一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了属于土壤特性检测技术领域的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法。该原位测定装置包括椭圆形探针手柄，4根温度探针和1根加热探针、E型热电偶，加热丝，同轴电缆线和数据采集仪；所有探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线固定在另一端面上；测量时，将上述标定过的探针匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源以及继电器相连；数据采集仪在设定时间向加热探针提供25～30s热脉冲，并记录通过线性热源的电流及两侧探针的温度变化；本装置能高精度的准确测定非稳态条件下土壤含水量、热特性和电导率，对土壤扰动小、程序简单。

【技术实现步骤摘要】
一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法
本专利技术属于土壤特性检测
，特别涉及一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法。
技术介绍
土壤水热动态以及土壤物理参数测定是研究土壤中物理、化学和生物过程的基础。但由于非稳态土壤的物理性质具有显著的时空变异性，特别是孔隙度变化，对其土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态、连续同时定位监测困难，缺乏相应有效的监测手段。土壤含水量测定的技术有中子仪法、烘干法、TDR(TimeDomainReflectometry)技术和FDR(FrequencyDomainReflectometry)技术等。烘干法结果准确但对土壤破坏性大，中子仪设备昂贵且具有放射性，FDR方法测定精度不高，目前最常用的是TDR技术。TDR是一种测定物体空间位置和特性的电子遥感技术，可以实现含水量的定位动态监测。土壤热特性的测定技术主要有稳态法和瞬态法两种。稳态法主要有利用平板热导率测定仪测定土壤热导率、利用热量杯技术测定热容量等，这类技术测定原理、仪器相对简单，但是在土壤中各种热交换过程不易控制；温度梯度导致水汽对流，影响测定结果；难以在田间应用。热脉冲技术作为一种瞬态法解决了这一问题，而且常用于多孔介质的热特性测定，在土壤学、食品学以及热力工程方面都有应用。但常见热脉冲技术的探头的体积较小，其测定范围较为受限。土壤蒸发测定技术包括蒸渗仪法、微气象学法、动态气室法。蒸渗仪法精度较高，理论较为成熟，但微型蒸渗仪代表性较差，大型蒸渗仪昂贵、操作不方便；微气象学法主要包括波文比能量平衡法和涡度相关法，前者主要应用于作物冠层下的土壤水分蒸发，在半干旱地区的田间测量较为准确，而后者在小时和日尺度上的测量较准确，准确性易受探头和气象条件的影响；动态气室法需要结合红外气体分析仪，应用广泛，但所需仪器价格昂贵。而热脉冲技术可以在毫米尺度上同时、连续、定位获取土壤温度、热特性和水分蒸发速率，在研究土壤水热耦合传输和蒸发机理方面有很大优势。电导率测定一般由土壤电导率仪测定，该设备昂贵，且只能在室内使用同时需要提取土壤溶液来测定，不能用于田间连续定位测定电导率。对于容重的测定，使用最多的为环刀法，但对土壤破坏性大，测定过程费时费力。目前在CN203705381U的专利中探针可以实现含水量和容重的连续同时定位测定，其设计如下：长度为45mm，间距为8mm，直径为2mm，但该探头在应用过程中存在含水量测定精度低、容重测定偏差大，测定体积小及电导率无法测定等问题。因此缺乏一种技术可以实现同一位置、相同体积土壤上水热盐孔隙特性的连续定位动态监测。鉴于非稳态土壤上水热电导特性的手段较为缺乏，本专利技术提出一种可以实现连续原位动态监测土壤水分、热特性、蒸发和孔隙度的技术-热脉冲时域反射仪探针技术，以及相应的数据分析方法。可以实现在土壤容重变化条件下，同时同体积获取土壤水热和电导性质数据。该技术自动化程度高，可操作性强。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法，其特征在于，所述土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置包括椭圆形探针手柄，五根探针、E型热电偶，加热丝，同轴电缆线和数据采集仪；其中采用了LoggerNet软件，PC-TDR软件和MATLAB软件；其中探针手柄由聚氯乙烯制作；五根探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线穿过手柄固定在另一端面上。所述五根探针中有四根温度探针，包括1#温度探针、2#温度探针、3#温度探针和5#温度探针；其中，1#温度探针、2#温度探针为短探针；3#温度探针和5#温度探针为长探针；一根加热探针为4#加热探针，固定在3#温度探针和5#温度探针中间；其长度与3#温度探针和5#温度探针的长度相同。所述五根探针都是由不锈钢管制成的钢针，其中1#温度探针、2#温度探针是不带尖端的不锈钢针，3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针是带尖端的不锈钢针；具体尺寸为：所有温度探针的直径d＝2mm，壁厚为0.25mm；加热探针的直径d＝2.38mm，壁厚为0.71mm；1#温度探针和2#温度探针的长度L均为40mm，以及1#温度探针和2#温度探针的间距z1；2#温度探针和3#温度探针的间距z2均为8mm；3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针的长度L均为70mm，该三根探针间的间距r均为10mm。所述四根温度探针内分别嵌有E型热电偶，热电偶位置设在距离探针手柄35mm处；各热电偶的一端用焊锡焊接然后放入钢管中，探针头部最后灌入高热导率的树脂材料硬化固定；在3#温度探针和5#温度探针中间的4#加热探针内穿有由绝缘电阻丝制作的线性热源，同轴电缆线一端的中心铜线焊接在4#加热探针外的钢管上端部位，另一端与BNC接头焊接；同轴电缆外侧的铝镁合金屏蔽网分两股分别焊接在4#加热探针外侧的3#温度探针和5#温度探针的钢管上部；最后用聚氯乙烯环氧树脂将各探针按照设置间距与椭圆形手柄固定；同轴电缆线用于连接电缆测试仪，加热丝作为线性热源和直流电源连接，热电偶则与数据采集仪连接。所述线性热源为绝缘镍铬合金电阻丝，直径为75μm，电阻丝规格为230.7Ωm-1，加热探针内部含电阻丝长度为280mm，制作时，将加热电阻丝按照加热针长度形成四折放入不锈钢管中。所述利用土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；包括：步骤1，在原位测定之前需要对五根探针进行长度和间距的标定，标定过程如下：将探针垂直插入5g/L的琼脂中，用数据采集仪控制程序测定热特性，假定琼脂的热容与水的热容相等，用热传导方程拟合出探针间距，同时用电缆反射仪存取波形，使用MATLAB软件里的程序进行长度标定；步骤2，将上述标定过的探针匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源以及继电器相连；数据采集仪在设定时间向中部探针提供25s热脉冲，并记录通过线性热源的电流以及两侧探针的温度变化；加热能量的大小根据土壤含水量调节，将数据采集器中的数据转移到计算机中，通过利用MATLAB软件对温度感应针监测得到的温度升高变化进行分析，结合基本的热传导理论，反求计算得出土壤的热特性；本专利中利用无限线性热源理论，可以求得土壤热容量(C)，热导率(l)和热扩散率(k)；土壤热特性的计算公式如下，λ＝C×κ其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q′是每单位长度释放的加热量；t0是热脉冲加热时间，t是测定时间；r是4#加热探针和3#温度探针或者5#温度探针之间的距离；T(r,t)是在t时刻距离4#加热探针r位置的3#温度探针或者5#温度探针的计算温度值。通过上式T(r,t)与探针实际测定的温度值进行最小二乘法拟合计算得到土壤热特性(C、l、k)。同时，利用PC-TDR软件自动分析电缆反射仪记录的完整TDR波形图像，计算土壤电导率并利用Topp等公式直接得到土壤含水量(θ)，土壤含水量计算公式如下，θ＝-5.3×1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置，其特征在于，所述土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置包括椭圆形探针手柄，五根探针、E型热电偶，加热丝，同轴电缆线和数据采集仪；采用了LoggerNet软件，PC-TDR软件和MATLAB软件；其中探针手柄由聚氯乙烯制作；五根探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线穿过手柄固定在另一端面上；/n所述五根探针中有四根温度探针，包括1#温度探针、2#温度探针、3#温度探针和5#温度探针；其中，1#温度探针、2#温度探针为短探针；3#温度探针和5#温度探针为长探针；一根加热探针为4#加热探针，固定在3#温度探针和5#温度探针中间；其长度与3#温度探针和5#温度探针的长度相同。/n

【技术特征摘要】
1.一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置，其特征在于，所述土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置包括椭圆形探针手柄，五根探针、E型热电偶，加热丝，同轴电缆线和数据采集仪；采用了LoggerNet软件，PC-TDR软件和MATLAB软件；其中探针手柄由聚氯乙烯制作；五根探针平行排列、垂直固定在探针手柄一个端面的中央线上，五根探针的引线穿过手柄固定在另一端面上；
所述五根探针中有四根温度探针，包括1#温度探针、2#温度探针、3#温度探针和5#温度探针；其中，1#温度探针、2#温度探针为短探针；3#温度探针和5#温度探针为长探针；一根加热探针为4#加热探针，固定在3#温度探针和5#温度探针中间；其长度与3#温度探针和5#温度探针的长度相同。


2.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置，其特征在于，所述五根探针都是由不锈钢管制成的钢针，其中1#温度探针、2#温度探针是不带尖端的不锈钢针，3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针是带尖端的不锈钢针；具体尺寸为：所有温度探针的直径d＝2mm，壁厚为0.25mm；加热探针的直径d＝2.38mm，壁厚为0.71mm；1#温度探针和2#温度探针的长度L均为40mm，以及1#温度探针和2#温度探针的间距z1；2#温度探针和3#温度探针的间距z2均为8mm；3#温度探针、5#温度探针和4#加热探针的长度L均为70mm，该三根探针间的间距r均为10mm。


3.根据权利要求2所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置，其特征在于，所述四根温度探针内分别嵌有E型热电偶，热电偶位置设在距离探针手柄35mm处；各热电偶的一端用焊锡焊接然后放入钢管中，探针头部最后灌入高热导率的树脂材料硬化固定；在3#温度探针和5#温度探针中间的4#加热探针内穿有由绝缘电阻丝制作的线性热源，同轴电缆线一端的中心铜线焊接在4#加热探针外的钢管上端部位，另一端与BNC接头焊接；同轴电缆外侧的铝镁合金屏蔽网分两股分别焊接在4#加热探针两侧的3#温度探针和5#温度探针的钢管上部；最后用聚氯乙烯环氧树脂将各探针按照设置间距与椭圆形手柄固定；同轴电缆线用于连接电缆测试仪，加热丝作为线性热源和直流电源连接，热电偶则与数据采集仪连接；所述线性热源为绝缘镍铬合金电阻丝，直径为75μm，电阻丝规格为230.7Ωm-1，加热探针内部含电阻丝长度为280mm，制作时，将加热电阻丝按照加热针长度形成四折放入不锈钢管中；所述直流电源，在田间使用时，用12V电池代替，同时安置太阳能板。


4.根据权利要求1所述的一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置对土壤含水量、热特性和电导率的原位测定方法；其特征在于，包括：
步骤1，在原位测定之前需要对五根探针进行长度和间距的标定，标定过程如下：将探针垂直插入5g/L的琼脂中，用数据采集仪控制程序测定热特性，假定琼脂的热容与水的热容相等，用热传导方程拟合出探针间距，同时用电缆反射仪存取波形，使用MATLAB软件里的程序进行长度标定；
步骤2，将上述标定过的探针匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源以及继电器相连；数据采集仪在设定时间向中部探针提供25s热脉冲，并记录通过线性热源的电流以及两侧探针的温度变化；加热能量的大小根据土壤含水量调节，将数据采集器中的数据转移到计算机中，通过利用MATLAB软件对温度感应针监测得到的温度升高变化进行分析，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢奕丽，彭薇，李丽杰，任图生，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11