[发明专利]垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验方法

摘要

垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验方法，包括搭建垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验系统，系统土壤箱内壁设置有滴灌装置，左、右侧壁设置有左、右铜电极；冲击电流发生器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端；还包括绝缘隔板，当绝缘隔板插入土壤箱时，将土壤箱从下至上分割为多个空间；填充土壤并控制含水量；测量土壤样品在当前含水量百分占比H时的电压与电流；评估土壤电阻非线性特性；测评不同湿度下的土壤电阻非线性特性。本发明对土壤进行垂直分层，能有效模拟接地系统周围土壤垂直分层工况，对垂直分层土壤电阻非线性特性进行准确评价。

主权项

1.垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤，第一步：搭建垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验系统，包括土壤箱(06)；土壤箱(06)上壁设置有滴灌装置(09)；土壤箱(06)左侧壁设置有左铜电极(05)，以及控制左铜电极(05)横向移动的操纵机构(04)；土壤箱(06)右侧壁还设置有右铜电极(07)；左铜电极(05)和右铜电极(07)均为圆形，竖直方向放置；土壤箱的左上部、右上部、左下部和右下部还分别设置有第一湿度传感器(01a)、第二湿度传感器(01b)、第三湿度传感器(01c)和第四湿度传感器(01d)；其中，第一湿度传感器(01a)、第二湿度传感器(01b)、第三湿度传感器(01c)和第四湿度传感器(01d)分别连接到水分分析仪(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(18)；数字控制器(15)连接到滴灌装置(09)；还包括冲击电流发生器(12)和分压器(13)，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(19)连接到左铜电极(05)；冲击电流发生器(12)的接地端和右铜电极(07)也连接到接地装置(11)，接地装置(11)接地；分压器(13)的电压测量端连接到上位机(18)，接地端接地；电流采集模块(17)连接到上位机(18)，电流采集模块(17)测试端连接到铜导线(20)，用于测量流经左铜电极(05)和右铜电极(07)的电流；还包括一个上绝缘隔板(08)，绝缘隔板(08)可水平插入或抽出土壤箱(06)；当绝缘隔板(08)插入土壤箱(06)时，将土壤箱(06)从下至上分割为两个以上的空间；第二步：进行土壤填充并控制含水量：打开土壤箱(06)的上面板，通过操纵机构(04)控制左铜电极(05)与右铜电极(07)的间距；依据待测试土壤的厚度比，用绝缘隔板(08)将土壤箱(06)分层后填充土壤样品；撤去绝缘隔板(08)，使土壤样品贴合在一起；第一湿度传感器(01a)、第二湿度传感器(01b)、第三湿度传感器(01c)和第四湿度传感器(01d)采集的信号传至水分分析仪(14)，监测土壤箱(06)内土壤样品的含水量，水分分析仪(14)计算出平均含水量H1；设定实验含水量H0，若平均含水量H1低于设定含水量H0，则通过数字控制器(15)启动滴灌装置(09)向土壤均匀缓慢注入蒸馏水，控制土壤箱(06)中土壤样品的总体含水量百分占比H在设定值H0的允许误差范围内；第三步：测量土壤样品在当前含水量百分占比H时的电压与电流：当土壤样品的总体含水量百分占比H在设定值H0的允许误差范围内时，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(18)，通过电流采集模块(17)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(18)；第四步：评估土壤电阻非线性特性：通过上位机得到的电压和电流，获取冲击电阻全时域R(t)波形曲线，并提取出R(t)min，R(t)max，有效电离时间t₁以及有效恢复时间t₂，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，t₁表示R(t)从最大值R(t)_max下降到最小值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t₁的复合评判因子q₂：计算修正系数k₁：式中，H为含水量百分占比，γ为最小曲率半径，由下式计算：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，上式表示计算R(t)波形曲线在下降的时间段内，从t_a+0.1时刻，每次间隔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；计算评判余项：q₃＝0.01741log(0.424t₁+0.391t₂‑40.11)‑0.0627log(R(t)_min+1.322)式中，t₂表示R(t)从R(t)_min恢复到R(t)_eff的时间；R(t)_eff＝0.2R(t)_min+0.8R(t)_max，R(t)_eff表征从R(t)_min恢复80％下降差(R(t)_max‑R(t)_min)的电阻值；计算土壤在该冲击电压与水分含量下的土壤电阻非线性特性评判因数q，q＝k₁(q₁+q₂)+q₃根据q的取值范围对土壤电阻非线性特性进行表征；第五步：不同湿度下的土壤电阻非线性试验：根据试验要求，设置土壤不同湿度，并重复第三步和第四步，进行不同湿度下水平分层土壤动态电阻非线性特性评估。