CN102914567A - 多路沙地水分动态监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路沙地水分动态监测仪，它是由沙地水分传感器电路、多路转换模拟开关电路、单片机系统、数字显示电路、数据存储电路和时钟值班电路等部分组成。本发明根据沙地水分多少对沙地溶液导电性的密切关系，通过测量电阻值R，可以快速的、精确的测定同一部面不同层次的沙地水分含量，可连续观测沙地水分的动态变化，并能区分沙地水分时日月季年的变化，用它观测渗透水速度也是一种比较好的装置。其次，本发明采用了太阳能硅电池向蓄电池供电，解决了野外无交流电的情况下也能正常工作，使仪器可靠性，抗干扰性得到提高。本仪器路数多，体积小，智能化强，操作简单，提高了工作效率和测量精度。

Description

多路沙地水分动态监测仪

技术领域

本发明涉及一种监测沙地含水量的仪器。

背景技术

沙地含水量与植物的成活和生长紧密相关，是重要的沙地特性指标之一。在测定沙地含水量时，多采用传统的供干法。由于沙地干燥，质地复杂，取土十分困难，造成工作量大，时间长，加之采取沙样的过程中，测点变动，沙地水分空间变异性带来的测定误差，不能满足野外定点连续测定沙地水分动态变化的要求。其次，由于沙漠和沙地质地结构复杂，如对较多的观测点进行同步连续观测，若采用土钻法进行测量，这样测得的水分结构将会有很大的失真误差或使数据处理复杂。

发明内容

为了更好地掌握沙地水分动态变化的过程，本发明的目的在于提供一种多路沙地水分动态监测仪。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种多路沙地水分动态监测仪，主要是由水分感湿探头、探头护套线、主机、硅太阳能组合电池和水分变送器组成。主机内置有蓄电瓶、充电器、主机的前面板设有显示器、充电灯、充电开关、232口、存储卡、操作按钮、主机开关、工作指示灯；主机后面板设有多路水分传感器插座和单片机控制板。主机包括多路转换模拟开关电路、单片机系统、数字显示电路、数据存储电路和时钟值班电路；单片机系统为单片机控制板以80C31为CPU，选高速COMS器件组成，单片机控制板分别与多路转换模拟开关电路、数字显示电路、数据存储电路、时钟值班电路连通，多路转换模拟开关电路连通主机开关、多路水分传感器插座；数字显示电路连通显示器；数据存储电路连通存储卡、操作按钮；时钟值班电路连通工作指示灯，硅太阳能组合电池连通蓄电瓶；蓄电瓶通过充电灯、充电开关与充电器连通；探头护套线装有水分感湿探头和水分变送器，水分感湿探头双面铜板间有电机碳刷，电机碳刷与探头连接线间有连接焊点，并用树脂包裹，探头连接线通过多路信号线与多路插头座连通；232口通过USB转232线与笔记本电脑连接。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、本发明采用了先进的微机单片机，COMS集成数字电路技术，利用计算机将数据储存、处理、计算、打印显示、还采用了太阳能硅电池向蓄电池供电，解决了野外无交流电的情况下也能正常工作，使仪器可靠性，抗干扰性得到提高。测量误差与烘干法|Δw|≤3％。本仪器路数多，体积小，智能化强，操作简单，连续采集沙地水分只需一人完成全部测量工作，无需观测人员在现场就可以按序置功能自动采集，集数据储存、处理、计算、显示、打印于一体，有利于加速沙地水分资料的积累过程，可以获得沙地水分的细微变化，没有严重的滞湿现象，便于沙地水分运动、入渗峰面移动等现象的研究，为科研人员提供大量的、准确的观测资料，大大缩短科研人员对一些问题的实验研究周期，可以使研究人员在尽可能短的时间内用最少的人力、物力取得较快的、较好的科研成果。

2、本发明选用了由一对碳刷裸电极做感湿探头，它具有不氧化、不变质、滞湿现象小，灵敏度高等特点。

3、本发明选用的硅太阳能使用温度范围宽(-60℃～-120℃)，寿命长，光电转换效率高(10％～20％)。免维护蓄电池特点是：(1)、内部无流动液体，任何方位放置均不影响仪器使用；(2)、整个使用期间无需补水补酸等维护工作，电池外表干净不会受潮；(3)、充电过程中所产生的气体能被特殊负极吸收，无须担心对仪器设备的腐蚀及污染，；(4)、使用寿命长，容量大，具有极低的内部自放电特性，能够给出稳定的大电流放电电压。可见这两种电池都具有优良的性能，由于上述特点目前这两种电池应用范围很广，与硅太阳能电池配合时更能显示出其之优越性，两者结合起来就可以构成适合野外用的电源装置。

附图说明

图1为本发明主机的后面板示意图。

图2为为本发明主机的后面板示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种多路沙地水分动态监测仪，主要是由水分感湿探头1、探头护套线2、主机26、硅太阳能组合电池27和水分变送器25组成。主机26内置有蓄电瓶11、充电器12、主机的前面板13设有显示器14、充电灯15、充电开关16、232口17、存储卡18、操作按钮19、主机开关20、工作指示灯21；主机26后面板10设有多路水分传感器插座9和单片机控制板22。主机26包括多路转换模拟开关电路、单片机系统、数字显示电路、数据存储电路和时钟值班电路；传感器变换电路是由高阻抗COMS集成电路组成高精度交变的脉冲电路，单片机系统为单片机控制板22以80C31为CPU，选高速COMS器件组成，控制测量、运算处理、地址锁存时钟值班电路由电源变换器件MAX632，时钟芯片MC146818及逻辑电路等组成；数字显示电路用12位液晶显示；数据存储电路用一片EPROM27C256；单片机控制板22分别与多路转换模拟开关电路、数字显示电路、数据存储电路、时钟值班电路连通，多路转换模拟开关电路连通主机开关20、多路水分传感器插座9；数字显示电路连通显示器14；数据存储电路连通存储卡18、操作按钮19；时钟值班电路连通工作指示灯21，硅太阳能组合电池27连通蓄电瓶11；蓄电瓶11通过充电灯15、充电开关16与充电器12连通；探头护套线2装有水分感湿探头1和水分变送器25，水分感湿探头1双面铜板4间有电机碳刷3，电机碳刷3与探头连接线6间有连接焊点5，并用树脂7包裹，探头连接线6通过多路信号线8与多路插头座9连通；232口17通过USB转232线24与笔记本电脑23连接。

下面就本发明原理及操作过程作进一步说明：

一、测量方法

本发明研制的多路沙地水分动态监测仪，是基于沙地属于多孔性物质，水以固体、液体、气体三种状态中的一种或多种状态存在于沙地空隙中，沙地是一种相对比较稳定的基质，水分在沙地中因能量的差异而移动，沙地水分的测量仪的原理是根据沙地水分多少对沙地溶液导电性的密切关系，沙地溶液的导电与欧姆定律相似。电阻率是反映沙地含水量的电参数，沙地含水量不同，各类矿物质的自然溶解度不同，其电阻率也不同。沙地含水量与电阻率的关系可由下式定性表示：

R＝Km-n

其中：R-电阻值；m-含水量；n-标定参数；K-常数。

由式中可知，电阻R只与含水率m有关，随着水分的增加电阻对数的减少，即使含水量变化比较小，电阻R的变化也很大，通过测量电阻值R，便可以较精确的测量沙地含水量。本发明选用了由一对碳刷裸电极做感湿探头埋入所测沙地的不同深度，感湿探头1之间的电阻随着沙地中的含水量而变化，经多路转换开关将传感器与测量电路接通，把电阻值变成频率的变化量。

a、沙地水分传感器电路

传感器电路是由高阻抗COMS集成电路组成高精度交变脉冲电路，这种电路能直接将模似量变换成频率，将感湿探头1埋入所测沙地的不同深度，感湿探头1之间的电阻随着沙地中的含水量而变化。当被测沙地中水分多，感湿探头之间的电阻值就小，输出的振荡频率就高。反之，沙地中的水分少，探头之间的电阻值就大，输出的振荡频率就低。由于沙地中含水量不同，探头之间的电阻值也就不同，测量的频率也就不同。在经整流和滤波后，输出0～5V的直流电压信号给计算机(80C31)。通过单片机软件计算处理，得出沙地含水量的值。

本发明采用路数为8、16、24、32、40、48、36、64，经多路转换开关将传感器与测量电路接通，把电阻值变成频率的变化量。传输距离≤100m。

b.多路转换模拟开关电路

多路转换模拟开关电路由逻辑电平转换电路、地址译码电路、开关通道三部分组成。它由8个4051组合成8*8＝64路的多路选择开关结构。多路开关用来检测水分参量，将被测的水分量线进行放大成归一化的电压量，然后经多路开关分时传输，取样/保持电路保持，再经转化成二进制数字量，最后送到微机进行处理或运算，在对所需的部件加以控制。

c.单片机系统

以80C31为CPU，选高速COMS器件组成，控制测量、运算处理、地址锁存和程序电路。显示用12位液晶显示年、月、日、时、分；前两位显路数，后四位显水分值，小数点两位。存储用一片EPROM27C256，以便水分资料整理、整编工作。用打印机记录时间、间隔和沙地水分值。为了简化操作，设计四个按键：回车键、中断键、数字+1、-1键，以便用户修改仪器中的时钟、仪器测量、采样间隔，传感器路数，采样地点号，水分上、下限报警等重要参数，为增强仪器的可靠性，设计有手动复位和自复位电路，保证仪器能在不同的条件下都能正常工作

d.时钟值班电路

全部先用微功耗器件组成，由电源变换器件MAX632，时钟芯片MC146818及逻辑电路等组成。MC146818芯片具有日历、时钟计时，可自动计数秒、分、时、日、月、年登，可程控定时中断，50字节低功耗静态RAM等功能。值班电路主要用来根据测量间隔的需要定时产生中断信号，控制仪器上电工作并保存一些特殊水分值和重要参数。

二、供电装置

仪器设置在野外观测现场，一般地只能用直流电供电，要使仪器在野外长期可靠地工作，选择合适的电源装置就显得十分重要，必须有一个稳定的电源装置，通常野外仪器使用有镉目电池和新型酸铅蓄电池，它们是一种免维护微型全密封蓄电池。

沙漠地区的特点是太阳能资源非常丰富，根据我国西部沙漠地区的气象资料统计，大部分地方全年日照时数约为3000小时左右，用太阳能电池是最为理想的，因此我们采用硅太阳能组合电池——免维护微型电池作为供电装置。

负载只由蓄电池11供给电流，随着负载不断消耗电流，蓄电池的电压逐渐降低，当电压降至某一值时，硅太阳能组合电池27通过充电器12向蓄电池11充电，而当蓄电池11的容量充足时，充电开关16使充电电路断开，这样可以防止充电过量，延长蓄电池11的使用寿命，这种工作方法的供电装置给出的电压稳定，并且不会因充电过分而影响蓄电池的使用寿命。

电源电压：DC直流6V；最大电流：显示400MA；静态40MA。

三、传感器的埋没与标定

a.感湿探头的埋没

感湿探头1埋设的深度10cm，20cm、40cm、60cm、80cm、100cm、120cm、140cm。根据作物的种类和田间的沙地水分状态，感湿探头1可垂直分布或水平分布，在不同深度尽量多选一些测定点，适用于易于干燥的沙地，主根群区，和无灌溉设施的草地和果园地等的水分变化观测。

在埋设时，尽量不要触动周围的沙地结构，感湿探头1埋设深度根据感测需要而设。用手提式图钻钻孔埋设，把感湿探头1水平放入观测点，周围用风成沙塞紧与感湿探头1密接，导线接出地面，用钻出的沙子风成干沙填满钻孔，认真捣实，经过一定时间水分平衡后才能观测。

留在地面上得导线末端，应尽量集中于一个插头上，以提高工作效率，可以在地的旁边用木料或塑料管搭一架子，将导线的插头排列放好，导线的长度，到10米左右都不会影响电阻值，在观测时可在架子上放设仪器观测记录。

b.水分值得标定

因沙地种类繁杂，还不能进行统一的标定，所以不同质地的沙地，分别用不同的沙地水分标定值，在同一位置连续进行测定，用其电阻值进行沙地水分比较，为了要从电阻值了解沙地水分含量或水分张力，则应分别求出各个沙地的电阻——含水量曲线或电阻——张力曲线。

电阻——含水量曲线的求解

采土称量法：埋设探头周围各个同电阻值时期的沙子，应用烘干法测定含水量，描出电阻——含水量曲线，将测定系数代入水分测量公式，进行计算机处理，最后将标定好的值储存在存储卡18中。

Claims (1)

1.一种多路沙地水分动态监测仪，主要是由水分感湿探头(1)、探头护套线(2)、主机(26)、硅太阳能组合电池(27)和水分变送器(25)组成，主机(26)内置有蓄电瓶(11)、充电器(12)、主机的前面板(13)设有显示器(14)、充电灯(15)、充电开关(16)、232口(17)、存储卡(18)、操作按钮(19)、主机开关(20)、工作指示灯(21)；主机(26)后面板(10)设有多路水分传感器插座(9)和单片机控制板(22)；其特征是主机(26)包括多路转换模拟开关电路、单片机系统、数字显示电路、数据存储电路和时钟值班电路；单片机系统为单片机控制板(22)以80C31为CPU，选高速COMS器件组成，单片机控制板(22)分别与多路转换模拟开关电路、数字显示电路、数据存储电路、时钟值班电路连通，多路转换模拟开关电路连通主机开关(20)、多路水分传感器插座(9)；数字显示电路连通显示器(14)；数据存储电路连通存储卡(18)、操作按钮(19)；时钟值班电路连通工作指示灯(21)，硅太阳能组合电池(27)连通蓄电瓶(11)；蓄电瓶(11)通过充电灯(15)、充电开关(16)与充电器(12)连通；探头护套线(2)装有水分感湿探头(1)和水分变送器(25)，水分感湿探头(1)双面铜板(4)间有电机碳刷(3)，电机碳刷(3)与探头连接线(6)间有连接焊点(5)，并用树脂(7)包裹，探头连接线(6)通过多路信号线(8)与多路插头座(9)连通；232口(17)通过USB转232线(24)与笔记本电脑(23)连接。

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