一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法。该系统包括：测量装置和上位机。测量装置用于测量土壤的温度和含水量；上位机与测量装置连接，用于根据土壤的温度和含水量确定土壤的热特性和土壤的水分特征，并且给出了测量装置的具体结构。本发明专利技术提供的测定土壤热特性和水分特征的系统和方法解决了传统方法不能够同时测定土壤热特性和水分特征曲线的问题，同时具有原位自动监测、精度高、使用便捷、成本低等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法
本专利技术涉及农田土壤物理性质测量领域，特别是涉及一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法。
技术介绍
土壤是基本的农业生产资料，为作物提供养分水分等载体。土壤的温度、热特性(包括热导率、容积热容量、热扩散率)、水分特征曲线(包括含水量和基质势)对种子萌发，根系活动，作物生长发育及土壤中一系列物理、生物、化学过程密切相关。并且，土壤的温度、热特性、水分特征曲线等也是衡量农作物生长状况及制定农田水肥管理方案等农业实践所需要的关键指标。然而，目前尚无方法可以同时获取土壤的热特性、温度、含水量和基质势等参数，给相关农业管理带来不便。热脉冲技术(heatpulsemethod)是目前应用最广泛，也是唯一能够实现室内和野外连续、快速、准确测定土壤热特性的技术(Heetal.,2018)。热脉冲技术测定土壤热特性的原理是通过监测短时线性热源在土壤传输过程产生的温度场变化特征，在距离热源一定距离某处的土壤温度随时间的变化特征取决于土壤的热特性。因此可以根据监测土壤温度变化对短时线性热源的响应特征来计算土壤的热特性。除此之外，热脉冲技术还能同时测定土壤的温度状况。土壤水势(基质势)的测定方法很多，田间测量方法主要包括张力计法、热扩散、热电偶湿度计等。其中，热电偶湿度计适用于含水量很小或基质势很大时应用。张力计法和热扩散法都是根据多孔介质(如陶瓷或石膏)与土壤达到平衡状态时计算土壤的基质势，它们的主要区别在于张力计一般需要人工读数，而热扩散法可以自动读数，省时省力。但他们的缺点都是不能直接够测定多孔介质中的含水量。Noborioetal.(1999)的研究表明结合时域反射(timedomainreflectometry,TDR)和石膏可以用于同时测定土壤的含水量和基质势，而Reece(1996)的研究表明改进后的热扩散探头(thermaldissipationsensor)可以通过测定陶瓷盘3的热导率来反推土壤的基质势。此外，热扩散法测定土壤基质势的原理与热脉冲法测定土壤热特性的原理一致。这些研究表明，通过结合热脉冲法或热扩散法、多孔介质、时域反射技术可用于同时测定土壤的热导率、容积热容量、热扩散率、温度、含水量和基质势等特征。但是，如何耦合这些技术来实现这个目的是有待解决的一项关键技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够耦合热脉冲法或热扩散法、多孔介质、时域反射法等技术的用于测定土壤热特性和水分特征的系统和方法，以达到提高测定土壤热特性和水分特征准确性的目的。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种测定土壤热特性和水分特征的系统，包括：测量装置，用于测量土壤的温度和含水量；上位机，与所述测量装置连接，用于根据所述土壤的温度确定土壤的热特性，并根据所述含水量确定土壤的水分特征；所述测量装置包括：探针，用于加热土壤，并用于探测土壤温度信息；多个热敏电阻，固定于所述探针上，用于测量土壤的温度；开设有多个孔的陶瓷盘，用于固定所述探针；重量传感器，用于测量所述陶瓷盘的重量；电路板，分别与所述探针、多个所述热敏电阻和所述重量传感器连接，用于控制所述探针加热土壤的时间，并用于根据所述陶瓷盘的重量确定土壤的含水量。优选的，所述探针包括：加热探针，用于发射热脉冲信号对土壤进行加热；温度探针，用于接收热脉冲信号，并探测土壤温度。优选的，所述加热探针和所述温度探针均包括：加热电阻丝，用于加热土壤；金属管，套设于所述加热电阻丝上；导热环氧树脂，填充于所述加热电阻丝与所述金属管的空隙中，用于传递所述加热电阻丝散发的热量。优选的，所述热敏电阻按设定距离等间距的安装在所述探针上。优选的，所述测量装置还包括：椭圆手柄；所述电路板镶嵌于所述椭圆手柄中。优选的，所述系统还包括：辅助转孔装置，用于辅助所述测量装置插入土壤。优选的，所述辅助转孔装置包括：手柄、连接杆、气泡水平仪和空心钢管；所述手柄通过所述连接杆与所述空心钢管固定连接；所述气泡水平仪安装于所述连接杆上。优选的，所述空心钢管上开设有圆孔；所述圆孔用于观察空心钢管是否全部插入土壤中。一种测定土壤热特性和水分特征的方法，包括：获取测定数据；所述测定数据包括：热敏电阻测定土壤最高温度所对应的测量时长、加热探针和温度探针间的距离、加热探针加热土壤的时长、单位长度和单位时间内加热探针输入的热量以及土壤温度随时间的变化值；根据所述热敏电阻测定土壤最高温度所对应的测量时长、所述加热探针和温度探针间的距离以及所述加热探针加热土壤的时长确定土壤的热扩散率和容积热容量；根据所述土壤的热扩散率和容积热容量确定土壤的热导率；根据土壤中不锈钢TDR探针的电磁脉冲信号获得土壤的含水量；根据陶瓷盘中钢管TDR探针的电磁脉冲信号获得陶瓷盘中的含水量；根据所述热敏电阻测定陶瓷最高温度所对应的测量时长、所述加热探针和温度探针间的距离以及所述加热探针加热陶瓷盘的时长确定陶瓷盘的热扩散率和容积热容量；根据所述陶瓷盘的热扩散率和所述容积热容量确定陶瓷盘的热导率；根据探针校正过程中建立的含水量或热导率与基质势之间的关系，以及测定的陶瓷盘的含水量或热导率确定陶瓷盘的基质势；根据所述陶瓷盘的基质势获得热导率-含水量-基质势特征曲线；根据所述热导率-含水量-基质势特征曲线获得土壤的热特性和水分特征。优选的，根据公式确定所述土壤温度随时间的变化值ΔT(r,t)；根据公式确定所述土壤的热扩散率κ；根据公式确定所述土壤的溶积热容量Cv；根据公式确定所述土壤的热导率λ；其中，ΔT为测定的温度随时间变化值，t为时间，E1为指数积分，t0为热脉冲加热时长，r为所述加热探针和温度探针间的距离，Q'为加热探针的放热强度，tm为热敏电阻测定土壤最高温度所对应的测量时长，q′为单位长度和单位时间内加热探针输入的热量。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供的测定土壤热特性和水分特征的系统和方法，通过热敏电阻和探针探测土壤的温度变化信息，通过采用重量传感器获取陶瓷盘的重量信息获取土壤水分特征，使得本专利技术提供的技术方案解决了传统方法不能够同时测定土壤热特性和水分特征曲线的问题，同时具有原位自动监测、精度高、使用便捷、成本低等特点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的测定土壤热特性和水分特征系统中测量装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的陶瓷盘的结构示意图；图3为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，包括：/n测量装置，用于测量土壤的温度和含水量；/n上位机，与所述测量装置连接，用于根据所述土壤的温度确定土壤的热特性，并根据所述含水量确定土壤的水分特征；/n所述测量装置包括：/n探针，用于加热土壤，并用于探测土壤温度信息；/n多个热敏电阻，固定于所述探针上，用于测量土壤的温度；/n开设有多个孔的陶瓷盘，用于固定所述探针；/n重量传感器，用于测量所述陶瓷盘的重量；/n电路板，分别与所述探针、多个所述热敏电阻和所述重量传感器连接，用于控制所述探针加热土壤的时间，并用于根据所述陶瓷盘的重量确定土壤的含水量。/n

【技术特征摘要】
1.一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，包括：
测量装置，用于测量土壤的温度和含水量；
上位机，与所述测量装置连接，用于根据所述土壤的温度确定土壤的热特性，并根据所述含水量确定土壤的水分特征；
所述测量装置包括：
探针，用于加热土壤，并用于探测土壤温度信息；
多个热敏电阻，固定于所述探针上，用于测量土壤的温度；
开设有多个孔的陶瓷盘，用于固定所述探针；
重量传感器，用于测量所述陶瓷盘的重量；
电路板，分别与所述探针、多个所述热敏电阻和所述重量传感器连接，用于控制所述探针加热土壤的时间，并用于根据所述陶瓷盘的重量确定土壤的含水量。


2.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述探针包括：
加热探针，用于发射热脉冲信号对土壤进行加热；
温度探针，用于接收热脉冲信号，并探测土壤温度。


3.根据权利要求2所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述加热探针和所述温度探针均包括：
加热电阻丝，用于加热土壤；
金属管，套设于所述加热电阻丝上；
导热环氧树脂，填充于所述加热电阻丝与所述金属管的空隙中，用于传递所述加热电阻丝散发的热量。


4.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述热敏电阻按设定距离等间距的安装在所述探针上。


5.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述测量装置还包括：椭圆手柄；
所述电路板镶嵌于所述椭圆手柄中。


6.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述系统还包括：
辅助转孔装置，用于辅助所述测量装置插入土壤。


7.根据权利要求6所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述辅助转孔装置包括：手柄、连接杆、气泡水平仪和空心钢管；
所述手柄通过所述连接杆与所述空心钢管固定连接；
所述气泡水平仪安...

【专利技术属性】
技术研发人员：何海龙，刘扬，吕家珑，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61