可调内置U型管空气水银张力计研制

　　引言

　　水银张力计是土壤水分研究和测定中常用的仪表,具有测量准确、制作简单、装配方便等优点。常规的水银张力计是一种外置U型管水银张力计,U型水银柱与张力计主管之间是分开的,两者之间由一根连通软管连接,因此,携带且在田间埋设均不方便。水银在U型细玻璃管中,玻璃管固定在木板上,暴露在外,易受到外力碰撞破碎,导致剧毒的水银泄漏,很不安全。另外,常使用的表式张力计也存在价格较高,长期使用后有表针反应迟钝,误差大等缺点。

　　类似的内置U型管空气水银张力的计空气柱是预封不可调的[1],它是以牺牲测量精度为代价的。本文介绍的内置U型管空气水银张力计综合了水银压力计式负压计、空气膨胀式负压计[1]和气传感式负压计[2]的各自特点进行设计,并通过将U型水银管装配到张力计主管内,与可调空气柱相结合使长度降低,而且在低吸力状态可通过打开气柱开关保持常规张力计的测量精度,因此,本器械具有携带、埋设方便,不易漏气,U型管不易破碎,使用安全而且能保持测量精度等优点。

　　1　设计原理

　　1.1　空气水银张力计的长度与气柱长度的关系

　　常规水银张力计的水银最大注入量以能形成76cm的汞柱高差,要求玻璃U型管长度在76 cm以上。而完全由封闭空气形成的空气膨胀式张力计则随着负压增加,压力计的长度也要迅速增长,因此,二者在田间应用均不方便。本设计通过水银柱与空气柱结合,可将张力计U型玻璃管长度降至46 cm,甚至更短。

　　76 cm U型管的普通张力计,其单边气柱长度和水银柱长度均为38 cm,水银面上升的最大高度也为38 cm(自零位算起,水银高差为上升高度的两倍,后同)。如果把U型管一端的气柱封住,水银柱可上升的最大高度为23.49 cm,如果U型管内所封的气柱越来越小,水银面能上升的最大高度也越来越小,其变化如图1所示。从图1可知,当气柱缩短时,水银上升的最大高度的减小速度小于气柱减小速度,在气柱高度下降到19 cm时与水银上升最大　高度重合,如果希望继续以减小气柱的长度来缩短U型管,则水银在上升到最大高度时,将溢出U型玻璃管。因此,19 cm气柱是零位封气(把两边管口相平的U型玻璃管在管口敞开、水银面处于零位状态时进行的封气称为零位封气)的最短气柱,这时,当土壤负压降低到1个大气压时,水银柱上升的零位距离也是19 cm。由于U型玻璃管顶部有导压囊、密封盖及气阀等器件,其合计高度为6 cm左右,因此,实际气柱的最短长度定为25 cm,此时,负压为 1大气压水银柱上升的最大高度为20.76 cm,两者合计,U型玻璃管最小零位封气长度为46 cm左右, 也即张力计的U型玻璃管长度需要46 cm。这一长度可以比普通的U型玻璃管76 cm减少了30 cm,从而大大方便了田间操作。