專利名稱：分層式土壤水分蒸滲傳感器及其安置方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測試土壤水分蒸發(fā)、滲透量的一種傳感器，尤其涉及一種分層式土壤水分蒸滲傳感器及其安置方法。
背景技術：
目前，通常采用烘干法、負壓計法、中子水分儀法、時域反射法或頻域法等方法進行土壤水分蒸滲數據的采集，由于上述方法存在著不能即時和連續(xù)采集土壤水分交換信息的數據、環(huán)境要求高、自動化程度低、測試深度淺、人為因素干擾大等的問題，給土壤水分運移的信息采集與模擬研究帶來不便。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種分層式土壤水分蒸滲傳感器及其安置方法。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的一種分層式土壤水分蒸滲傳感器，包括有若干層水平設置的蒸滲感濕片，所述的蒸滲感濕片中間設有固定座，每層蒸滲感濕片的固定座之間均由豎筒節(jié)承插固定，每層蒸滲感濕片之間均等距安插有數根定位桿支撐定位，每層蒸滲感濕片上均安裝有電導率電極圈和熱敏裝置，每層蒸滲感濕片之間均填充滿原質測試土，形成等距分層串插承接的土壤水分蒸滲傳感器，頂層的蒸滲感濕片與地面平齊，頂層蒸滲感濕片固定座的頂面上有蓋板，底層蒸滲感濕片固定座的底面上有底板，在測試坑的地面上覆蓋有砂礫保護層，在測試坑的周圍設置有排水溝。所述的蒸滲感濕片為輪輻形狀的等厚圓片，邊緣設有圍框，所述的電導率電極圈鑲嵌于圍框側面的凹槽內，圍框上開有若干個定位孔，中間有固定座，圍框與固定座之間有放射狀的數根輻條，相鄰的兩根輻條中間均有系桿連接，所述的輻條橫斷面為等寬的矩形，輻條頂面與底面上各開有一條凹槽，凹槽內均鑲嵌有電極條，上、下電極條分別與所述的電導率電極圈連接構成上電極片和下電極片，所述的固定座中心有通孔，上電極片和下電極片的連接電纜分別從固定座內引出，所述的輻條的四周外側面上涂有濕敏材料，由輻條、上電極片、下電極片、濕敏材料、連接電纜線構成蒸滲感濕片的濕敏元件。所述的電導率電極圈為圓圈形電極，由上往下的奇數層蒸滲感濕片電導率電極圈為正極，偶數層蒸滲感濕片電導率電極圈為負極，由相鄰的兩片蒸滲感濕片的正負電導率電極圈、原質測試土、連接電纜線構成電導率裝置。所述的熱敏裝置為扇面形薄片，外側設有邊框，中間設有熱敏元件固定座，熱敏元件固定座上安裝有熱敏元件，熱敏元件固定座與邊框之間分布著放射狀導熱絲，邊框的兩條直邊上分別設有一對掛鉤。頂層的蒸滲感濕片的固定座的頂面上設有蓋板，底層的蒸滲感濕片的固定座的底面上設有底板。
所述的各層蒸滲感濕片、電導率電極圈、熱敏裝置的形狀與尺寸均相同，所述的豎筒節(jié)為圓筒形狀，豎筒節(jié)的兩端均有承插頭，所述的定位桿為等直徑的圓桿。一種分層式土壤水分蒸滲傳感器的安置方法，包括以下步驟(I)在土壤蒸滲測試點的地面上，清除地表雜物后，畫出圓形測試坑的開挖范圍；(2)按設計厚度水平分層挖出原質的測試土，不同水平層的原質測試土分別編號裝入塑料袋，直至挖達設計的深度；(3)在測試坑坑底均勻撒布一層松土，在底層蒸滲感濕片固定座的底面安裝底板及輻條上安裝熱敏裝置后，把底層蒸滲感濕片水平放置于測試坑坑底的中心，在底層蒸滲感濕片固定座承插口內插入豎筒節(jié)，以及在圍框的數個定位孔內分別插入定位桿，再把電導率電極圈、熱敏元件的電纜穿入豎筒節(jié)的導線孔，與底層蒸滲感濕片固定座內的電纜捆扎在一起并編號，然后按編號的原質測試土撒布、壓實在底層蒸滲感濕片上，填至與豎筒節(jié)的高度平齊；(4)取一片蒸滲感濕片，在該蒸滲感濕片的輻條上安裝熱敏裝置，把蒸滲感濕片固定座承插于底層的豎筒節(jié)后，以安置底層蒸滲感濕片的方式安置本層蒸滲感濕片，依次循環(huán)往上，直至埋置完與地面平齊的頂層蒸滲感濕片，最后蓋上頂層蒸滲感濕片固定座的蓋板，并在蓋板的電纜固定頭內引出電纜；(5)在測試坑范圍內的地面 上，鋪筑一層圓形的砂礫保護層，在砂礫保護層的周圍挖出排水溝，圍上保護柵欄，完成分層式土壤水分蒸滲傳感器的安置；(6)將分層式土壤水分蒸滲傳感器的電纜與土壤水分蒸滲儀聯(lián)接，進行土壤水分蒸滲量的測試。本發(fā)明的工作原理是為了能連續(xù)測出測試點處地面以下土壤水分的蒸發(fā)或入滲量，在沿地表土以下豎直方向上設置等距的原質測試土層，在每層原質測試土層的中間設置有一層水平的蒸滲感濕片，原質測試土層與蒸滲感濕片緊密接觸，土壤水分經蒸滲感濕片輻條之間的空隙蒸發(fā)或入滲，各蒸滲感濕片輻條上設置有對原質測試土層水分含量敏感的濕敏元件，該濕敏元件的電阻率與土壤含水量成反比，達到由濕敏元件輸出土壤水分蒸滲量的傳感信號?，F由原質測試土層與一片蒸滲感濕片，構成一個土壤水分蒸滲的測試單元，將多個測試單元組合成分層式土壤水分蒸滲傳感器，以此獲得不同土壤深度的水分蒸滲量。如在相鄰時刻(時刻t與t-At)第k層及其以下各層原質測試土的水分含量保持不變(該層土壤可為飽和或非飽和)，可認為該層及以下的各層土壤在該時段內尚未發(fā)生水分入滲或蒸發(fā)。由第k_l層土層開始，依次向上，直至地表土層，各原質測試土層與相鄰原質測試土層的水分交換量(蒸發(fā)或入滲量)，可據水量平衡計算獲得。具體計算為設第k層及其以下各層原質測試土相鄰時刻(時刻t與t-At)含水量保持不變，即在時刻t與
t-At的水分含量分別為和％。，滿足= Wk設第k-1層與第k-2層土壤的水分交換量為IEk'則有-.1Ek-1 =Wtk-1 - W^to第k-2層與第k-3層土壤的水分交換量為IEk_2，
有IEk-2=Wtk-: -W^ +J#—1。依次上推，可獲得各層土壤與相鄰層土壤的水分交換量(入滲
量或蒸發(fā)量)。若IEi (i=l，2，…，k-1)為正，表示水分由第1-1層土壤向第i層土壤入滲，IEi為負，表示水分由第i層土壤向第i_l層土壤蒸發(fā)。第I層(頂層)土壤與大氣的水分交換為IE1，IE1為正，表示降水(灌溉)入滲，IE1為負，表示表層土壤水分蒸發(fā)，所以分層式土壤水分蒸滲傳感器可測試出測試點處不同深度土層的水分蒸滲量。所述的蒸滲感濕片的工作原理為了測試出原質測試土層的水分含量，蒸滲感濕片在輻條的頂面與底面凹槽內設置上電極片和下電極片，在輻條四周外側面上涂有濕敏材料，構成蒸滲感濕片的濕敏元件。當土壤的水分含量改變，經土壤的傳遞及濕敏元件濕敏材料的吸濕作用，濕敏元件的電阻率將發(fā)生改變，便能輸出該原質測試土層水分含量的傳感信號。所述的電導率電極圈裝置工作原理為了測試出原質測試土層的電導率參數，根據被測土壤為松散結構，以及由土粒、水、空氣組成的特點，土壤中的水分增加，土壤的電導率就增加，反則降低。現采用在蒸滲感濕片外側邊緣設置較好接觸方式的圓形電極圈，并以奇數層蒸滲感濕片電導率電極圈為正極，偶數層蒸滲感濕片電導率電極圈為負極，兩片蒸滲感濕片之間的原質測試土為導電介質，由相鄰兩片蒸滲感濕片的正負電導率電極圈、原質測試土、連接電纜線構成電導率裝置。當測試點處的土壤水分含量發(fā)生改變時，各層的電導率裝置便能輸出不同深度原質測試土層電導率的傳感信號。所述的熱敏裝置工作原理為了測試出原質測試土層的溫度參數，根據被測土壤為松散結構，以及由土粒、水、空氣組成的特點，在熱敏裝置邊框內設置有與金屬熱敏元件座連接的放射狀導熱絲，以增加熱敏元件與土壤接觸的范圍和面積。當被測試土壤的溫度發(fā)生改變，經導熱絲的導熱，安裝在各層蒸滲感濕片上的熱敏裝置，便能有代表性地輸出不同深度原質測試土層溫度的傳感信號。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明能全天候監(jiān)測測試點地面下設定深度內的土壤水分蒸滲量，具有精度高、分辨率好、安裝簡便、造價低、實時且連續(xù)采集數據等特點，適于田間尺度的土壤水分運移的觀測，是一種先進的土壤水分運移信息采集系統(tǒng)的儀器設備。


圖1為本發(fā)明正剖視結構示意圖。圖2為本發(fā)明俯剖視結構示意圖。圖3為本發(fā)明的蒸滲感濕片正剖視結構示意圖。圖4為本發(fā)明的蒸滲感濕片俯視結構示意圖。圖5為本發(fā)明的熱敏裝置正視結構示意圖。圖6為本發(fā)明的熱敏裝置俯視結構示意圖。
具體實施例方式如圖1、2所示，一種分層式土壤水分蒸滲傳感器，包括有若干層水平設置的蒸滲感濕片11，所述的蒸滲感濕片11中間設有固定座13，每層蒸滲感濕片11的固定座13之間均由豎筒節(jié)2承插固定，每層蒸滲感濕片11之間均等距安插有數根定位桿3支撐定位，每層蒸滲感濕片11上均安裝有電導率電極圈21和熱敏裝置31，每層蒸滲感濕片11之間均填充滿原質測試土 8，形成等距分層串插承接的土壤水分蒸滲傳感器，頂層的蒸滲感濕片11與地面6平齊，頂層蒸滲感濕片11固定座13的頂面上有蓋板5，底層蒸滲感濕片11固定座13的底面上有底板4，在測試坑7的地面6上覆蓋有砂礫保護層9，在測試坑7的周圍設置有排水溝10。
如圖3、4所示，所述的蒸滲感濕片11為輪輻形狀的等厚圓片，邊緣設有圍框12，所述的電導率電極圈21鑲嵌于圍框12側面的凹槽內，圍框12上開有若干個定位孔16,中間有固定座13，圍框12與固定座13之間有放射狀的數根輻條14，相鄰的兩根輻條14中間均有系桿15連接，所述的輻條14橫斷面為等寬的矩形，輻條14頂面與底面上各開有一條凹槽，凹槽內均鑲嵌有電極條，上、下電極條分別與所述的電導率電極圈21連接構成上電極片17和下電極片18，所述的固定座13中心有通孔，上電極片17和下電極片18的連接電纜分別從固定座13內引出，所述的輻條14的四周外側面上涂有濕敏材料19，由輻條14、上電極片17、下電極片18、濕敏材料19、連接電纜線構成蒸滲感濕片11的濕敏元件。所述的電導率電極圈21為圓圈形電極，由上往下的奇數層蒸滲感濕片11電導率電極圈21為正極，偶數層蒸滲感濕片11電導率電極圈21為負極，由相鄰的兩片蒸滲感濕片11的正負電導率電極圈21、原質測試土 8、連接電纜線構成電導率裝置。如圖5、6所示，所述的熱敏裝置31為扇面形薄片，外側設有邊框32，中間設有熱敏元件固定座35，熱敏元件固定座35上安裝有熱敏元件36，熱敏元件固定座35與邊框32之間分布著放射狀導熱絲34，邊框32的兩條直邊上分別設有一對掛鉤33。頂層的蒸滲感濕片11的固定座13的頂面上設有蓋板5，底層的蒸滲感濕片11的固定座13的底面上設有底板4。所述的各層蒸滲感濕片11、電導率電極圈21、熱敏裝置31的形狀與尺寸均相同，所述的豎筒節(jié)2為圓筒形狀，豎筒節(jié)2的兩端均有承插頭，所述的定位桿3為等直徑的圓桿。一種分層式土壤水分蒸滲傳感器的安置方法，包括以下步驟(I)在土壤蒸滲測試點的地面6上，清除地表雜物后，畫出圓形測試坑7的開挖范圍；(2)按設計厚度水平分層挖出原質測試土 8，不同水平層的原質測試土 8分別編號裝入塑料袋，直至挖達設計的深度；(3)在測試坑7坑底均勻撒布一層松土，在底層蒸滲感濕片11固定座13的底面安裝底板4及輻條14上安裝熱敏裝置31后，把底層蒸滲感濕片11水平放置于測試坑7坑底的中心，在底層蒸滲感濕片11固定座13承插口內插入豎筒節(jié)2，以及在圍框12的數個定位孔16內分別插入定位桿3，再把電導率電極圈21、熱敏元件36的電纜穿入豎筒節(jié)2的導線孔，與底層蒸滲感濕片11固定座13內的電纜捆扎在一起并編號，然后按編號的原質測試土8撒布、壓實在底層蒸滲感濕片11上，填至與豎筒節(jié)2的高度平齊；(4)取一片蒸滲感濕片11，在該蒸滲感濕片11的輻條14上安裝熱敏裝置31，把蒸滲感濕片11固定座13承插于底層的豎筒節(jié)2后，以安置底層蒸滲感濕片11的方式安置本層蒸滲感濕片11，依次循環(huán)往上，直至埋置完與地面6平齊的頂層蒸滲感濕片11，最后蓋上頂層蒸滲感濕片11固定座13的蓋板5，并在蓋板5的電纜固定頭內引出電纜。(5)在測試坑7范圍內的地面6上，鋪筑一層圓形的砂礫保護層9，在砂礫保護層9的周圍挖出排水溝10，圍上保護柵欄，完成分層式土壤水分蒸滲傳感器的安置；(6)將分層式土壤水分蒸滲傳感器的電纜與土壤水分蒸滲儀聯(lián)接，進行土壤水分蒸滲量的測試。蒸滲感濕片11的作用是傳感土壤測試層的干濕程度；圍框12的作用是固定輻條14、定位桿3,以及安置電導率電極圈21 ;固定座13的作用是固定福條14,承插固定豎筒節(jié)2 ;輻條14的作用是固定上電極片17、下電極片18，裹涂濕敏材料19后形成濕敏元件；系桿15的作用是加固輻條14 ;定位孔16的作用是插入定位桿3 ;上電極片17的作用是濕敏元件的電極；下電極片18的作用是濕敏元件的電極；濕敏材料19的作用是感濕材料；電導率電極圈21的作用是電導率傳感裝置的電極；熱敏裝置31的作用是傳感土壤的溫度；邊框32的作用是固定導熱絲34，安置掛鉤33 ;掛鉤33的作用是將熱敏裝置31固定在輻條14上；導熱絲34的作用是傳導土壤的溫度于熱敏元件固定座35 ;熱敏元件固定座35的作用是安置熱敏元件36，傳導土壤的溫度；熱敏元件36的作用是測試土的溫度傳感元件。分層式土壤水分蒸滲傳感器性能量程為5% 100% RH ;精度為±5% RH ;分辨率為0. OlRH ;響應時間為吸濕≤20S ;脫濕≤40S ;每測試土層厚度10cm ;測試深度為2m。
權利要求
1.一種分層式土壤水分蒸滲傳感器，其特征在于包括有若干層水平設置的蒸滲感濕片，所述的蒸滲感濕片中間設有固定座，每層蒸滲感濕片的固定座之間均由豎筒節(jié)承插固定，每層蒸滲感濕片之間均等距安插有數根定位桿，每層蒸滲感濕片上均安裝有電導率電極圈和熱敏裝置，每層蒸滲感濕片之間均填充滿原質測試土。
2.根據權利要求1所述的分層式土壤水分蒸滲傳感器，其特征在于所述的蒸滲感濕片為輪輻形狀的等厚圓片，邊緣設有圍框，所述的電導率電極圈鑲嵌于圍框側面的凹槽內，圍框上開有若干個定位孔，中間有固定座，圍框與固定座之間有放射狀的數根輻條，相鄰的兩根輻條中間均有系桿連接，所述的輻條橫斷面為等寬的矩形，輻條頂面與底面上各開有一條凹槽，凹槽內均鑲嵌有電極條，上、下電極條分別與所述的電導率電極圈連接構成上電極片和下電極片，所述的固定座中心有通孔，上電極片和下電極片的連接電纜分別從固定座內引出，所述的輻條的四周外側面上涂有濕敏材料。
3.根據權利要求1所述的分層式土壤水分蒸滲傳感器，其特征在于所述的熱敏裝置為扇面形薄片，外側設有邊框，中間設有熱敏元件固定座，熱敏元件固定座上安裝有熱敏元件，熱敏元件固定座與邊框之間分布著放射狀導熱絲，邊框的兩條直邊上分別設有一對掛鉤。
4.根據權利要求1所述的分層式土壤水分蒸滲傳感器，其特征在于頂層的蒸滲感濕片的固定座的頂面上設有蓋板，底層的蒸滲感濕片的固定座的底面上設有底板。
5.根據權利要求1所述的分層式土壤水分蒸滲傳感器，其特征在于所述的各層蒸滲感濕片、電導率電極圈、熱敏裝置的形狀與尺寸均相同，所述的豎筒節(jié)為圓筒形狀，豎筒節(jié)的兩端均有承插頭，所述的定位桿為等直徑的圓桿。
6.一種分層式土壤水分蒸滲傳感器的安置方法，其特征在于包括以下步驟 (1)在土壤蒸滲測試點的地面上，清除地表雜物后，畫出圓形測試坑的開挖范圍； (2)按設計厚度水平分層挖出原質的測試土，不同水平層的原質測試土分別編號裝入塑料袋，直至挖達設計的深度； (3)在測試坑坑底均勻撒布一層松土，在底層蒸滲感濕片固定座的底面安裝底板及輻條上安裝熱敏裝置后，把底層蒸滲感濕片水平放置于測試坑坑底的中心，在底層蒸滲感濕片固定座承插口內插入豎筒節(jié)，以及在圍框的數個定位孔內分別插入定位桿，再把電導率電極圈、熱敏元件的電纜穿入豎筒節(jié)的導線孔，與底層蒸滲感濕片固定座內的電纜捆扎在一起并編號，然后按編號的原質測試土撒布、壓實在底層蒸滲感濕片上，填至與豎筒節(jié)的高度平齊； (4)取一片蒸滲感濕片，在該蒸滲感濕片的輻條上安裝熱敏裝置，把蒸滲感濕片固定座承插于底層的豎筒節(jié)后，以安置底層蒸滲感濕片的方式安置本層蒸滲感濕片，依次循環(huán)往上，直至埋置完與地面平齊的頂層蒸滲感濕片，最后蓋上頂層蒸滲感濕片固定座的蓋板，并在蓋板的電纜固定頭內引出電纜； (5)在測試坑范圍內的地面上，鋪筑一層圓形的砂礫保護層，在砂礫保護層的周圍挖出排水溝，圍上保護柵欄，完成分層式土壤水分蒸滲傳感器的安置； (6)將分層式土壤水分蒸滲傳感器的電纜與土壤水分蒸滲儀聯(lián)接，進行土壤水分蒸滲量的測試。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分層式土壤水分蒸滲傳感器及其安置方法，包括有若干層水平設置的蒸滲感濕片，所述的蒸滲感濕片中間設有固定座，每層蒸滲感濕片的固定座之間均由豎筒節(jié)承插固定，每層蒸滲感濕片之間均等距安插有數根定位桿支撐定位，每層蒸滲感濕片上均安裝有電導率電極圈和熱敏裝置，每層蒸滲感濕片之間均填充滿原質測試土。本發(fā)明能全天候監(jiān)測測試點地面下設定深度內的土壤水分蒸滲量，具有精度高、分辨率好、安裝簡便、造價低、實時且連續(xù)采集數據等特點，適于田間尺度的土壤水分運移的觀測，是一種先進的土壤水分運移信息采集系統(tǒng)的儀器設備。
文檔編號G01N27/12GK103063712SQ20121058035
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2012年12月27日
發(fā)明者周玉良, 胡健偉, 周平, 李巖, 金菊良, 汪哲蓀, 王宗志, 蔣尚明, 陳雰, 吳成國, 張禮兵, 劉麗, 徐勇俊, 劉立, 劉航, 張明, 程亮 申請人:合肥工業(yè)大學