениска (в сантиметрах) прямо пропорциональна количеству поднятой воды на 1 см² в патроне 4. Следовательно количество поднятой воды Н на 1 см² в единицу времени прямо пропорционально скорости движения мениска, но обратно пропорционально времени t, в течение которого это количество поднялось (длине пунктирной линии мениска).

Предлагаемый прибор может быть использован на образцах с нарушенной структурой (насыпные) и без нарушения структуры.

В том случае, когда производится работа с насыпной почвой, то почва насыпается в стеклянный патрон (фиг. 1, 6) высотой 100 см. Нижний конец патрона имеет металлический, из алюминиевой бронзы, наконечник с винтовой нарезкой на внешней стороне, при помощи которой патрон ввинчивается в металлическую пробку 6. Дно металлического патрона площадью 10 см² имеет сетку, на которую кладется полотно и фильтровальная бумага. Патрон наполняется почвой при помощи широкогорлой воронки при легком постукивании. Когда работа производится с образцами почвы без нарушения структуры, то пробы для опыта берутся в поле буром со вставным металлическим патроном высотой 20 см и площадью поперечного сечения 10 см². Патрон в нижней своей части имеет винтовую нарезку. Сетка, как и в стеклянном патроне, имеет металлический ободок, которым она надевается на нижнюю часть патрона до винтовой нарезки. Как в том, так и в другом случае патроны перед опытом ввинчиваются в металлическую пробку 6 на ²/₃ винтовой. нарезки, т.е. на см патрон не доходит до метки HR. После этого сосуд 3 при помощи крана 12 сообщается с атмосферой и при помощи воронки в сосуд наливается вода до метки HR (почва к воде не прикасается). Затем по уровням 20, 21 устанавливается в горизонтальное положение столик 18 и устанавливается, при помощи регулятора, капля ртути в нулевое положение. Когда капля ртути приведена в нулевое положение, резервуар 27 при помощи крана 24 сообщается с атмосферой (кран 24 соединяет трубки 25 и 26) и производится запись показаний барометрами термометров 29 и 30. После этого кран 24 устанавливается в рабочее положение, сообщаются зигзагообразная трубка 17 и манометрический резервуар 27, входное отверстие 17 закрыто. Кран 12 устанавливается в холостое положение. Быстро ввинчивается патрон до отказа; почва опускается в воду на 0,75 см и кран 12 устанавливается в рабочее положение (трубки 10 и 15 сообщаются). В этот же момент пускается часовой механизм (при помощи рычага) и включателем замыкается цепь. Когда прибор пущен в работу, первое время ведутся наблюдения за исправностью работы и записываются показания капли, отмечается время, в течение которого мениск пройдет нулевое деление, а потом деление 0,1 см³ и т.д. Последующие наблюдения производятся периодически за контрольно-сигнальной лампочкой и записями хронографа. Вследствие начавшегося всасывания воды почвой, в сосуде насытителя создается разреженное воздушное пространство. Уменьшенное давление передается на каплю b и капля начинает передвигаться по зигзагообразной трубке 17.

Пока мениск проходит нулевое деление с контактами, электроцепь замкнута и пишущее перо 43 хронографа на градуированной бумаге пишет пунктирную линию. Когда мениск пройдет нулевое деление, контакты а нулевого деления разъединяются, электроцепь размыкается, якорь 42 при помощи пружины 44 приводится в старое положение и пунктирная линия обрывается. Когда капля дойдет до следующего деления 0,1 см³, цепь вновь замыкается и на бумаге получается пунктирная линия. Запись отрезков пунктирной линии на каждой десятой доле кубического сантиметра производится все время, пока идет всасывание воды и передвижение мениска. Почвы крупнозернистые (песчаные), имеющие крупные поры, в начале опыта будут давать очень короткие пунктирные отрезки (всасывание воды быстрое), но запись пунктирных линий быстро прекратится. Почвы мелкоземлистые (глинистые) в начале опыта относительно первых будут давать более длинные пунктирные отрезки, продолжительность записи будет большая. Как в том, так и в другом случае, в начале опыта, пунктирные отрезки будут, короче, чем в конце опыта (в начале опыта всасывание энергичнее, чем в конце). Так как движение ртутного мениска происходит вследствие разрежения воздуха в резервуаре 3, то при передвижении капли b на 1 см (длина капли), давление в резервуаре уменьшается всегда на одну и ту же величину, а следовательно, в почву, в патроне, поступают равные объемы (количества) воды, но в разные промежутки времени, в зависимости от характера почвы. Поэтому для прибора устанавливается постоянное число Q, соответствующее количеству поднятой воды единицей площади в единицу времени, при условии, что капля b в эту единицу времени проходит 2 см (через точку, обозначающую десятое деление см³, проходит вся длина ртутного мениска в 1 см).

Для почвы различного механического и структурного состава и с различной влажностью время, в течение которого будет подниматься количество воды, Q будет весьма различным; оно будет также различным в начале и конце опыта у одной и той же почвы. Поэтому, если нам известно Q (как постоянная величина) и время t, необходимое для поднятия этого количества воды какой-либо почвой, то можно высчитать мощность капиллярного поднятия воды данной почвой H в данный момент исследования:

т.е. чтобы определить мощность капиллярного подъема воды почвой (количество поднятой воды в единицу времени на единицу площади), нужно постоянное число прибора Q разделить на время t, в течение которого это количество воды поднялось.

Так как опыты с капиллярностью почвы весьма длительные (сутки и более), то для удобства наблюдений в приборе смонтирован хронограф, записывающий отрезки времени, необходимые для поглощения количества воды Q разными почвами.

Если экспериментально (путем взвешивания) установлено количество воды Q′, поглощаемое за известный промежуток времени t′, то дальнейшее изучение динамики мощности капиллярного поднятия воды почвой можно проводить при помощи манометра.

Расчеты мощности капиллярного поднятия для данной почвы ведутся на основании обратно пропорциональной зависимости между количеством поднятой воды и временем. Тогда

отсюда

или, имея обратную пропорциональность

Q′t′=Ht=K(const),

отсюда

Если в формулах (2) и (3) t′ равно единице, тогда Q′ равно Q, а в формуле (3) K=Q, тогда формулы (2) и (3) преобразуются в формулу (1)

Поэтому, пользуясь одной из этих формул, при помощи манометра можно определять количество поднятой почвой капиллярной воды на 1, га в единицу времени (мощность), а следовательно, изучить динамику капиллярного поднятия воды в разных генетических горизонтах различных почв.

Пользуясь прибором, по показаниям ртутного мениска в зигзагообразной трубке можно определить общее количество капиллярной воды, поднятой почвой за все время наблюдения, а следовательно, определить капиллярную влагоемкость и капиллярную порозность испытуемой почвы (1 см³ воды весит 1 г).

Кроме определения мощности капиллярного поднятия воды и капиллярной порозности, при помощи капилляр - манометра можно определить водоподъемную силу испытуемой почвы.

Имея до опыта определенный объем V воздуха в приборе и соответствующее ему атмосферное давление Р (показание барометра), на основании закона Бойля-Мариотта можно написать

VP=V′·P′=K(const)

отсюда

а так как изменение давления в приборе происходит за счет водоподъемной силы, то

где ƒ - водоподъемная сила.

Определение водоподъемной силы представляет теоретический интерес для эмпирических расчетов работы, производимой молекулярным сцеплением частиц почвы с водой и мощности этого сцепления, характеризующих механические свойства различных почв, что имеет существенное значение в вопросах механической обработки почвы при исследовании коэфициентов трения. По данным Schachbasian коэфициенты представлены в следующем виде:

Из таблицы видно, что во всех случаях коэфициенты трения во влажной почве выше, чем в сухой. Кроме того, коэфициенты трения во влажной почве увеличиваются с уменьшением диаметра частиц, т.е. с увеличением поверхности частиц, когда силы сцепления растут,

Проф. С.П. Кравков из этого делает такой вывод "когда почва находится во влажном состоянии, то коэфициент трения тем больше, чем мелкоземлистее почва, наоборот, когда она суха, то этот коэфициент, по мере уменьшения почвенных частиц, уменьшается. Поэтому исследование водоподъемной силы, характеризующей молекулярное сцепление почвенных частиц м воды, а следовательно, определение работы этих частиц и мощности их имеет как научное, так и производственное значение".

Прибор может быть использован:

1. Для изучения капиллярности различных материалов при экспериментальных и производственных работах.

2. Для определения мощности капиллярного поднятия воды в различных грунтах при строительных работах.

3. Как учебное оборудование при исследовании мощности капиллярного поднятия воды и капиллярной порозности почв во время лабораторных работ.

4. Как лабораторное оборудование при манометрическом методе исследования мощности капиллярного поднятия воды, капиллярной порозности, капиллярной (относительной) влагоемкости и водоподъемной силы в различных почвах и в различных генетических горизонтах одной и той же почвы, в зависимости от механического и химического состава, а также и влажности этих почв.