CN101598690A - 基于热脉冲的土壤水分测定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于热脉冲的土壤水分测定方法，包括以下步骤：步骤一、土壤样品制取；步骤二、风干土样含水量的测定；步骤三、准备标定土样；步骤四、计算每个圆筒内干土的重量；步骤五、安装土壤水分传感器；步骤六、确定标定土样未加水时含水量对应的热扩散时间；步骤七、确定标定土样加水后，在不同含水量时对应的热扩散时间；步骤八、拟合标定土样的土壤含水量与热扩散时间的函数关系；步骤九、测量待测大田土壤含水量；本发明提出的基于热脉冲的土壤水分测定方法，原理简单，准确率高，易于操作，对土壤破坏小，可连续多点定位或移动测定，不受土壤内部介质影响，应用范围广，无电磁辐射，对人体无伤害。

Description

基于热脉冲的土壤水分测定方法

技术领域

本发明是一种用热脉冲和热扩散原理测定土壤含水量的方法。

背景技术

土壤含水量是农业水土工程学、灌溉排水科学、作物栽培学、水文学、土壤学等众多学科领域进行科研所需要的基础数据之一。因此准确测定土壤含水量对于上述领域内和相关领域内的研究具有重要意义。现有的土壤含水量测量方法主要是电磁波和电磁辐射两种方法，这两种方法都比较复杂，受土壤内部介质影响较大，测量误差较大，且需要预埋测量管或者挖土壤剖面，对土壤破坏较大，测量时，需要人工现场操作，费时、费力、费工，十分麻烦。电磁辐射仪器发出的强辐射会对人体健康产生不利影响，且不能自动连续多点测定，因此其使用的数量在逐渐减少。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于热脉冲的土壤水分测定方法，该方法原理简单，准确率高，易于操作，对土壤破坏小，可连续多点定位或移动测定，不受土壤内部介质影响，应用范围广，无电磁辐射，对人体无伤害。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于热脉冲的土壤水分测定方法，包括以下步骤：

步骤一、土壤样品制取：在待测大田中选取适量土壤样品，将土壤样品放在室内风干，然后过筛，将过筛后的风干土样搅拌均匀，装在储存容器内；

步骤二、风干土样含水量的测定：从步骤一所述的储存容器内取出适量的风干土样，放置在烘箱内烘干，直至土壤的重量不变，然后过秤得到烘干后的风干土样重量，计算出风干土样的含水量；

步骤三、准备标定土样：制作标定圆筒组，标定圆筒组由多个独立的圆筒组成，每个圆筒的底端密封，顶端开口，从步骤一所述的储存容器中称取与圆筒个数相同份数的风干土样，每份风干土样的重量相同，然后将风干土样一一对应填入到这些圆筒中，并夯实，使圆筒内风干土样的土壤容重与待测大田的土壤容重相同；

步骤四、计算每个圆筒内干土的重量：利用步骤二获得的风干土样的含水量和步骤三中填入圆筒中的风干土样的重量计算出标定圆筒组中每个圆筒内干土的重量；

步骤五、安装土壤水分传感器：将土壤水分传感器分别插入到标定圆筒组内的每个圆筒中，将土壤水分传感器与采集控制器连接；

步骤六、确定标定土样未加水时含水量对应的热扩散时间：用采集控制器向标定圆筒组内的每个圆筒中的土壤水分传感器发射热脉冲信号，并测量每个圆筒中土壤水分传感器的温度变化过程，确定出每个圆筒中土壤水分传感器温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，取这些时间的平均值做为标定土样未加水时的含水量对应的热扩散时间；

步骤七、确定标定土样加水后，在不同含水量时对应的热扩散时间：通过多次加水的方式来改变标定圆筒组内的每个圆筒中的标定土样含水量，直至其饱和，每次向标定圆筒组内的每个圆筒中加入水的重量相同，利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出加水后标定土样的含水量，然后用采集控制器向标定圆筒组内的每个圆筒中的土壤水分传感器发射热脉冲信号，测量每个圆筒中土壤水分传感器的温度变化过程，确定出每个圆筒中土壤水分传感器温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，取这些时间的平均值做为该次加水后标定土样含水量对应的热扩散时间；

步骤八、拟合标定土样的土壤含水量与热扩散时间的函数关系：将步骤六和步骤七中取得的土壤含水量和对应的热扩散时间分别输入到现有的统计分析软件中，利用统计分析软件自动拟合标定土样的土壤含水量与热扩散时间的函数关系；

步骤九、测量待测大田土壤含水量：返回待测大田，在需要测量的位置安装土壤水分传感器和采集控制器，用采集控制器向安装的土壤水分传感器发射热脉冲信号，测量每个土壤水分传感器的温度变化过程，确定出每个土壤水分传感器温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，利用步骤八建立的土壤含水量与热扩散时间的函数关系，计算出每个土壤水分传感器测量的土壤含水量。

利用上述方法可以不需要预埋测量管件，减少对土壤的破坏，可实现自动连续多点测定，省时、省力、省工。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是在圆筒内安装水分传感器的结构示意图。

图3是统计分析软件Excel拟合出的θ＝f(t_T)的函数关系式曲线。

图4是返回大田后土壤水分测定的结构示意图。

具体实施方式

本发明是一种基于热脉冲的土壤水分测定方法，包括九个步骤，如图1所示。下面以北京通州的土壤为例，该土壤类型为砂壤土，风干土壤的含水量为0.08，饱和时的含水量为0.288，土壤容重为1.40g/cm³，下面详述本方法的各步骤：

步骤一、土壤样品制取：在待测大田中选取土壤样品约200kg，将土壤样品在室内风干，然后过孔径为1mm的筛子，将过筛后的风干土样装在一储存容器内；

步骤二、风干土样含水量的测定：从步骤一所述的容器中取出30.00g的风干土样放置在烘箱内，在105℃条件下烘干约24小时，直至土壤的重量不变，称重为27.78g，然后计算出风干土样的含水量θ₀＝(30.00-27.78)/27.78＝0.08。

步骤三、准备标定土样：制作标定圆筒组，标定圆筒组由五个独立的圆筒1、2、3、4、5组成，如图2所示，每个圆筒的底端密封，顶端开口，每个圆筒的直径为15cm，深度为20cm，从步骤一所述的储存容器中称取与圆筒个数相同份数的风干土样，每份风干土样的重量相同，其重量M＝4700g，分别一一对应填入五个圆筒1、2、3、4、5中，并分别夯实，使其土壤容重达到1.40g/cm³，即与待测大田的土壤容重相同。

步骤四、计算每个圆筒内干土的重量：通过步骤二获得的风干土样的含水量和步骤三中填入圆筒中的风干土样的重量计算出每个圆筒内干土的重量；圆筒内的干土重量为M₀＝4700*(1-0.08)＝4324g。

步骤五、安装土壤水分传感器：将五个土壤水分传感器6、7、8、9、10分别插入到标定圆筒组内的五个圆筒1、2、3、4、5中，将五个土壤水分传感器6、7、8、9、10与采集控制器15连接；如图2所示。

五个土壤水分传感器6、7、8、9、10的结构相同，每个土壤水分传感器有三个探针，分别是一号探针11、二号探针12、三号探针13，一号、三号探针11、13等距离的布置在二号探针12的两边，一号探针和三号探针的管腔中分别设置有感温元件，二号探针12内设置有电热元件。

使用时，通过采集控制器15给二号探针12一热脉冲信号，这时热脉冲信号以二号探针12为轴，以同心圆的形式向周围传输热量，测量一号、三号探针11、13的温度变化，通过分析温度的变化过程，可获得热扩散时间。

步骤六、确定标定土样未加水时含水量对应的热扩散时间：用采集控制器15向各个圆筒中的土壤水分传感器的二号探针12发射热脉冲信号，热脉冲延续时间为1s。用采集控制器15分别测量五个圆筒中土壤水分传感器的一号、三号探针11、13的温度变化，确定各个圆筒中一号、三号探针11、13温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，分别为t_T，0.1＝78s，t_T，0.2＝79s，t_T，0.3＝80s，t_T，0.4＝81s，t_T，0.5＝82s，取这五个时间的平均值t_T，0＝80s做为标定土样未加水时的含水量对应的热扩散时间；这时t_T，0＝80s对应的土壤含水量为风干土样含水量θ₀＝0.08。

步骤七、确定标定土样加水后，在不同含水量时对应的热扩散时间：

通过六次加水的方式来改变标定圆筒组内的五个圆筒1、2、3、4、5中的标定土样含水量：

第一次向五个圆筒1、2、3、4、5内分别加水150g，等水分在圆筒土壤内分布均匀后(约60分钟)，用采集控制器15分别测量五个圆筒中土壤水分传感器的一号、三号探针11、13的温度变化，确定各个圆筒中一号、三号探针11、13温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，该时间即为热扩散时间，五个圆筒内的热扩散时间分别为t_T，1.1＝53s，t_T，1.2＝54s，t_T，1.3＝55s，t_T，1.4＝56s，t_T，1.5＝57s，计算这五个时间的平均值t_T，1＝55s，然后利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出第一次加水后，圆筒内土壤含水量θ₁， ${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_0+\frac{150}{M_0}=0.08+\frac{150}{4324}=0.115.$ 即第一次加水后，土壤含水量为0.115，其对应的热扩散时间t_T，1＝55s。

第二次向五个圆筒1、2、3、4、5内分别加水150g，等水分在圆筒土壤内分布均匀后(约60分钟)，用采集控制器15分别测量五个圆筒中土壤水分传感器的一号、三号探针11、13的温度变化，确定各个圆筒中一号、三号探针11、13温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，该时间即为热扩散时间，五个圆筒内的热扩散时间分别为t_T，2.1＝33s，t_T，2.2＝34s，t_T，2.3＝35s，t_T，2.4＝36s，t_T，2.5＝37s，计算这五个时间的平均值t_T，2＝35s，然后利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出第二次加水后，圆筒内土壤含水量θ₂， ${\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_1+\frac{150}{M_0}=0.115+\frac{150}{4324}=0.149.$ 即第二次加水后，土壤含水量为0.149，其对应的热扩散时间t_T，2＝35s。

第三次向五个圆筒1、2、3、4、5内分别加水150g，等水分在圆筒土壤内分布均匀后(约60分钟)，用采集控制器15分别测量五个圆筒中土壤水分传感器的一号、三号探针11、13的温度变化，确定各个圆筒中一号、三号探针11、13温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，该时间即为热扩散时间，五个圆筒内的热扩散时间分别为t_T，3.1＝15s，t_T，3.2＝16s，t_T，3.3＝17s，t_T，3.4＝18s，t_T，3.5＝19s，计算这五个时间的平均值t_T，3＝17s，然后利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出第三次加水后，圆筒内土壤含水量θ₃， ${\mathrm{\θ}}_3={\mathrm{\θ}}_2+\frac{150}{M_0}=0.149+\frac{150}{4324}=0.184.$ 即第三次加水后，土壤含水量为0.184，其对应的热扩散时间t_T，3＝17s。

第四次向五个圆筒1、2、3、4、5内分别加水150g，等水分在圆筒土壤内分布均匀后(约60分钟)，用采集控制器15分别测量五个圆筒中土壤水分传感器的一号、三号探针11、13的温度变化，确定各个圆筒中一号、三号探针11、13温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，该时间即为热扩散时间，五个圆筒内的热扩散时间分别为t_T，4.1＝7.0s，t_T，4.2＝7.5s，t_T，4.3＝8.0s，t_T，4.4＝8.5s，t_T，4.5＝9.0s，计算这五个时间的平均值t_T，4＝8.0s，然后利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出第四次加水后，圆筒内土壤含水量θ₄， ${\mathrm{\θ}}_4={\mathrm{\θ}}_3+\frac{150}{M_0}=0.184+\frac{150}{4324}=0.219.$ 即第四次加水后，土壤含水量为0.219，其对应的热扩散时间t_T，4＝8.0s。

第五次向五个圆筒1、2、3、4、5内分别加水150g，等水分在圆筒土壤内分布均匀后(约60分钟)，用采集控制器15分别测量五个圆筒中土壤水分传感器的一号、三号探针11、13的温度变化，确定各个圆筒中一号、三号探针11、13温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，该时间即为热扩散时间，五个圆筒内的热扩散时间分别为t_T，5.1＝4.5s，t_T，5.2＝4.8s，t_T，5.3＝5.0s，t_T，5.4＝5.2s，t_T，5.5＝5.5s，计算这五个时间的平均值t_T，5＝5.0s，然后利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出第五次加水后，圆筒内土壤含水量θ₅， ${\mathrm{\θ}}_5={\mathrm{\θ}}_4+\frac{150}{M_0}=0.219+\frac{150}{4324}=0.253.$ 即第五次加水后，土壤含水量为0.253，其对应热扩散时间t_T，5＝5.0s。

第六次向五个圆筒1、2、3、4、5内分别加水150g，等水分在圆筒土壤内分布均匀后(约60分钟)，用采集控制器15分别测量五个圆筒中土壤水分传感器的一号、三号探针11、13的温度变化，确定各个圆筒中一号、三号探针11、13温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，该时间即为热扩散时间，五个圆筒内的热扩散时间分别为t_T，6.1＝2.5s，t_T，6.2＝2.8s，t_T，6.3＝3.0s，t_T，6.4＝3.2s，t_T，6.5＝3.5s，计算这五个时间的平均值t_T，6＝3.0s，然后利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出第六次加水后，圆筒内土壤含水量θ₆， ${\mathrm{\θ}}_6={\mathrm{\θ}}_5+\frac{150}{M_0}=0.253+\frac{150}{4324}=0.288.$ 第六次加水后土壤的重量含水量等于饱和含水量，因此不用再继续加水。第六次加水后，土壤含水量为饱和含水量0.288，其对应的热扩散时间t_T，6＝3.0s。

步骤八、拟合标定土样的土壤含水量与热扩散时间的函数关系：将步骤六和步骤七中取得的土壤含水量θ₀、θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆和对应的热扩散时间t_T，0、t_T，1、t_T，2、t_T，3、t_T，4、t_T，5、t_T，6输入到现有的统计分析软件Excel中；

θ₀、θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆的值分别为0.08、0.115、0.149、0.184、0.219、0.253、0.288，t_T，0、t_T，1、t_T，2、t_T，3、t_T，4、t_T，5、t_T，6的值分别为80s、55s、35s、17s、8s、5s、3s，利用统计分析软件Excel拟合出θ＝f(t_T)的函数关系式为θ＝-0.0597ln(t_T)+0.351。如图3所示。

步骤九、测量待测大田土壤含水量：返回待测大田14，在需要测量的位置安装土壤水分传感器如图4所示，将各个土壤水分传感器与采集控制器连接，用采集控制器向安装的土壤水分传感器发射热脉冲信号，测量每个土壤水分传感器的温度变化过程，确定出每个土壤水分传感器温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，利用步骤八建立的土壤含水量与热扩散时间的函数关系θ＝-0.0597ln(t_T)+0.351，计算出每个土壤水分传感器测量的土壤含水量。

Claims (1)

1.一种基于热脉冲的土壤水分测定方法，包括以下步骤：

步骤一、土壤样品制取：在待测大田中选取适量土壤样品，将土壤样品放在室内风干，然后过筛，将过筛后的风干土样搅拌均匀，装在储存容器内；

步骤二、风干土样含水量的测定：从步骤一所述的储存容器内取出适量的风干土样，放置在烘箱内烘干，直至土壤的重量不变，然后过秤得到烘干后的风干土样重量，计算出风干土样的含水量；

步骤三、准备标定土样：制作标定圆筒组，标定圆筒组由多个独立的圆筒组成，每个圆筒的底端密封，顶端开口，从步骤一所述的储存容器中称取与圆筒个数相同份数的风干土样，每份风干土样的重量相同，然后将风干土样一一对应填入到这些圆筒中，并夯实，使圆筒内风干土样的土壤容重与待测大田的土壤容重相同；

步骤四、计算每个圆筒内干土的重量：利用步骤二获得的风干土样的含水量和步骤三中填入圆筒中的风干土样的重量计算出标定圆筒组中每个圆筒内干土的重量；

步骤五、安装土壤水分传感器：将土壤水分传感器分别插入到标定圆筒组内的每个圆筒中，将土壤水分传感器与采集控制器连接；

步骤六、确定标定土样未加水时含水量对应的热扩散时间：用采集控制器向标定圆筒组内的每个圆筒中的土壤水分传感器发射热脉冲信号，并测量每个圆筒中土壤水分传感器的温度变化过程，确定出每个圆筒中土壤水分传感器温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，取这些时间的平均值做为标定土样未加水时的含水量对应的热扩散时间；

步骤七、确定标定土样加水后，在不同含水量时对应的热扩散时间：通过多次加水的方式来改变标定圆筒组内的每个圆筒中的标定土样含水量，直至其饱和，每次向标定圆筒组内的每个圆筒中加入水的重量相同，利用步骤四获得的圆筒内干土的重量和所加水量，计算出加水后标定土样的含水量，然后用采集控制器向标定圆筒组内的每个圆筒中的土壤水分传感器发射热脉冲信号，测量每个圆筒中土壤水分传感器的温度变化过程，确定出每个圆筒中土壤水分传感器温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，取这些时间的平均值做为该次加水后标定土样含水量对应的热扩散时间；

步骤八、拟合标定土样的土壤含水量与热扩散时间的函数关系：将步骤六和步骤七中取得的土壤含水量和对应的热扩散时间分别输入到现有的统计分析软件中，利用统计分析软件自动拟合标定土样的土壤含水量与热扩散时间的函数关系；

步骤九、测量待测大田土壤含水量：返回待测大田，在需要测量的位置安装土壤水分传感器和采集控制器，用采集控制器向安装的土壤水分传感器发射热脉冲信号，测量每个土壤水分传感器的温度变化过程，确定出每个土壤水分传感器温度达到最大值时距离热脉冲发出的时间，利用步骤八建立的土壤含水量与热扩散时间的函数关系，计算出每个土壤水分传感器测量的土壤含水量。

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