CN103543165A - 一种应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头 - Google Patents

Abstract

一种应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头，包括电子胶柄⑼，所述电子胶柄⑼上设置有滑动开关⑺、同轴电缆⑻、四根长钢针(1、2、3、4)和两根短钢针(5、6)，所述四根长钢针(1、2、3、4)围成等腰三角形，第二长钢针⑵位于等腰三角形的顶点，其外层涂覆有绝缘层；第一长钢针⑴和第三长钢针⑶位于等腰三角形的底边两端，第四长钢针⑷位于等腰三角形的底边中点；所述两根短钢针(5、6)对称设置在第四长钢针⑷的左右两侧。其优点是：本发明既实现了高盐分土壤水分测量，较长的探针又减小了结果的空间变异性；本发明将两种探头才能实现的功能结合到一个探头上，既保证了测量精度又方便快捷；本发明可以同时测量含水率、含盐量、水流通量和热参数，便于土壤水热盐耦合运移的研究。

Description

一种应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头

技术领域

本发明涉及土壤物理特性监测装置技术领域，具体的说是一种应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头。

背景技术

TDR（Time Domain Reflectometry，时域反射仪），最早应用于电缆故障检测，加拿大科学家Topp于1980年首次实现了将TDR应用于土壤水分测量，其后经过几十年的发展，TDR系统已经有了长足的进步。现在TDR的生产厂家主要有美国的Tektronix Inc.、Soilmoisture Equipment Crop.、Campbell Scientific Inc.、波兰的Easy Test Ltd.、加拿大的Environmental Sensors Inc.以及德国的IMKO GmbH等等。针对不同的需要，许多人都在上述TDR系统的基础上进行了改进，但几乎都是对探头部分进行改进，例如改变探针的根数、长度、直径以及间距和布置方式等，尚未出现应用于高含盐冻融土壤的探头。

热脉冲法（Heat Pulse Method）自Byrne等（1967）提出后，最初多应用于矿业，引入土壤研究中仅10多年，但在国外已引起重视并进行了一系列相关研究。根据热脉冲法设计的热脉冲仪已广泛用于土壤热特性、含水率、水流通量的测量。实际测定和应用中采用更多的是双探头热脉冲仪。其测量设施上装有两个距离为r的平行不锈钢探针，其中一个探针含有线性加热源，另一个装有温度测量元件（如传感器或热电偶）。将探头插入土壤后，通电加热探头产生热脉冲，而另一探头可记录温度的时间变化。这些观测资料可直接用于确定包括导热率在内的热性质参数。

在我国西部、东北等地区广泛存在着冻融盐渍土，其主要特点是有季节性冻融过程，土壤含盐量较高。传统的TDR探头在测量土壤含水率及含盐量上存在局限，含水率及含盐量必须在一定的范围之内才能测量。但是在冻融盐渍土中，冬季土壤冻结，液态含水率降低；春季土壤融化，上层土壤含水率增高，分别超过了TDR测量的下限和上限。并且冻结过程中随着土壤溶液的相变，液态水中的盐分浓度增大；融化过程中，表层土壤蒸发，也使得土壤盐分增大。盐分高的土壤电导大，电磁波能量衰减快，使得冻融盐渍土壤的含水率和含盐量测量更加困难。如何在冻融盐渍土中同时测量液态含水率、含盐量、热特性将是本专利要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是设计一种将热脉冲与两套不同三针TDR探头结合于一体，实现含水率、含盐量、热参数及水流通量的同时测量的应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头。

一种应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头，包括电子胶柄9，所述电子胶柄9上设置有滑动开关7、同轴电缆8、四根长钢针1、2、3、4和两根短钢针5、6，所述四根长钢针1、2、3、4围成等腰三角形，第二长钢针2位于等腰三角形的顶点，其外层涂覆有绝缘层；第一长钢针1和第三长钢针3位于等腰三角形的底边两端，第四长钢针4位于等腰三角形的底边中点；所述两根短钢针5、6对称设置在第四长钢针4的左右两侧；

所述滑动开关7上设有左、中、右三根金属针，滑动开关7左、右两端的金属针通过导线分别与第二长钢针2、第四长钢针4相连，滑动开关7中部的金属针通过导线与同轴电缆8的中心导线相连；第一长钢针1和第三长钢针3通过导线与同轴电缆8的外层导线相连。

所述第二长钢针2外层绝缘层为0.04-0.08mm厚的环氧树脂。

所述第四长钢针4为空心钢针，内设导热体11和电阻丝12，所述电阻丝12上部通过隔热体13固定，电阻丝12通过导线和外部电源相连。

所述两根短钢针5、6为空心钢针，内设K型热电偶14，K型热电偶14通过导线和外部显示仪表相连。

当滑动开关7滑向第二长钢针2时，第一长钢针1、第二长钢针2和第三长钢针3构成一个中间探针带绝缘层的三针探头，可以测量高盐分未冻土壤的含水率；当滑动开关7滑向第四长钢针4时，第一长钢针1、第三长钢针3和第四长钢针4构成一个三针探头，由于没有绝缘层覆盖，可以精确测量土壤盐分，同时还可以测量未冻低盐土壤的含水率。

本发明应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头的优点是：

1.   在高盐分冻/未冻土壤中实现含水率的测量；

2.   与Campbell公司生产的CS640、CS645型号探头相比，本发明既实现了高盐分土壤水分测量，较长的探针又减小了结果的空间变异性；

3.   与Soilmoisture公司生产的6005CL2型号探头相比，本发明将两种探头才能实现的功能结合到一个探头上，既保证了测量精度又方便快捷；

4.   本发明可以同时测量含水率、含盐量、水流通量和热参数，便于土壤水热盐耦合运移的研究；

5.   在我国西北、东北等地区广泛存在着盐碱土，本发明特别适用于这些冻融盐渍土的水分盐分监测，有很大的应用前景；

6.   与进口探头相比，本发明在保证同样测量效果的前提下，工艺简单，价格较低，适于批量生产。

附图说明

图1为本发明应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头的结构示意图。

图2为本发明的后视结构示意图。

图3为本发明的仰视结构示意图。

图4为本发明的俯视结构示意图。

图5为本发明的左视结构示意图。

图6为本发明的剖视图。

图中，1为第一长钢针，2为第二长钢针，3为第三长钢针，4为第四长钢针，5、6为短钢针，7为滑动开关，8为同轴电缆，9为电子胶柄，10为有机玻璃片，11为导热体，12为电阻丝，13为隔热体，14为K型热电偶。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-6所示，一种应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头，包括电子胶柄9，所述电子胶柄9上设置有滑动开关7、同轴电缆8、四根长钢针1、2、3、4和两根短钢针5、6，所述四根长钢针1、2、3、4围成等腰三角形，第二长钢针2位于等腰三角形的顶点，其外层涂覆有绝缘层；第一长钢针1和第三长钢针3位于等腰三角形的底边两端，第四长钢针4位于等腰三角形的底边中点；所述两根短钢针5、6对称设置在第四长钢针4的左右两侧；

所述滑动开关7上设有左、中、右三根金属针，滑动开关7左、右两端的金属针通过导线分别与第二长钢针2、第四长钢针4相连，滑动开关7中部的金属针通过导线与同轴电缆8的中心导线相连；第一长钢针1和第三长钢针3通过导线与同轴电缆8的外层导线相连。

所述第二长钢针2外层绝缘层为0.06mm厚的环氧树脂。

所述第四长钢针4为空心钢针，内设导热体11和电阻丝12，所述电阻丝12上部通过隔热体13固定，电阻丝12通过导线和外部电源相连。

所述两根短钢针5、6为空心钢针，内设K型热电偶14。

本发明可采用现有材料制成，其具体步骤如下：

制作本探头所需材料：封灌电子胶、助焊剂、不锈钢316L、导热材料、隔热材料、K型热电偶、电阻丝、灌胶盒、同轴电缆、BNC接头和小尺寸滑动开关（保证能够安装在探头塑料柄上）；所需要的工具有：固定架、垫板、电烙铁、剥线器、剥线钳、钻孔器、砂轮。

首先把有机玻璃10做成带圆角的等腰三角形（见附图1），然后在其上打出6个小孔，其中三个分别位于三角形的三个顶点，一个位于底边中点，剩余两个位于底边中点的左右两侧；

第二步，在第二长钢针2表面镀环氧树脂，第四长钢针4中心固定电阻丝12，两根短钢针5、6中心固定K型热电偶14，然后穿过对应的有机玻璃小孔，通过固定架固定6根钢针，其中第一长钢针1和第三长钢针3通过去掉外皮的导线连接，电阻丝12和K型热电偶14分别与另外导线连接，并在导线末端制作接头方便与电源和显示仪表连接；

第三步，用剥线器将同轴电缆8剥开，将中心导线与滑动开关7中间金属针焊接，两端金属针分别通过导线与第二长钢针2和第四长钢针4焊接，之后把连接第一长钢针1和第三长钢针3导线的中部与同轴电缆的外层导线焊接；

第四步，把灌胶盒与有机玻璃10固定好，确保钢针顶端及各连接导线在灌胶盒内，滑动开关7上沿与灌胶盒上沿齐平，防止埋入胶内，然后将调配好的电子胶倒入，等待定型；

第五步，用剥线器将同轴电缆8另一端剥开，与BNC接头连接。经过上述五个步骤就完成了本发明应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头的制作。

下表为现有技术与本发明的参数对比表。

表中，CS630及CS640型号探头为Campbell公司生产，6005CL2型号探头为Soilmoisture公司生产。

Claims (4)

1.一种应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头，包括电子胶柄⑼，其特征在于：所述电子胶柄⑼上设置有滑动开关⑺、同轴电缆⑻、四根长钢针(1、2、3、4)和两根短钢针(5、6)，所述四根长钢针(1、2、3、4)围成等腰三角形，第二长钢针⑵位于等腰三角形的顶点，其外层涂覆有绝缘层；第一长钢针⑴和第三长钢针⑶位于等腰三角形的底边两端，第四长钢针⑷位于等腰三角形的底边中点；所述两根短钢针(5、6)对称设置在第四长钢针⑷的左右两侧；

所述滑动开关⑺上设有左、中、右三根金属针，滑动开关⑺左、右两端的金属针通过导线分别与第二长钢针⑵、第四长钢针⑷相连，滑动开关⑺中部的金属针通过导线与同轴电缆⑻的中心导线相连；第一长钢针⑴和第三长钢针⑶通过导线与同轴电缆⑻的外层导线相连。

2.如权利要求1所述的应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头，其特征在于：所述第二长钢针⑵外层绝缘层为0.04-0.08mm厚的环氧树脂。

3.如权利要求1所述的应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头，其特征在于：所述第四长钢针⑷为空心钢针，内设导热体⑾和电阻丝⑿，所述电阻丝⑿上部通过隔热体⒀固定，电阻丝⑿通过导线和外部电源相连。

4.如权利要求1所述的应用于高含盐量土壤的热时域反射仪探头，其特征在于：所述两根短钢针(5、6)为空心钢针，内设K型热电偶⒁，K型热电偶⒁通过导线和外部显示仪表相连。

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