專利名稱：稱重式蒸滲計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤水分蒸散與滲漏的裝置，特別是一種稱重式蒸滲計(jì)。
背景技術(shù)：
農(nóng)田蒸散量是地表水分平衡中的重要組成部分，在區(qū)域和全球水分平衡中具有重要意義。準(zhǔn)確測(cè)定農(nóng)田蒸散量是有效利用地表水資源的前提條件之一。蒸滲計(jì)(Lysimeter)是根據(jù)地表水分平衡原理研制的一種儀器，作為直接測(cè)定農(nóng)田蒸散量的設(shè)備，目前在國(guó)內(nèi)外被廣泛使用。蒸滲計(jì)是根據(jù)水量平衡原理設(shè)計(jì)的一種用來(lái)測(cè)量農(nóng)田水分蒸散的儀器，可分為稱重式和非稱重式兩種，參見(jiàn):朱字璽.美國(guó)農(nóng)業(yè)氣象和農(nóng)田蒸散研究[J].氣象，1996，22(6):3 — 9。主要用來(lái)測(cè)試農(nóng)田土壤水分蒸發(fā)和作物蒸騰所散失的總水量及土壤水分滲漏，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)降雨量，凝結(jié)水及沙塵天氣的干濕沉降等。國(guó)內(nèi)外稱重式蒸滲計(jì)按照其測(cè)量原理不同，主要可分為機(jī)械稱量式蒸滲儀、壓力傳感器稱重式蒸滲計(jì)、液壓式蒸滲計(jì)、水力蒸發(fā)器等4種類型，參見(jiàn):楊正明，金一鍔.農(nóng)業(yè)氣象儀器原理[M].北京:北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1989，236 — 246。其共同特點(diǎn)是利用傳感器測(cè)定盛土容器中因土壤蒸發(fā)、作物蒸騰、滲漏、降水或灌溉而引起的土壤水分重量變化。由于蒸滲計(jì)自重較大，如采用直接測(cè)量，即使是高精度傳感器依然無(wú)法達(dá)到測(cè)量精度。平衡抵消蒸滲計(jì)的固定重量部分，既“死”負(fù)載的方法較多，如:機(jī)械杠桿原理、動(dòng)滑輪原理、液壓原理等，但制作工藝復(fù)雜，不利于建成后的維護(hù)，另外，造價(jià)較高，有的甚至占到整個(gè)設(shè)備造價(jià)的50%以上。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種稱重式蒸滲計(jì)。本實(shí)用新型的稱重式蒸滲計(jì)包括:一個(gè)用金屬材料制成的內(nèi)桶和一個(gè)置于內(nèi)桶外的外桶，在外桶之內(nèi)設(shè)置有絕熱材料，在內(nèi)桶內(nèi)充填有與被監(jiān)測(cè)地相同土質(zhì)土壤，土壤的上表面與內(nèi)桶的上邊緣間留有一個(gè)防水沿，在內(nèi)桶的土壤內(nèi)分別安放有水分、溫度和熱通量傳感器，傳感器的檢測(cè)信號(hào)輸出線與設(shè)置于外桶外的信號(hào)采集控制器相連。在外桶下底之上與內(nèi)桶的下底之下設(shè)置有三個(gè)用于支撐內(nèi)桶及其內(nèi)土壤固定質(zhì)量的壓縮彈簧和用于檢測(cè)出內(nèi)桶及其內(nèi)土壤固定質(zhì)量的變量的壓力傳感器。本實(shí)用新型的稱重式蒸滲計(jì)，在內(nèi)桶內(nèi)設(shè)置有至少一套水分、溫度和熱通量傳感器，且每套水分、溫度和熱通量傳感器設(shè)置于同一高度的平面上。本實(shí)用新型的稱重式蒸滲計(jì)，在桶內(nèi)土柱下的反濾層設(shè)置有由若干根多孔陶瓷管呈放射狀布置構(gòu)成的補(bǔ)水裝置，補(bǔ)水裝置的供水管與水泵相連。本實(shí)用新型的稱重式蒸滲計(jì)中連通補(bǔ)水裝置的供水管的水泵通過(guò)檢測(cè)水分、溫度和熱通量傳感器的信號(hào)采集控制器進(jìn)行控制。[0010]本實(shí)用新型中3個(gè)稱重傳感器采用并聯(lián)連接，通過(guò)補(bǔ)償接線盒與數(shù)據(jù)采集器相連接，以減少傳感器靈敏度不一致引起的誤差。由于土桶的重量變化，引起傳感器應(yīng)力變化產(chǎn)生微伏級(jí)的電壓信號(hào)，再經(jīng)屏蔽傳輸電纜送往前置放大器進(jìn)行放大濾波，又經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件采集此數(shù)字信號(hào)進(jìn)行量化，并保存。本實(shí)用新型的如下優(yōu)點(diǎn):1、本實(shí)用新型的蒸滲計(jì)由于采用了強(qiáng)力彈簧預(yù)先抵消了蒸滲計(jì)的固定重量部分，既“死”負(fù)載，然后用靈敏度較高的稱重傳感器測(cè)量其“活”負(fù)載的重量變化，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器把測(cè)得的重量變化值轉(zhuǎn)化為與水面蒸發(fā)和降水量對(duì)應(yīng)的高度變化值。因此有較高的測(cè)量精度和靈敏度。2、因本實(shí)用新型采用了內(nèi)外桶雙層設(shè)計(jì)，并且在外桶內(nèi)壁上設(shè)置有絕熱材料，減少了桶內(nèi)土壤與周圍空氣之間的熱量側(cè)向交換，使桶內(nèi)土壤的熱狀況與被監(jiān)測(cè)處的周圍大田的情況相一致，提高了檢測(cè)的代表性。3、本實(shí)用新型在內(nèi)桶內(nèi)采用了在不同高度的平面上設(shè)置多套土壤濕度、溫度和熱通量傳感器的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桶內(nèi)外土壤水分、溫度和熱通量的差異，用于定量分析它們之間的差異，使整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)更具有代表性。4、本實(shí)用新型在桶內(nèi)土柱下的反濾層設(shè)置有由若干根多孔陶瓷管呈放射狀布置構(gòu)成的補(bǔ)水裝置，補(bǔ)水裝置的供水管與雙向水泵相連，如此形成本實(shí)用新型的水分平衡系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以根據(jù)土桶和周圍大田之間的土壤水分差異自動(dòng)給原狀土補(bǔ)充和抽取水分，確保原狀土與周圍大田的土壤水分保持一致，保證所測(cè)蒸散量的代表性。5、本實(shí)用新型在桶內(nèi)土柱下的反濾層設(shè)置有由若干根多孔陶瓷管呈放射狀布置構(gòu)成的補(bǔ)水裝置，補(bǔ)水裝置的供水管與雙向水泵相連，如此形成本實(shí)用新型的水分平衡系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以根據(jù)土桶和周圍大田之間的土壤水分差異自動(dòng)給原狀土補(bǔ)充和抽取水分，確保原狀土與周圍大田的土壤水分保持一致，保證所測(cè)蒸散量的代表性。
6、本實(shí)用新型可用系統(tǒng)軟件集設(shè)備自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、多要素圖形動(dòng)畫(huà)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和后期處理等功能于一體，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)生成采集文件并無(wú)線傳輸，提升了蒸滲計(jì)設(shè)備的自動(dòng)觀測(cè)水平。本實(shí)用新型可用系統(tǒng)軟件集設(shè)備自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、多要素圖形動(dòng)畫(huà)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和后期處理等功能于一體，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)生成采集文件并無(wú)線傳輸，提升了蒸滲計(jì)設(shè)備的自動(dòng)觀測(cè)水平。

附圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，附圖2為本實(shí)用新型的由若干根多孔陶瓷管呈放射狀布置構(gòu)成的補(bǔ)水裝置示意圖。圖中:1 一彈簧，2—壓力傳感器，3—溫度傳感器，4一濕度傳感器，5—補(bǔ)水陶瓷管，6-雙向水泵，7-流量計(jì)，8-采集控制器，9采集控制線路，10-補(bǔ)水容器，11一水管，12—桶，
13另外一層設(shè)置的檢測(cè)傳感器，14一隔離墻。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型
以下結(jié)合附圖說(shuō)明。本實(shí)用新型的蒸滲計(jì)的桶12為圓形，其具體實(shí)施例中有兩種，一種的有效蒸散面積為2m2，另一種的有效蒸散面積為4m2。在桶12內(nèi)放置土壤，在桶內(nèi)所形成的土柱深度分別為2m和2.5mο為了盡可能減小桶12內(nèi)外側(cè)向熱交換的影響，桶12采用內(nèi)外兩層的鋼桶，在本實(shí)用新型的實(shí)例中其內(nèi)鋼桶采用5mm厚的不銹鋼板，外鋼桶采用2mm厚的普通鋼板，在內(nèi)外桶之間填充有絕熱材料，用于阻止桶內(nèi)外側(cè)向熱交換。桶內(nèi)土柱為原狀土，原狀土應(yīng)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍大田土壤成份保持一致。土柱下設(shè)置35cm厚的反濾層。反濾層由粗沙和礫石組成，鋼桶上沿高出土柱表面約10cm，形成防水沿。在土桶和大田中分層安裝土壤水分傳感器4、溫度傳感器傳感器3和熱通量等傳感器(圖1中未表示)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桶內(nèi)外土壤水分、溫度、熱通量的變化。在土柱與反濾層粗沙的接觸部分安裝了自動(dòng)補(bǔ)(抽)水裝置，這一自動(dòng)補(bǔ)(抽)水裝置由若干根多孔陶瓷管呈放射狀布置構(gòu)成，參見(jiàn)附圖2，自動(dòng)補(bǔ)(抽)水裝置可以根據(jù)土桶與周圍大田土壤水分的差異自動(dòng)補(bǔ)充和抽取水分，以確保土桶內(nèi)水分與周圍大田保持一致。本實(shí)用新型的桶12的下方用三個(gè)性能一致的強(qiáng)力彈簧I支撐桶12及其內(nèi)的土柱的總“靜”質(zhì)量(即固定重量部分，也就是支撐桶12及其內(nèi)的土柱的“死”載荷)，同時(shí)在懸臂梁上設(shè)置由高精度壓力傳感器2和支架組成的重力傳感系統(tǒng)，用重力傳感系統(tǒng)檢測(cè)出支撐桶12及其內(nèi)的土柱的總質(zhì)量的改變量，而這一改變量正是由土柱中水分質(zhì)量的變化量。本實(shí)用新型的土壤水分、土壤溫度、土壤熱通量，以及支撐桶12及其內(nèi)的土柱的總質(zhì)量的改變量均通過(guò)相應(yīng)的傳感器檢測(cè)出來(lái)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信電纜線路9連接至數(shù)據(jù)采集器8中，所有采集的數(shù)據(jù)通過(guò)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器8將測(cè)得的重量變化值轉(zhuǎn)化為與水面蒸發(fā)和降水量對(duì)應(yīng)的高度變化值，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的控制，如啟動(dòng)雙向水泵補(bǔ)水或抽水作業(yè)。在本實(shí)用新型中3個(gè)稱重傳感器采用并聯(lián)連接，通過(guò)補(bǔ)償接線盒與數(shù)據(jù)采集器相連接，以減少傳感器靈敏度不一致引起的誤差。由于土桶的重量變化，引起傳感器應(yīng)力變化產(chǎn)生微伏級(jí)的電壓信號(hào)，再經(jīng)屏蔽傳輸電纜送往前置放大器進(jìn)行放大濾波，又經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件采集此數(shù)字信號(hào)進(jìn)行量化，并保存。由于蒸滲計(jì)與周圍大田在物理上相互隔離，其土桶重量變化值即為蒸散量、或降水量、滲漏量等要素 。具體計(jì)算利用地表水平衡方程式:AS=P+I+Q-AR-ET (I)式中:Λ S—土壤濕度(土壤蓄存水量)變化量(mm)、P —降水量(mm)、I一灌溉量(mm)、Q—地下補(bǔ)水或滲漏量(mm)、AR一地表徑流量(mm)、ET—蒸散量(mm)。對(duì)于蒸滲計(jì)，Λ R可忽略，方程(I)可改寫(xiě)為下式:ET=P+I+Q-AS (2)(2)式中，降雨量有自動(dòng)雨量站測(cè)量，灌溉量有人為控制，滲漏量和補(bǔ)水量、土壤濕度變化量通過(guò)蒸滲計(jì)測(cè)得，由此可獲得蒸散量。水分平衡系統(tǒng)可以根據(jù)土桶和周圍大田之間的土壤水分差異自動(dòng)給原狀土補(bǔ)充和抽取水分，確保原狀土與周圍大田的土壤水分保持一致，保證所測(cè)蒸散量的代表性。本實(shí)用新型在桶內(nèi)和大田相同高度上分層布設(shè)了土壤濕度、溫度、熱通量等多要素監(jiān)測(cè)傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桶內(nèi)外土壤水分、溫度和熱通量的差異，可用于定量分析不同
高度層的差異。
權(quán)利要求1.稱重式蒸滲計(jì)，其特征是包括:一個(gè)用金屬材料制成的內(nèi)桶和一個(gè)置于內(nèi)桶外的外桶，在外桶之內(nèi)設(shè)置有絕熱材料，在內(nèi)桶內(nèi)充填有與被檢測(cè)地相同土質(zhì)土壤形成土柱，土柱的上表面與內(nèi)桶的上邊緣間留有一個(gè)防水沿，土柱下設(shè)置35cm厚的由粗沙和礫石組成反濾層，在內(nèi)桶的土壤內(nèi)分別安放有土壤濕度、溫度和熱通量傳感器，傳感器的檢測(cè)信號(hào)輸出線與設(shè)置于外桶外的信號(hào)采集控制器相連，在外桶下底之上與內(nèi)桶的下底之下設(shè)置有三個(gè)用于支撐內(nèi)桶及其內(nèi)土壤固定質(zhì)量的壓縮彈簧和用于檢測(cè)出內(nèi)桶及其內(nèi)土壤固定質(zhì)量的變量的壓力傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稱重式蒸滲計(jì)，其特征是在內(nèi)桶內(nèi)設(shè)置有至少一套水分、溫度和熱通量傳感器，且每套水分、溫度和熱通量傳感器設(shè)置于同一高度的平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的稱重式蒸滲計(jì)，其特征是在桶內(nèi)土柱下的反濾層設(shè)置有由若干根多孔陶瓷管呈放射狀布置構(gòu)成的補(bǔ)水裝置，補(bǔ)水裝置的供水管與雙向水泵相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的稱重式蒸滲計(jì)，其特征在于連通補(bǔ)水裝置的供水管的水泵通過(guò)檢測(cè)水分、溫度和熱 通量傳感器的信號(hào)采集控制器進(jìn)行控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于監(jiān)檢測(cè)土壤中水分蒸騰與滲漏的稱重式蒸滲計(jì)。本實(shí)用新型的稱重式蒸滲計(jì)包括一個(gè)用金屬材料制成的內(nèi)桶和一個(gè)置于內(nèi)桶外的外桶，在外桶之內(nèi)設(shè)置有絕熱材料，在內(nèi)桶內(nèi)充填有與被監(jiān)測(cè)地相同土質(zhì)土壤，土壤的上表面與內(nèi)桶的上邊緣間留有一個(gè)防水沿，在內(nèi)桶的土壤內(nèi)分別安放有水分、溫度和熱通量傳感器，傳感器的檢測(cè)信號(hào)輸出線與設(shè)置于外桶外的信號(hào)采集控制器相連。在外桶下底之上與內(nèi)桶的下底之下設(shè)置有三個(gè)用于支撐內(nèi)桶及其內(nèi)土壤固定質(zhì)量的壓縮彈簧和用于檢測(cè)出內(nèi)桶及其內(nèi)土壤固定質(zhì)量的變量的壓力傳感器。本實(shí)用新型可實(shí)時(shí)檢測(cè)補(bǔ)監(jiān)測(cè)處土壤水分、溫度和熱通量的差異，用于定量分析它們之間的差異，使整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)更具有代表性。
文檔編號(hào)G01N5/04GK203117068SQ201320021110
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者楊興國(guó), 張旭東, 李曉峰, 孔令旺, 黨選發(fā), 馬鵬里, 楊啟國(guó), 柯曉新, 徐國(guó)昌, 閆敬澤, 林日暖 申請(qǐng)人:甘肅省氣象局