CN103063712A - 分层式土壤水分蒸渗传感器及其安置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层式土壤水分蒸渗传感器及其安置方法，包括有若干层水平设置的蒸渗感湿片，所述的蒸渗感湿片中间设有固定座，每层蒸渗感湿片的固定座之间均由竖筒节承插固定，每层蒸渗感湿片之间均等距安插有数根定位杆支撑定位，每层蒸渗感湿片上均安装有电导率电极圈和热敏装置，每层蒸渗感湿片之间均填充满原质测试土。本发明能全天候监测测试点地面下设定深度内的土壤水分蒸渗量，具有精度高、分辨率好、安装简便、造价低、实时且连续采集数据等特点，适于田间尺度的土壤水分运移的观测，是一种先进的土壤水分运移信息采集系统的仪器设备。

Description

分层式土壤水分蒸渗传感器及其安置方法

技术领域

本发明涉及一种测试土壤水分蒸发、渗透量的一种传感器，尤其涉及一种分层式土壤水分蒸渗传感器及其安置方法。

背景技术

目前，通常采用烘干法、负压计法、中子水分仪法、时域反射法或频域法等方法进行土壤水分蒸渗数据的采集，由于上述方法存在着不能即时和连续采集土壤水分交换信息的数据、环境要求高、自动化程度低、测试深度浅、人为因素干扰大等的问题，给土壤水分运移的信息采集与模拟研究带来不便。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种分层式土壤水分蒸渗传感器及其安置方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种分层式土壤水分蒸渗传感器，包括有若干层水平设置的蒸渗感湿片，所述的蒸渗感湿片中间设有固定座，每层蒸渗感湿片的固定座之间均由竖筒节承插固定，每层蒸渗感湿片之间均等距安插有数根定位杆支撑定位，每层蒸渗感湿片上均安装有电导率电极圈和热敏装置，每层蒸渗感湿片之间均填充满原质测试土，形成等距分层串插承接的土壤水分蒸渗传感器，顶层的蒸渗感湿片与地面平齐，顶层蒸渗感湿片固定座的顶面上有盖板，底层蒸渗感湿片固定座的底面上有底板，在测试坑的地面上覆盖有砂砾保护层，在测试坑的周围设置有排水沟。

所述的蒸渗感湿片为轮辐形状的等厚圆片，边缘设有围框，所述的电导率电极圈镶嵌于围框侧面的凹槽内，围框上开有若干个定位孔，中间有固定座，围框与固定座之间有放射状的数根辐条，相邻的两根辐条中间均有系杆连接，所述的辐条横断面为等宽的矩形，辐条顶面与底面上各开有一条凹槽，凹槽内均镶嵌有电极条，上、下电极条分别与所述的电导率电极圈连接构成上电极片和下电极片，所述的固定座中心有通孔，上电极片和下电极片的连接电缆分别从固定座内引出，所述的辐条的四周外侧面上涂有湿敏材料，由辐条、上电极片、下电极片、湿敏材料、连接电缆线构成蒸渗感湿片的湿敏元件。所述的电导率电极圈为圆圈形电极，由上往下的奇数层蒸渗感湿片电导率电极圈为正极，偶数层蒸渗感湿片电导率电极圈为负极，由相邻的两片蒸渗感湿片的正负电导率电极圈、原质测试土、连接电缆线构成电导率装置。

所述的热敏装置为扇面形薄片，外侧设有边框，中间设有热敏元件固定座，热敏元件固定座上安装有热敏元件，热敏元件固定座与边框之间分布着放射状导热丝，边框的两条直边上分别设有一对挂钩。

顶层的蒸渗感湿片的固定座的顶面上设有盖板，底层的蒸渗感湿片的固定座的底面上设有底板。

所述的各层蒸渗感湿片、电导率电极圈、热敏装置的形状与尺寸均相同，所述的竖筒节为圆筒形状，竖筒节的两端均有承插头，所述的定位杆为等直径的圆杆。

一种分层式土壤水分蒸渗传感器的安置方法，包括以下步骤：

（1）在土壤蒸渗测试点的地面上，清除地表杂物后，画出圆形测试坑的开挖范围；

（2）按设计厚度水平分层挖出原质的测试土，不同水平层的原质测试土分别编号装入塑料袋，直至挖达设计的深度；

（3）在测试坑坑底均匀撒布一层松土，在底层蒸渗感湿片固定座的底面安装底板及辐条上安装热敏装置后，把底层蒸渗感湿片水平放置于测试坑坑底的中心，在底层蒸渗感湿片固定座承插口内插入竖筒节，以及在围框的数个定位孔内分别插入定位杆，再把电导率电极圈、热敏元件的电缆穿入竖筒节的导线孔，与底层蒸渗感湿片固定座内的电缆捆扎在一起并编号，然后按编号的原质测试土撒布、压实在底层蒸渗感湿片上，填至与竖筒节的高度平齐；

（4）取一片蒸渗感湿片，在该蒸渗感湿片的辐条上安装热敏装置，把蒸渗感湿片固定座承插于底层的竖筒节后，以安置底层蒸渗感湿片的方式安置本层蒸渗感湿片，依次循环往上，直至埋置完与地面平齐的顶层蒸渗感湿片，最后盖上顶层蒸渗感湿片固定座的盖板，并在盖板的电缆固定头内引出电缆；

（5）在测试坑范围内的地面上，铺筑一层圆形的砂砾保护层，在砂砾保护层的周围挖出排水沟，围上保护栅栏，完成分层式土壤水分蒸渗传感器的安置；

（6）将分层式土壤水分蒸渗传感器的电缆与土壤水分蒸渗仪联接，进行土壤水分蒸渗量的测试。

本发明的工作原理是：为了能连续测出测试点处地面以下土壤水分的蒸发或入渗量，在沿地表土以下竖直方向上设置等距的原质测试土层，在每层原质测试土层的中间设置有一层水平的蒸渗感湿片，原质测试土层与蒸渗感湿片紧密接触，土壤水分经蒸渗感湿片辐条之间的空隙蒸发或入渗，各蒸渗感湿片辐条上设置有对原质测试土层水分含量敏感的湿敏元件，该湿敏元件的电阻率与土壤含水量成反比，达到由湿敏元件输出土壤水分蒸渗量的传感信号。现由原质测试土层与一片蒸渗感湿片，构成一个土壤水分蒸渗的测试单元，将多个测试单元组合成分层式土壤水分蒸渗传感器，以此获得不同土壤深度的水分蒸渗量。如在相邻时刻（时刻t与t-Δt）第k层及其以下各层原质测试土的水分含量保持不变（该层土壤可为饱和或非饱和），可认为该层及以下的各层土壤在该时段内尚未发生水分入渗或蒸发。由第k-1层土层开始，依次向上，直至地表土层，各原质测试土层与相邻原质测试土层的水分交换量（蒸发或入渗量），可据水量平衡计算获得。具体计算为：设第k层及其以下各层原质测试土相邻时刻（时刻t与t-Δt）含水量保持不变，即在时刻t与t-Δt的水分含量分别为

和

，满足

=

，设第k-1层与第k-2层土壤的水分交换量为IE^k-1，则有：。第k-2层与第k-3层土壤的水分交换量为IE^k-2，有

。依次上推，可获得各层土壤与相邻层土壤的水分交换量（入渗量或蒸发量）。若IEⁱ（i=1， 2， …， k-1）为正，表示水分由第i-1层土壤向第i层土壤入渗，IEⁱ为负，表示水分由第i层土壤向第i-1层土壤蒸发。第1层（顶层）土壤与大气的水分交换为IE¹，IE¹为正，表示降水（灌溉）入渗，IE¹为负，表示表层土壤水分蒸发，所以分层式土壤水分蒸渗传感器可测试出测试点处不同深度土层的水分蒸渗量。

所述的蒸渗感湿片的工作原理：为了测试出原质测试土层的水分含量，蒸渗感湿片在辐条的顶面与底面凹槽内设置上电极片和下电极片，在辐条四周外侧面上涂有湿敏材料，构成蒸渗感湿片的湿敏元件。当土壤的水分含量改变，经土壤的传递及湿敏元件湿敏材料的吸湿作用，湿敏元件的电阻率将发生改变，便能输出该原质测试土层水分含量的传感信号。

所述的电导率电极圈装置工作原理：为了测试出原质测试土层的电导率参数，根据被测土壤为松散结构，以及由土粒、水、空气组成的特点，土壤中的水分增加，土壤的电导率就增加，反则降低。现采用在蒸渗感湿片外侧边缘设置较好接触方式的圆形电极圈，并以奇数层蒸渗感湿片电导率电极圈为正极，偶数层蒸渗感湿片电导率电极圈为负极，两片蒸渗感湿片之间的原质测试土为导电介质，由相邻两片蒸渗感湿片的正负电导率电极圈、原质测试土、连接电缆线构成电导率装置。当测试点处的土壤水分含量发生改变时，各层的电导率装置便能输出不同深度原质测试土层电导率的传感信号。

所述的热敏装置工作原理：为了测试出原质测试土层的温度参数，根据被测土壤为松散结构，以及由土粒、水、空气组成的特点，在热敏装置边框内设置有与金属热敏元件座连接的放射状导热丝，以增加热敏元件与土壤接触的范围和面积。当被测试土壤的温度发生改变，经导热丝的导热，安装在各层蒸渗感湿片上的热敏装置，便能有代表性地输出不同深度原质测试土层温度的传感信号。

本发明的优点是：本发明能全天候监测测试点地面下设定深度内的土壤水分蒸渗量，具有精度高、分辨率好、安装简便、造价低、实时且连续采集数据等特点，适于田间尺度的土壤水分运移的观测，是一种先进的土壤水分运移信息采集系统的仪器设备。

附图说明

图1为本发明正剖视结构示意图。

图2为本发明俯剖视结构示意图。

图3为本发明的蒸渗感湿片正剖视结构示意图。

图4为本发明的蒸渗感湿片俯视结构示意图。

图5为本发明的热敏装置正视结构示意图。

图6为本发明的热敏装置俯视结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种分层式土壤水分蒸渗传感器，包括有若干层水平设置的蒸渗感湿片11，所述的蒸渗感湿片11中间设有固定座13，每层蒸渗感湿片11的固定座13之间均由竖筒节2承插固定，每层蒸渗感湿片11之间均等距安插有数根定位杆3支撑定位，每层蒸渗感湿片11上均安装有电导率电极圈21和热敏装置31，每层蒸渗感湿片11之间均填充满原质测试土8，形成等距分层串插承接的土壤水分蒸渗传感器，顶层的蒸渗感湿片11与地面6平齐，顶层蒸渗感湿片11固定座13的顶面上有盖板5，底层蒸渗感湿片11固定座13的底面上有底板4，在测试坑7的地面6上覆盖有砂砾保护层9，在测试坑7的周围设置有排水沟10。

如图3、4所示，所述的蒸渗感湿片11为轮辐形状的等厚圆片，边缘设有围框12，所述的电导率电极圈21镶嵌于围框12侧面的凹槽内，围框12上开有若干个定位孔16，中间有固定座13，围框12与固定座13之间有放射状的数根辐条14，相邻的两根辐条14中间均有系杆15连接，所述的辐条14横断面为等宽的矩形，辐条14顶面与底面上各开有一条凹槽，凹槽内均镶嵌有电极条，上、下电极条分别与所述的电导率电极圈21连接构成上电极片17和下电极片18，所述的固定座13中心有通孔，上电极片17和下电极片18的连接电缆分别从固定座13内引出，所述的辐条14的四周外侧面上涂有湿敏材料19，由辐条14、上电极片17、下电极片18、湿敏材料19、连接电缆线构成蒸渗感湿片11的湿敏元件。所述的电导率电极圈21为圆圈形电极，由上往下的奇数层蒸渗感湿片11电导率电极圈21为正极，偶数层蒸渗感湿片11电导率电极圈21为负极，由相邻的两片蒸渗感湿片11的正负电导率电极圈21、原质测试土8、连接电缆线构成电导率装置。

如图5、6所示，所述的热敏装置31为扇面形薄片，外侧设有边框32，中间设有热敏元件固定座35，热敏元件固定座35上安装有热敏元件36，热敏元件固定座35与边框32之间分布着放射状导热丝34，边框32的两条直边上分别设有一对挂钩33。

顶层的蒸渗感湿片11的固定座13的顶面上设有盖板5，底层的蒸渗感湿片11的固定座13的底面上设有底板4。

所述的各层蒸渗感湿片11、电导率电极圈21、热敏装置31的形状与尺寸均相同，所述的竖筒节2为圆筒形状，竖筒节2的两端均有承插头，所述的定位杆3为等直径的圆杆。

一种分层式土壤水分蒸渗传感器的安置方法，包括以下步骤：

（1）在土壤蒸渗测试点的地面6上，清除地表杂物后，画出圆形测试坑7的开挖范围；

（2）按设计厚度水平分层挖出原质测试土8，不同水平层的原质测试土8分别编号装入塑料袋，直至挖达设计的深度；

（3）在测试坑7坑底均匀撒布一层松土，在底层蒸渗感湿片11固定座13的底面安装底板4及辐条14上安装热敏装置31后，把底层蒸渗感湿片11水平放置于测试坑7坑底的中心，在底层蒸渗感湿片11固定座13承插口内插入竖筒节2，以及在围框12的数个定位孔16内分别插入定位杆3，再把电导率电极圈21、热敏元件36的电缆穿入竖筒节2的导线孔，与底层蒸渗感湿片11固定座13内的电缆捆扎在一起并编号，然后按编号的原质测试土8撒布、压实在底层蒸渗感湿片11上，填至与竖筒节2的高度平齐；

（4）取一片蒸渗感湿片11，在该蒸渗感湿片11的辐条14上安装热敏装置31，把蒸渗感湿片11固定座13承插于底层的竖筒节2后，以安置底层蒸渗感湿片11的方式安置本层蒸渗感湿片11，依次循环往上，直至埋置完与地面6平齐的顶层蒸渗感湿片11，最后盖上顶层蒸渗感湿片11固定座13的盖板5，并在盖板5的电缆固定头内引出电缆。

（5）在测试坑7范围内的地面6上，铺筑一层圆形的砂砾保护层9，在砂砾保护层9的周围挖出排水沟10，围上保护栅栏，完成分层式土壤水分蒸渗传感器的安置；

（6）将分层式土壤水分蒸渗传感器的电缆与土壤水分蒸渗仪联接，进行土壤水分蒸渗量的测试。

蒸渗感湿片11的作用是传感土壤测试层的干湿程度；围框12的作用是固定辐条14、定位杆3，以及安置电导率电极圈21；固定座13的作用是固定辐条14，承插固定竖筒节2；辐条14的作用是固定上电极片17、下电极片18，裹涂湿敏材料19后形成湿敏元件；系杆15的作用是加固辐条14；定位孔16的作用是插入定位杆3；上电极片17的作用是湿敏元件的电极；下电极片18的作用是湿敏元件的电极；湿敏材料19的作用是感湿材料；

电导率电极圈21的作用是电导率传感装置的电极；

热敏装置31的作用是传感土壤的温度；边框32的作用是固定导热丝34，安置挂钩33；挂钩33的作用是将热敏装置31固定在辐条14上；导热丝34的作用是传导土壤的温度于热敏元件固定座35；热敏元件固定座35的作用是安置热敏元件36，传导土壤的温度；热敏元件36的作用是测试土的温度传感元件。

分层式土壤水分蒸渗传感器性能：量程为5%～100% RH；精度为±5%RH；分辨率为0.01RH；响应时间为吸湿≤20S；脱湿≤40S；每测试土层厚度：10cm；测试深度为2m。

Claims (6)

1.一种分层式土壤水分蒸渗传感器，其特征在于：包括有若干层水平设置的蒸渗感湿片，所述的蒸渗感湿片中间设有固定座，每层蒸渗感湿片的固定座之间均由竖筒节承插固定，每层蒸渗感湿片之间均等距安插有数根定位杆，每层蒸渗感湿片上均安装有电导率电极圈和热敏装置，每层蒸渗感湿片之间均填充满原质测试土。

2.根据权利要求1所述的分层式土壤水分蒸渗传感器，其特征在于：所述的蒸渗感湿片为轮辐形状的等厚圆片，边缘设有围框，所述的电导率电极圈镶嵌于围框侧面的凹槽内，围框上开有若干个定位孔，中间有固定座，围框与固定座之间有放射状的数根辐条，相邻的两根辐条中间均有系杆连接，所述的辐条横断面为等宽的矩形，辐条顶面与底面上各开有一条凹槽，凹槽内均镶嵌有电极条，上、下电极条分别与所述的电导率电极圈连接构成上电极片和下电极片，所述的固定座中心有通孔，上电极片和下电极片的连接电缆分别从固定座内引出，所述的辐条的四周外侧面上涂有湿敏材料。

3.根据权利要求1所述的分层式土壤水分蒸渗传感器，其特征在于：所述的热敏装置为扇面形薄片，外侧设有边框，中间设有热敏元件固定座，热敏元件固定座上安装有热敏元件，热敏元件固定座与边框之间分布着放射状导热丝，边框的两条直边上分别设有一对挂钩。

4.根据权利要求1所述的分层式土壤水分蒸渗传感器，其特征在于：顶层的蒸渗感湿片的固定座的顶面上设有盖板，底层的蒸渗感湿片的固定座的底面上设有底板。

5.根据权利要求1所述的分层式土壤水分蒸渗传感器，其特征在于：所述的各层蒸渗感湿片、电导率电极圈、热敏装置的形状与尺寸均相同，所述的竖筒节为圆筒形状，竖筒节的两端均有承插头，所述的定位杆为等直径的圆杆。

6.一种分层式土壤水分蒸渗传感器的安置方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在土壤蒸渗测试点的地面上，清除地表杂物后，画出圆形测试坑的开挖范围；

（2）按设计厚度水平分层挖出原质的测试土，不同水平层的原质测试土分别编号装入塑料袋，直至挖达设计的深度；

（3）在测试坑坑底均匀撒布一层松土，在底层蒸渗感湿片固定座的底面安装底板及辐条上安装热敏装置后，把底层蒸渗感湿片水平放置于测试坑坑底的中心，在底层蒸渗感湿片固定座承插口内插入竖筒节，以及在围框的数个定位孔内分别插入定位杆，再把电导率电极圈、热敏元件的电缆穿入竖筒节的导线孔，与底层蒸渗感湿片固定座内的电缆捆扎在一起并编号，然后按编号的原质测试土撒布、压实在底层蒸渗感湿片上，填至与竖筒节的高度平齐；

（4）取一片蒸渗感湿片，在该蒸渗感湿片的辐条上安装热敏装置，把蒸渗感湿片固定座承插于底层的竖筒节后，以安置底层蒸渗感湿片的方式安置本层蒸渗感湿片，依次循环往上，直至埋置完与地面平齐的顶层蒸渗感湿片，最后盖上顶层蒸渗感湿片固定座的盖板，并在盖板的电缆固定头内引出电缆；

（5）在测试坑范围内的地面上，铺筑一层圆形的砂砾保护层，在砂砾保护层的周围挖出排水沟，围上保护栅栏，完成分层式土壤水分蒸渗传感器的安置；        

（6）将分层式土壤水分蒸渗传感器的电缆与土壤水分蒸渗仪联接，进行土壤水分蒸渗量的测试。

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