CN101936938A - 高频法土壤水分测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高频法土壤水分测量仪，包括非金属n头方牙螺纹套、高频电变换器，散射场电容式传感器、智能显示系统与微孔对穿电介常数ε件；其中非金属多头方牙螺纹套内依次嵌入三个金属电极，在三电极终端上加钻电极引线孔，三根信号引线通过电极引线过线孔引至电极引线孔并焊牢；信号引线对应连接高频电变换器的信号输入端，高频电变换器的信号输出端与智能显示系统中的信号输入端对应相接；电极与微孔对穿电介常数ε件的接触面取电极的1/2表面为工作面，微孔对穿电介常数ε件设置在散射场电容式传感器与被测土壤的中间。优点：结构紧凑、简单，实现垂直剖面上任一点水分的连续测量或非连续测量，方便得出土壤垂直剖面水分分布测量结果。

Description

高频法土壤水分测量仪

技术领域

本发明涉及的是一种高频法土壤水分测量仪。属土壤水分测量技术领域。

背景技术

现有土壤水分测量领域拥有直接测量和间接测量两大类方法，其中直接测量法实际上就是称重法；间接测量有电阻法、y射线法、中子法、时域(TDR)法、核磁共振法、遥感法等等。直接测量需要取出土样、间接测量不需取出土样，前者要破坏土壤结构后者不破坏土壤结构且能保持在一个固定点上，若干点的测量方便测知土壤垂直剖面的水分分布。但电阻法滞后、量程和准确度均只能满足需求不高的测量需要，间接测量的其它方法有的不利健康且造价太高不完全符合中国国情要求。土壤水是水文循环的主要环节，确定产流模式、制定流域模型，研究流域降雨径流与农作物生长都需要土壤水分信息。中国幅员辽阔需要的大量的土壤水分测量仪器应该先进、经济、实用，促成包括便携式测量装置在内的高频法土壤水分测量的研究。

发明内容

本发明提出的是一种高频法土壤水分测量仪，应用非金属n(n≥2，本发明令n＝3)头方牙螺纹中分别设置n(n＝3)个电极构成散射场电容测量传感器的方法实现非电量(水的)电测，同样适用于其它固态粉状物料水分的连续测量或非连续测量。

本发明的技术解决方案：其特征是包括非金属n头方牙螺纹套、高频电变换器，散射场电容式传感器、智能显示系统与微孔对穿电介常数ε件；其中非金属n头方牙螺纹套内依次嵌入三个金属电极，在三电极终端上加钻三个电极引线孔，三根信号引线通过电极引线过线孔分别引至各电极引线孔并焊牢；三根信号引线对应连接高频电变换器的三个信号输入端，高频电变换器的三个信号输出端与智能显示系统中的三个信号输入端对应相接；三电极与微孔对穿电介常数ε件的接触面取电极的1/2表面为工作面，微孔对穿电介常数ε件设置在散射场电容式传感器与被测土壤的中间。

本发明的优点是：结构紧凑、简单，操作方便，借把手和(转动螺杆用)把手定位孔101配合驱动传感器垂直升降可测知垂直剖面任一高度上的水分量获得垂直剖面水分分布。高精度，因为现代技术电容测量的分辨力达10^-6PF，更况本发明选择10^-6PF为基本条件之后，借螺纹斜边对(垂直)直角边的放大作用再按要求提高分辨力实现高精度测量，还加上通过微孔对穿ε件预设介电常数ε保障高精度条件。测量结果的记录、传递和保存方式要求，只要令显示系统10智能化并配备相应接口就可以方便实现目标要求。便宜、高性价比。用105℃烘干法刻度或以定ε值条件、用含水率(％)和水层厚变(mm)两种单位，同时给出土壤水分测量结果，以高精度和超然性为特点；用把手和(转动螺杆用)把手定位孔配合、顺时针或逆时针旋转传感器可以实现垂直剖面上任一点水分的连续测量或非连续测量，方便得出土壤垂直剖面水分分布测量结果。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是单头螺纹的结构示意图。

图3是3头螺纹的结构示意图。

图4是中轴底宽的示意图。

图5是高频电变换器的结构示意图。

图6是智能显示系统的结构示意图。

图中的1是螺杆柱、101是转动螺杆用把手定位孔、2是粘结剂、3是非金属多头方牙螺纹套、4是A电极、41是A电极引线孔、5是B电极、51是B电极引线孔、6是C电极、61是C电极引线孔、7是A、B、C电极引线过线孔、8是盖、9是电变换室、91是高频电变换器、10是智能显示系统、11是微孔对穿电介常数ε件、12是被测土壤。

具体实施方式：

对照附图，高频法土壤水分测量仪结构是包括非金属n(n≥2，本发明令n＝3)头方牙螺纹套3、高频电变换器91，散射场电容式传感器、智能显示系统10与微孔对穿电介常数ε11件；其中非金属n(n≥2，本发明令n＝3)头方牙螺纹套内依次嵌入金属A电极4、金属B电极5、金属C电极6，在A电极终端上加钻电极引线孔41，B电极终端上加钻电极引线孔51，C电极终端上加钻电极引线孔61，三根信号引线通过A、B、C电极引线过线孔7分别引至A电极引线孔41、B电极引线孔51、和C电极引线孔61并焊牢；三根信号引线对应连接高频电变换器91的三个信号输入端，高频电变换器91的三个信号输出端与智能显示系统10中的三个信号输入端对应相接；A电极4、B电极5、C电极6与微孔对穿电介常数ε件的接触面取电极的1/2表面为工作面，微孔对穿电介常数ε件设置在散射场电容式传感器与被测土壤12的中间。

高频电变换器91设在电变换室9内，电变换室9由盖8和螺杆柱1合成。

非金属多头方牙螺纹套与螺杆柱1用抗剪切力≥2kg/cm²的金属·非金属粘结剂粘为一体。

多个电极做成的螺纹参数相同。

采用微孔对穿电介常数ε件的ε值为定值或可调。

对照图2～4，各主要参数是：

螺距S-沿轴向相邻两齿的相同位置上点之间的距离；

导程T-螺纹转一圈沿轴向所移动的距离，单头螺纹(如图2)T＝S。多头螺纹(如图3)，其中三头螺纹T＝3S；

外径d₀-螺纹的最大直接；

底径d₁-螺纹的最小直接；

中径d_cp-螺纹的近似平均直接；

普通螺纹d_cp＝d₀-0.6495S，

梯形螺纹d_cp＝d₀-0.5S。

螺旋角β-中径的螺纹方向与垂直于轴线的平面之间的夹角；

齿形角α-螺纹两侧边之间的夹角；

普通螺纹α＝60°，

梯形螺纹α＝30°，

方牙螺纹α＝90°(本发明取值)

如果α≠90°，图4中轴底宽b为：

$b=\frac{s}{2}-(\mathrm{dcp}-d1)\mathrm{tg\α}/2---\left(1\right)$

(3)同种金属制A电极4，B电极5，C电极6。需要的长度Lm(单位为mm)为有效使用高度H₁和预置高度H₂的和(预置高度H₂主要用于电极终端(上端)

A电极引线孔41、B电极引线孔51、C电极引线孔61，三个(A电极4、B电极5、C电极6)金属电极长度相等各为Lm：

Lm＝H₁+H₂

＝KT+100                                (2)

＝K·π·d_cp·tg β+100(K为正整数)

(4)微孔对穿电介常数ε件；

(5)金属制盖8与电变换室9；

(6)电变换器(见附图5)

实现非电量(水的)电测用电变换器线路甚多，如：附图5可供电变换器91实用，它由两个部分组成：

A1.高频振荡部分：由C1、C2和L组成，其工作频率f_w

$f_w=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×\sqrt{L}\×(C_1+C_2)}---\left(3\right)$

A2.散射场电容测量传感器部分：用三元件“替代电路”表示，由传感器的有功电阻Rn、衬垫容抗Cn、A电极4、B电极5和C电极6并以图5示意接线方法接线。

实际上，A1和A2可以看成电容的并联，A2在被测对象水分变化作用下电容跟踪变化，电路输出频率Δf变化，将随水分变化的Δf作为智能显示系统10的输入信号输入A/D。

高频电变换器在被测对象水分每变化1％时将产生2～5PF左右的电容变化；要求0.1％的测量精度，电容分辨力不会大于10^-2PF，而实际的分辨力达10^-6PF，他们引发Δf的变量可用式(1)估算。

经实验(如105℃烘干法)刻度得出的Δf与水分对应关系的表格，或公式、经验公式与半经验公式编程存入程序储存器EPROM(见附图6)，所以实际测量只是以测得的Δf为依据去智能显示系统10查阅表格或依式计算将结果以预定的方式(显示)报告测量结果的过程。

(7)实现智能显示用智能系统多种多样，如附图6所示，可供智能显示系统10为实用方法之一，它由模数(A/D)转换器(如：7135)、单片微型计算机PI(如：8031)、并行接口I/O(如：8155)、程序存储器EPROM(如：2764)、LED显示器、记录器具(如微型打印机)、与另一微机的通讯和磁带机以及与用来操作(如：工作选择、数据预置等等)的键盘等部件构成；测量计算与工作程序一应俱全的存入程序存储器并受键盘控制，也就是说它已经“智能化”，只要供电并有Δf输入测量将自动进行。

用在粘合剂市售店查得的金属·非金属粘合适用的粘结剂(抗剪切力≥2kg/cm²)将非金属方牙螺纹套3与螺或杆柱1粘为一体，是否加温固化和固化用时间由选用粘结剂性能确定；

将A电极4、B电极5、C电极6依次旋入3头方牙螺纹套3(必要时可加粘结剂加固)；在各电极终端(上端)分别加钻电极引线孔41、51、和61；将备用的(信号)引线(3根)由A、B、C电极引线过线孔7上部向下分别引至电极引线孔41、51、和61焊牢；将所述的3根(信号)引线分别同电变换器91的输入端接线；将电变换器输出线引至螺或杆柱1外以方便与智能显示系统10接线；将盖8扭入螺杆柱1内；

将上述已装件旋入微孔对穿电介常数ε件11，而后埋入土钻成形的待测测点。

刻度或称标定的方法不止一种，如≤1×10^-3天平的105℃烘干法，最终取可以同时用含水率(％)和水层厚度(mm)双排显示测量结果，以方便不同需要。

用把手和(转动螺杆用)把手定位孔旋转散射场电容测量传感器至要测测点(垂直高度上的点)将电变换器9’输出与显示系统10输入端接牢，给电、按“测量”，按“显示”、LED双排显示含水率(％)和水层厚度(mm)，按“微打”打印测量结果，完成一次测量或为连续测量的开始。

Claims (5)

1.一种高频法土壤水分测量仪，其特征是包括非金属n头方牙螺纹套、高频电变换器，散射场电容式传感器、智能显示系统与微孔对穿电介常数ε件；其中非金属n头方牙螺纹套内依次嵌入金属A电极、金属B电极、金属C电极，在A电极终端上加钻A电极引线孔，B电极终端上加钻B电极引线，C电极终端上加钻C电极引线孔，三根信号引线通过A、B、C电极引线过线孔分别引至A电极引线孔、B电极引线孔、和C电极引线孔并焊牢；三根信号引线对应连接高频电变换器的三个信号输入端，高频电变换器的三个信号输出端与智能显示系统中的三个信号输入端对应相接；A电极、B电极、C电极与微孔对穿电介常数ε件的接触面取电极的1/2表面为工作面，微孔对穿电介常数ε件设置在散射场电容式传感器与被测土壤的中间。

2.根据权利要求1所述的一种高频法土壤水分测量仪，其特征是高频电变换器设在电变换室内，电变换室由盖和螺杆柱合成。

3.根据权利要求1所述的一种高频法土壤水分测量仪，其特征是非金属n头方牙螺纹套与螺杆柱(1)用抗剪切力≥2kg/cm²的金属·非金属粘结剂粘为一体。

4.根据权利要求1所述的一种高频法土壤水分测量仪，其特征是多个电极做成的螺纹参数相同。

5.根据权利要求1所述的一种高频法土壤水分测量仪，其特征在于采用微孔对穿电介常数ε件的ε值为定值或可调。

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