專利名稱：測量基質(zhì)水勢的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一個關于測量物質(zhì)中基質(zhì)水勢的裝置。
DE11151 A1公開了一種可用于測量基質(zhì)水勢的儀器。此儀器主要是由一個管狀的不透氣的測量室組成。使用前測量室灌滿水。插入土壤以后，受土壤基質(zhì)水勢作用，水通過可透水的外壁部分外滲。水分的損失使小室內(nèi)部產(chǎn)生可測的負壓，這個負壓值便是土壤中的基質(zhì)水勢。
DE-OS 16 73 046中公開了一種可用于測量土壤濕度的裝置。此儀器具有一個可插入土壤的測量室，室中含有電極，電極通過已知孔隙度的電介質(zhì)間隔。電極之間的電容量通過相應的電路測出，其大小取決于使用的電介質(zhì)的種類。由于土壤中的水分向電介質(zhì)中滲入，使得決定電介質(zhì)電容的介電常數(shù)發(fā)生改變。這個可測的電容的變化被看為一種反應土壤濕度的參數(shù)。在測量室中優(yōu)先使用的電介質(zhì)是陶瓷。
在DE-OS 2004 142中公開了一個測量土壤濕度的裝置。此裝置用石英沙作為電介質(zhì)，測量電容器的電極置于其中。電容量的測量特別是由一個內(nèi)部棒式電極和一個繞其旋轉(zhuǎn)的螺旋式第二電極來完成的。棒式電極置于粉末狀電介質(zhì)中。建議優(yōu)先使用的電介質(zhì)是氧化鋁粉末或石英沙粉末。
EP0232 566 A1公開了一個測量濕度張力的裝置。此裝置利用一個電容式傳感器測量一種由細球狀，直徑小于100μm的顆粒組成的，和土壤接觸的材料的介電常數(shù)，此介電常數(shù)和濕度張力的關系已知。通過測量此材料的介電性能便可測量濕度張力。
DE196 29 745 C2和US005898310A公開了一個測量土壤基質(zhì)水勢的方法。一個具有兩個埋入電介質(zhì)的電極的測量室插入被測土壤。此電介質(zhì)中含水量和基質(zhì)水勢的關系預先已知。通過測量電介質(zhì)中的含水量即可測得土壤中的基質(zhì)水勢。
論文“A new soil matric potential sensor based on time domainreflectometry＂(Dani Or and Jon M.WraithWater Resources Research，Vol.35，No.11，Pages 3399-3407，November 1999)介紹了一個裝置。此裝置通過用TDR傳感器測量處于土壤中的多孔陶瓷的含水量來測定土壤中的基質(zhì)水勢。
專業(yè)人員知道，基質(zhì)水勢在農(nóng)林業(yè)，在環(huán)境監(jiān)測，在灌溉控制以及建筑保護中有比土壤含水量更重要的意義。土壤中水分對植物的有效性，在土壤及其他物質(zhì)中水分的運動，不是取決于其中的含水量，而是從根本上取決于基質(zhì)水勢?；|(zhì)水勢提供判斷物質(zhì)干旱程度的直接標準。
不管土壤性質(zhì)如何，大部分植物在基質(zhì)水勢小于-1500kPa的情況下幾乎沒有生存的可能。但是，如果只知道土壤的含水量為10％，就無法判斷，植物是受旱還是受澇。因為其他土壤性質(zhì)，如顆粒大小，比重等等，也影響土壤水分對植物的有效性。
DE196 29 745 C2中描述的裝置和“A new soil matric potential sensorbased on time domain reflectometry＂(Dani Or and Jon M.WraithWaterResources Research，Vol.35，No.11，Pages 3399-3407，November 1999)中介紹的儀器有一個共同的出發(fā)點處在土壤中的參照體的基質(zhì)水勢和土壤中的基質(zhì)水勢相同。測得參照體中的基質(zhì)水勢，便測得土壤的基質(zhì)水勢。因為在參照體中，基質(zhì)水勢和含水量之間有一固定關系，所以，通過測量參照體中的含水量，便可測得土壤的基質(zhì)水勢。
在DE196 29 745 C2和US005898310A中公開的裝置中，沒有具體給出參照體的結(jié)構(gòu)。實踐表明，參照體的結(jié)構(gòu)對測量儀器的質(zhì)量有決定性的影響。并不是每個結(jié)構(gòu)都可行。多孔陶瓷中的孔洞不是全部暢通(有底孔)，互相連接不良。用多孔陶瓷作為參照體，如果水分從外面滲入，有可能將空氣封閉在孔洞中，形成氣泡。在失水過程中，由于孔洞直徑不一，會產(chǎn)生水線斷裂。因此，用多孔陶瓷作為參照體測量基質(zhì)水勢，反應慢，滯后嚴重。
用不同直徑的小圓球做的參照體有孔徑和孔隙體積不穩(wěn)定的缺點。因為水分運動會改變參照體中小圓球之間的相互位置，由此造成孔隙體積和孔徑的變化。因此，小圓球做的參照體中的含水量和水勢之間沒有長期穩(wěn)定的關系。用這種參照體制作的儀器不能穩(wěn)定工作。
本發(fā)明的任務是，給出一中具有長期穩(wěn)定的水勢和含水量之間的關系的，能夠快速對測量對象的基質(zhì)水勢作出反應的參照體。
本發(fā)明的任務是通過以下方式完成的，參照體是由纖維，特別是具有圓截面的纖維構(gòu)成。多個單根纖維通過擠壓，紡織或纏繞成束。這種纖維束的孔隙度(孔徑，孔隙體積)不因水勢或其他外力作用而改變，其含水量和基質(zhì)水勢的關系穩(wěn)定。而且，所有的孔全部暢通，互相連接，氣泡不會因水分進入而被封閉其中。
本發(fā)明給定的裝置具有穩(wěn)定的孔隙度(孔隙的體積及孔徑大小)，從而也具有穩(wěn)定的含水量和基質(zhì)水勢之間的關系。所有孔隙互相連接，端頭不封閉。用這種材料做成的參照體對外部水勢變化反應靈敏，工作穩(wěn)定。
參照體(1)由纖維束(圖211，12)組成。纖維束由單一的纖維通過擠壓，紡織或纏繞固定在一起。同一纖維束中的單一纖維(13，14)具有相同直徑，表面互相接觸。不同纖維束中的單一纖維的直徑可以不同。單一纖維之間形成孔隙(15，16)，這種孔隙可以吸收水分，具有穩(wěn)定開放的結(jié)構(gòu)。
單一纖維做成束并互相平行有一定優(yōu)點，因為這樣形成的孔隙最小，最穩(wěn)定。如果單一纖維不互相平行，必須嚴格固定，以保證在水的影響下參照體的結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定。
單一纖維(13，14)特別是由親水性材料構(gòu)成，可以是玻璃，塑料，金屬或陶瓷。
為了提高參照體的吸水能力，單一纖維可以是中空的。孔洞的截面可以是圓形，也可以是其他形狀。
參照體外置一個具有透水能力的網(wǎng)(3)，以避免參照體受損害。如果參照體中的含水量是用電磁方法測量，用金屬網(wǎng)有好處，這樣可以屏蔽電磁波，將含水量的測量只限制在測參照體中，避免外部水分的干擾。
通過組合具有不同單一纖維直徑的纖維束(11，12)可以構(gòu)成具有不同孔隙度(孔隙的體積和孔隙的直徑)的參照體。從而做成具有不同含水量和基質(zhì)水勢關系的參照體。通過這種方式，可個性適用不同測量范圍和測量精度的要求。
參照體中的含水量的測定，可以用不同方法和裝置來實現(xiàn)。用電磁波，中子射線，電導率，膨脹壓力，體積，核磁共振，重力，光反射，熱容量等方法和參數(shù)測量含水量是眾所周知的。
電磁波在物質(zhì)中的傳輸受物質(zhì)的含水量影響。一系列測量含水量的方法都是按照這個原理工作的。譬如Time Domain Reflectometry(TDR)，F(xiàn)requency Domain Reflectometry(FDR)，以及測量介電常數(shù)。這些方法所用的頻率從無線廣播到遠紅外不等。
用電磁波，中子射線，電導率測量參照體中的含水量，可以按照
圖1，2，和3給出的結(jié)構(gòu)設置。其中電極數(shù)量和形式可根據(jù)測量技術要求而設置。
參照體中含水量的變化會引起參照體的體積變化。所以，參照體中的含水量也可以通過測量參照體的壓力或體積來實現(xiàn)。圖4給出在這中情況下的一中可能的設置方式。將參照體(1)裝入不變形，最少一部分外壁可透水的容器(82)。參照體的體積變化通過傳遞裝置(84，81)直截傳到壓力傳感器(83)。壓力傳感器(83)記錄參照體的體積變化，并將測量結(jié)果通過傳輸系統(tǒng)(5)送入數(shù)據(jù)存貯器。在壓力傳感器的位置上也可以裝上位移傳感器，這樣便可通過測量體積變化而測量參照體中含水量的變化。
此外，參照體中的含水量的變化也可以通過光學方法來測量。圖5是一種可能的設置方式。光束(7)照射參照體(1)，反射光束(8)回到測光原件。
測量參照體中含水量的方法很多。即便這兒沒有給出，對一般專業(yè)人員來說不成問題，將這兒給出的參照體同含水量測量裝置結(jié)合起來，用以測定基質(zhì)水勢。
權利要求
1.利用測含水量的裝置和參照體測量物質(zhì)的基質(zhì)水勢的裝置，在其中的參照體中含水量和基質(zhì)水勢的關系已知，參照體和測量目標接觸，參照體允許水分進入，其特征是，參照體最少有一段是由無孔纖維組成。
2.按照權利要求1所述的裝置，其特征是參照體至少由三根互相密切接觸，端面圓形的纖維組成。
3.按照權利要求1，2所述的裝置，其特征是纖維絲互相平行。
4.按照權利要求1到3所述的裝置，其特征是纖維是由親水材料構(gòu)成，優(yōu)先考慮的材料是玻璃或塑料。
5.按照權利要求1到4所述的裝置，其特征是纖維絲的直徑小于80微米(μm)。
6.按照權利要求1所述的裝置，其特征是參照體中的含水量通過使用電磁波(Time Domain Reflectometry(TDR)，F(xiàn)requency DomainReflectometry(FDR))測定的。
7.按照權利要求1所述的裝置，其特征是參照體中的含水量是通過測量參照體的電導系數(shù)而測定的。
8.按照權利要求1所述的裝置，其特征是參照體中的含水量是通過測量參照體的膨脹壓力或體積變化而測定的。
9.按照權利要求1所述的裝置，其特征是參照體中的含水量是通過測量中子射線在參照體中的衰減率而測定的。
10.按照權利要求1所述的裝置，其特征是參照體中的含水量是通過參照體表面的反光性能而測定的。
全文摘要
用參照體測量物質(zhì)中的基質(zhì)水勢，參照體是由纖維束組成，纖維束是由單一纖維通過擠壓，紡織或旋繞而作成的。在纖維直徑給定的情況下，纖維束的孔隙度(孔隙體積和孔洞直徑)也給定，不因水分和機械作用影響而改變。因此，用這種纖維束做成的參照體具有穩(wěn)定的含水量和水勢之間的關系。通過測定參照體中的含水量將可測量和參照體有接觸的物質(zhì)的基質(zhì)水勢。
文檔編號G01N33/24GK1441250SQ03100510
公開日2003年9月10日 申請日期2003年1月16日 優(yōu)先權日2002年1月22日
發(fā)明者劉藎忱 申請人:劉藎忱