[发明专利]一种不同含水量下分层土壤动态电阻特性试验方法

摘要

一种不同含水量下分层土壤动态电阻特性试验方法，包括测试系统的搭建，测试系统包括含左右铜电极的土壤箱，数字控制器和滴灌装置等可实现箱内水分的精确控制；冲击电流发生器输出端连接到分压器的高压端，分压器的高压端连接到左铜电极；右铜电极连接到冲击电流发生器的接地；还包括绝缘隔板，可将土壤箱从左至右分割为两个以上的空间；试验方法还包括土壤填充以及含水量控制、评估土壤样品在当前含水量时的电压与电流和评估土壤动态电阻特性等步骤。本发明能有效模拟接地系统周围土壤水平分层工况，可对水分含量精确控制，有利于分析分层土壤中含水量与土壤动态电阻之间的关联性。

主权项

1.一种不同含水量下分层土壤动态电阻特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤第一步：搭建不同含水量下分层土壤动态电阻的测试系统：测试系统包括土壤动态电阻测试箱(06)；土壤动态电阻测试箱(06)上壁设置有滴灌装置(09)；土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁设置有左铜电极(05)，右侧内壁设有右铜电极(07)；左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘；土壤动态电阻测试箱(06)上面板设有螺钉(02)；土壤动态电阻测试箱(06)内部含有一块以上平行于左铜电极(05)和右铜电极(07)表面的绝缘隔板(08)；土壤动态电阻测试箱(06)的左上部、右上部、左下部和右下部分别设置有第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)；土壤动态电阻测试箱(06)以外的装置包括冲击电流发生器(12)、分压器(13)、接地装置(11)、水分分析仪(14)、数字控制器(15)、电流采集模块(16)、上位机(17)、高压电缆(18)、电缆接头(03)以及铜导线(19)；其中：第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)均连接到水分分析仪(14)的输入端，水分分析仪(14)的输出端分别连接到数字控制器(15)和上位机(17)；数字控制器(15)连接到滴灌装置(09)；冲击电流发生器(12)输出端连接到分压器(13)的高压端，分压器(13)的高压端通过高压电缆(18)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05)，左铜电极(05)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁；右铜电极(07)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)右侧内壁，并通过铜导线(19)连接到接地装置(11)；冲击电流发生器(12)的接地端和分压器(13)的接地端均连接到接地装置(11)，接地装置(11)接地；分压器(13)的通信端连接到上位机(17)；电流采集模块(16)测量端连接到铜导线(19)，电流采集模块(16)通信端连接到上位机(17)；绝缘隔板(08)可竖直插入或抽出土壤动态电阻测试箱(06)，当绝缘隔板(08)插入土壤动态电阻测试箱(06)时，将土壤动态电阻测试箱(06)从左至右分割为两个以上的空间；第二步：进行土壤填充及含水量设定：拧开上面板螺钉(02)，打开土壤动态电阻测试箱(06)的上面板，依据待测试分层土壤的实际厚度比，用绝缘隔板(08)将土壤动态电阻测试箱(06)分层，分层后依次填充对应土壤样品；撤去绝缘隔板(08)，使土壤样品贴合在一起，盖住上面板，拧上螺钉(02)；通过第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)监测箱内含水量；设定试验含水量为H，若所测含水量低于误差允许下限值H_min，则数字控制器(15)控制滴灌装置(09)开启，向箱内均匀缓慢注入蒸馏水；若所测含水量达到误差允许上限值H_max，则数字控制器(15)控制滴灌装置(09)关闭；控制土壤动态电阻测试箱(06)中土壤样品含水量在设定含水量H误差允许范围内；第三步：测量土壤样品在含水量H时的电压与电流：当土壤样品所测含水量稳定在设定含水量H误差允许范围内时，开启冲击电流发生器(12)，通过分压器(13)测量左铜电极(05)和右铜电极(07)间的电压并传输给上位机(17)；通过电流采集模块(16)测量流经左铜电极(05)和右铜电极(07)的电流并传输给上位机(17)；第四步：评估土壤动态电阻特性：通过上位机得到的电压和电流，获取土壤动态电阻全时域R(t)波形曲线，并提取出电阻最小值R(t)_min、电阻最大值R(t)_max、有效电离时间Δt₁以及有效恢复时间Δt₂，计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k：式中，R(t)_min为R(t)波形曲线中电阻最小值，R(t)_max为R(t)波形曲线中电阻最大值，Δt₁表示R(t)从电阻最大值R(t)_max下降到电阻最小值R(t)_min的时间间隔；计算R(t)_min与k的复合评判因子q₁：计算R(t)_min与Δt₁的复合评判因子q₂：近似计算最小曲率半径γ：其中，式中，t_m∈[t_a+0.1,t_b)，t_a为R(t)_max对应时刻，t_b为R(t)_min对应时刻；上式表示R(t)波形曲线在下降的时间段内，从t_a+0.1时刻，每间隔0.1μs，计算各个时刻的曲率半径，由此可计算出其中最小的曲率半径；结合最小曲率半径γ计算考虑含水量的修正系数k₁：式中，H为试验含水量；计算评判余项q₃：q₃＝0.01427log(0.477Δt₁+0.504Δt₂‑38.47)‑0.0513log(R(t)_min+1.18)式中，Δt₂表示R(t)从R(t)_min上升至有效恢复电阻R(t)_eff的时间间隔；其中：R(t)_eff＝R(t)_min+0.8(R(t)_max‑R(t)_min)，R(t)_eff表示R(t)从电阻最小值R(t)_min逐渐恢复，当恢复量为80％最大下降差值(R(t)_max‑R(t)_min)时所对应的电阻值；综合上述计算，对土壤在该冲击电流与含水量下的动态电阻特性评判因数为：q＝k₁(q₁+q₂)+q₃根据动态电阻特性评判因数q的范围表征土壤动态电阻特性；第五步：不同含水量下分层土壤动态电阻特性试验：根据试验要求，设置不同含水量，并重复第三步和第四步，进行不同含水量下分层土壤动态电阻特性评估。