用于土壤机械组成测定的自动搅拌装置系统设计

周团坤，张 尼，张 莹，姚谷敏

（西安西北有色地质研究院有限公司，西安710054）

自然土壤的矿物质都是由大小不同的土粒组成的，各个粒级在土壤中所占的相对比例或质量分数，称为土壤机械组成，也成为土壤质地。土壤机械组成不仅是土壤分类的重要诊断指标，也是影响土壤水、肥、气、热状况，物质迁移转化及土壤退化过程研究的重要因素，还是土壤地理研究、与农业相关的土壤改良、土建工程和区域水分循环过程等研究的重要内容[1]。

土壤机械组成的测定方法主要有筛分法、沉降法以及激光法等[2]，其中激光法是一种比较新的方法，通过光的Fraunhofer 衍射和Mie 散射理论，采用激光粒度仪测定土壤样品中各粒级颗粒体积的百分含量，相较于筛分法与沉降法，激光法有测量快速、测定范围广、相对误差小等优势，但是，激光法在测定黏粒含量较高的土壤样品时偏差较大[3-5]。

目前，国内土壤机械组成测定标准方法中，均采用筛分法和沉降法。环保部标准测定方法是将通过2 mm 筛孔的风干土样制成悬浊液，粒级大于0.063 mm的颗粒由一定孔径的筛子筛分，小于0.063 mm 的颗粒依据斯托克斯定律，采用吸管法或者密度计（比重计）法测定，根据各粒级质量计算其百分含量[6]。在测定前，需要将制成的悬浊液充分搅拌分散，目前常用的是人工搅拌方式，使用搅拌器垂直搅拌悬浊液1 min，上下各30 次。但是采用人工搅拌方式，操作人员搅拌时的次数、力度、行程等难以统一控制，从而造成样品搅拌分散效果不一致，且在大批量样品测定时，劳动强度大，检测效率低。基于此，本文提出了一种自动搅拌装置，代替人工搅拌方式，避免人工操作引入的误差，改善土壤样品搅拌分散效果的一致性，从而提高土壤机械组成测定结果的准确度与精密度。

1 系统总体方案设计

自动搅拌装置是机电一体化产品，主要由人机交互界面、控制系统、传动系统、定位系统、搅拌组件等组成，系统结构如图1所示，自动搅拌装置结构如图2所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

图2 自动搅拌装置结构Fig.2 Structure of automatic stirring device

2 系统组件

2.1 人机交互系统

在自动搅拌装置中，采用触控屏作为人机交互系统上位机，通过ModBus 通信协议与控制系统进行通信。在搅拌开始前，可以设定各项搅拌参数，如搅拌次数、搅拌频率等。在搅拌过程中，可以显示当前的搅拌状态。并且可以实时显示当前环境温度数据，便于实验人员记录，用于实验数据计算。

2.2 控制系统

在自动搅拌装置中，控制系统以STM32F103RC微处理器作为核心控制单元，控制系统设有：1 路步进电机驱动电路、2 路位置传感器触发电路、1 路温度采集电路以及1 路继电器控制电路。控制板实物如图3所示。

图3 控制板实物图Fig.3 Physical photo of control panel

2.3 传动系统

自动搅拌装置传动系统，采用步进电机驱动方案，由1 台57 型步进电机驱动同步轮系统，并与直线导轨连接的传动结构设计方案，如图4所示。

图4 传动系统Fig.4 Transmission system

目前，国内常用的关于土壤机械组成测定的现行标准，有农业标准《土壤检测 第3 部分：土壤机械组成的测定》、林业标准《森林土壤颗粒组成（机械组成）的测定》、环境标准《土壤粒度的测定 吸管法和密度计法》 以及土工标准 《土工实验方法标准》，在以上标准中一般使用1000 mL 无塞量筒作为土壤样品悬液的沉降筒。经查阅量筒推荐标准，目前1000 mL 无塞量筒，最高尺寸为430 mm[7]，从市场上购买的10 余种1000 mL 无塞量筒统计数据来看，最高尺寸为450 mm，基于以上条件，自动搅拌装置中，传动系统最大搅拌行程设计为450 mm，以匹配1000 mL 无塞量筒的尺寸。样品搅拌时，可以根据沉降筒尺寸，通过触控屏设置搅拌行程，以达到最佳的搅拌分散效果。

2.4 搅拌组件

显然地，搅拌组件的设计关系到最终的样品悬浊液搅拌效果，在自动搅拌装置中，搅拌组件包括搅拌片、搅拌杆以及弹性组件。

2.4.1 搅拌片

根据目前国内相关行业标准及市售手动搅拌装置，在本文自动搅拌装置中搅拌片整体采用圆盘结构，盘面上分布若干数量的筛孔，搅拌片示意图如图5所示。

图5 搅拌片示意图Fig.5 Schematic diagram of stirring sheet

搅拌时，通过上下提拉搅拌片来搅拌土壤样品悬浊液，显然，搅拌片的圆盘直径、筛孔大小、筛孔分布都会影响最终的搅拌效果。在自动搅拌装置的研究过程中，根据1000 mL 量筒的尺寸，我们设计了多种规格搅拌片，如表1所示。搅拌片材质选用聚四氟乙烯，耐酸碱腐蚀，不会影响土壤机械组成测定的结果，各搅拌片对于搅拌效果见实验章节。

表1 搅拌片规格Tab.1 Specification of agitating sheet

2.4.2 弹性组件

在样品测定中，经过前处理制备的样品悬浊液，在重力作用下，放置的时间不同，会在沉降筒底部形成不同厚度的沉淀层。固定行程的搅拌方式难以将沉降筒底部的沉淀层充分搅拌起来，这将直接影响到土壤机械组成的测定结果。基于此，在自动搅拌装置中，采用了弹性组件，如图6所示。

图6 弹性组件Fig.6 Elastic components

弹性组件的工作原理是当搅拌片接触沉降筒底部以后，传动系统带动搅拌器继续向下运行，直到将弹簧压缩至设定的压缩量，然后再向上搅拌，如此反复搅拌30 次。以此来保证将沉降筒底部可能存在的沉淀层充分搅拌分散起来，保证样品搅拌分散效果的一致性。

2.5 定位组件

定位组件包括上、下两个光电传感器。上传感器主要实现搅拌杆初始位置定位，保证每次搅拌时，搅拌行程的一致性；下传感器实现对搅拌杆位置的限制，防止搅拌杆超出设定搅拌范围。在自动搅拌装置中，定位组件如图7所示。

图7 定位组件Fig.7 Positioning components

2.6 温度传感器

在目前国内土壤机械组成测定的相关标准中，沉降法测定原理是斯托克斯定律，在不同的温度条件下会引入不同的计算系数。因此，在自动搅拌装置中设计了基于DS18B20 温度传感器。采用的DS18B20 数字温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点。

3 实验

3.1 搅拌片测试

使用了3 个土壤样品，按照环保部关于土壤机械组成的标准测定方法，对比不同搅拌片的搅拌效果，密度计读数如表2所示。

表2 不同搅拌片的效果对比Tab.2 Comparison of effects of different stirring tablets（%）

实验过程中发现，搅拌片直径太小会使得有效搅拌面积减小，导致搅拌不充分，搅拌片直径太大容易在上下提拉搅拌过程中触碰沉降筒内壁。搅拌片上孔数少，容易导致搅拌时液体飞溅，且搅拌完成后，液面起伏较大，不利于密度计快速读数。7 号搅拌片由于搅拌过程中触碰沉降筒内壁导致实验失败，没有数据。从实验数据上来看，2 号搅拌片效果最好。

3.2 精密度实验

由于目前还没有关于土壤机械组成的标准物质，无法对自动搅拌方式测定结果的准确度进行评价。因此，采用对比人工搅拌与自动搅拌测定结果的精密度，来评价自动搅拌装置。

按照国内现行最新环保标准密度计法，分别采用人工搅拌与自动搅拌方式，对14 个土壤样品进行平行3 次测定，测定土壤样品中2～0.6 mm，0.6～0.212 mm，0.212～0.063 mm，0.063～0.002 mm，<0.002 mm 等粒级颗粒百分含量，计算各粒级质量百分含量的平均值、标准偏差、相对标准偏差以及极差，来进行精密度验证实验。

采用人工搅拌方式，测定土壤样品中各粒级颗粒质量百分含量平均值、标准偏差、相对标准偏差以及极差，结果见表3；自动搅拌装置测定结果见表4；人工搅拌方式与自动搅拌方式测定统计结果见表5。实验结果表明，采用自动搅拌方式，测定结果中各粒级土壤颗粒质量含量百分比平均值、标准偏差、相对标准偏差、极差，均优于人工方式测定结果，自动搅拌方式精密度优于人工搅拌方式。

表3 人工搅拌方式测定数据Tab.3 Manual stirring method measurement data（%）

表4 自动搅拌方式测定数据Tab.4 Automatic stirring method measurement data（%）

表5 人工搅拌与自动搅拌测定结果统计Tab.5 Manual stirring and automatic stirring measurement result statistics（%）

4 结语

本文根据国内现行土壤机械组成测定的标准方法，采用垂直提拉搅拌器的方式，在1 min 内，上下搅拌30 次土壤样品悬浊液，设计了自动搅拌装置，实现对样品悬浊液的搅拌分散，实验结果表明，采用自动搅拌装置对样品悬浊液的搅拌分散效果优于人工搅拌方式，提高了土壤机械组成测定结果的精密度。自动搅拌装置适用于大批量土壤样品的检测分析，能显著降低操作人员的劳动强度，避免了由人工搅拌带引入的人为误差，提高检测分析效率。