CN1041652A - 湿度检测探头 - Google Patents

Abstract

一种直接或间接与介质接触来测量介质中湿度的探头，由位于探头前端用于测量介质中湿度的组件构成。该组件包括一个与加热源连接的导热体和一个把电源的能量经过热源将导热体加热的组件。当加热组件与热源间断开时，导热体内所得的热量逐渐耗散，其热损失速率与介质中的湿度相对应，因此能在规定时间内精确测量介质中的湿度，而不受土壤参数的影响。

Description

本发明涉及一个改进的温度检测探头，殊别是利用温度敏感器件检测介质中湿度的检测探头。

本发明还提供一种湿度敏感探头，用装在导体内或导体上或导体附近的温度敏感器件，通过测量导体中热损失来精确记录介质中，例如土壤中的湿度。该导体最好位于探头末端。本发明与已有的湿度检测探头不同，已有的探头测量土壤湿度时，土壤中的有些参数会直接影响它的精度，本发明的湿度探头不受那些参数的影响。

由于在探头末端的温度敏感器对土壤中的许多参数的变化不敏感，某些有关的参数，例如PH值不影响温度敏感器的性能，所以它仍能给出精确的测量结果。

尽管本发明可用于测量许多介质中的湿度，但是在描述时只限于测量土壤介质中的湿度，目前已有各种探头和检测器，业已发现已有的探头由于受土壤中多种参数变化的影响，例如PH值的变化及土壤中的盐分而降低了其测量精度。

在声称有合适精度的已有的湿度探头中，有利用电解作用测量湿度的存在，有通过测量含有水分的介质的表面张力来测定湿度。

那些利用电解作用测定土壤湿度的探头，其精度严重地受到离子浓度的变化和土壤中的盐分的影响，这是因为电解时，离子变化而影响电导率，由于离子浓度变化会引起测量前的校正不精确，而使得精确测量特定土壤湿度变为困难。

这些电解探头是靠放入土壤中的电极而获得读数的，电极连到电路中，靠土壤中存在的水分构成电路，使离子转移而产生电解。对于湿度低的土壤，用这种方法测量的湿度值特别不精确。此外土壤中酸度或碱度的变化，电导率就会随着增减，因为电导率的变化由酸度或碱度的变化决定，如果湿度的读数由电导率决定，那么由于这些影响而引起的电导率的变化会在湿度读数中引入很大的误差。

根据测量土壤介质中的表面张力来测量湿度的探头的精度是低的。

已有的湿度探头的许多方案仅仅适于作为湿度的指示器，精度低是因为受介质变化的影响，还由于已有的探头在机理上存在固有的缺陷。

本发明设法提供一种精确湿度检测方法和测量探头，采用一个敏感组件来测量例如土壤介质中的湿度，通过测量在一个予先加热过的导体中的，例如形状为盖状的导体中的热损失速率，已加热过的盖中的热损失速率与土壤介质中的湿度相对应。

本发明的探头的一个主要优点是能够精确地测量土壤湿度，而不受土壤的参数，例如酸碱度的阻化作用的影响，若采用已有的方法和仪器，这些参数会影响湿度的读数。

将本发明的探头直接放入待测土壤介质中，可以完成精确的测量土壤湿度，试验表明，如果在探头和介质之间引入控制环境，它的性能会进一步改善，这样做的结果可以使得在测量湿度读数之前不再需要对探头进行予先校正的试验步骤。由于控制环境的引入把某些常数引入到测试中去，探头是理想校准过的，从而减少了测量误差的可能性。

本发明的一般结构包括：

一个测量介质中或来自该介质中的湿度的探头;

该探头包括：

一个第一壳体，

一个装在第一壳体或第二壳体附近或上面的温度传感器，其中第二壳体位于该探头的一端或附近，並在该第一壳体附近或与其相邻，

一个把电流从电源输送到位于第一壳体或第二壳体内或附近的加热器上的电源电缆，

一个利用该温度敏感器件测量该加热组件在该第一壳体或第二壳体中产生的热损失速率的装置，当功率从该电源向该加热器供电切断时，该热损失率与该介质中的湿度相对应，因此可以测量在给定的时间内该介质内的湿度。

本发明的一个变变型为：

一种测量介质中湿度的组件，

该组件包括：

一个装有温度敏感器件和加热器的探头，该温度敏感器件和加热器位于在该探头末端的壳体里或附近，

一个通过电缆与该探头连接的继电器电路，

一个经该继电器为该加热器供电的电源，

一个在该加热器与该电源断开时用该温度敏感器件测量该壳体的热损失速率的组件，

其特征在于，当测量介质湿度时，切断电源，使加热器断电，此时利用该温度敏感器件测量该壳体的热损失速率。

本发明另一种变型为：

一个测量介质中湿度的仪器，该仪器包括：

一个延长的探头，

一个经加热器连接温度敏感器件与电源的电缆，

一个在探头的一末端的导热壳体，内部装有与其相连接的加热器和温度敏感器件，

一个当加热器与该电源切断后，测量该壳体热损失速率的组件，

其特征在于，当要测量介质中湿度时，将该探头放入该介质中，当该加热器与该电源断开后，该湿度敏感器件测量该导热壳体的热损失，借此测得介质的湿度。

本发明还提供一种用温度敏感探头测量土壤介质中湿度的方法，该方法包括下列步骤：

a.将该探头放入待测湿度的介质中去，

b.把电源供给位于该探头导热壳体内的或靠近该导热体的加热器，

c.利用该加热器加热该导热壳体，

d.使加热器断开

e.使导热壳体冷却

f.用该温度敏感器件测量该导热壳体中热损失速率，该壳体热量降低速率与该介质中湿度成比例。

本发明的另一种构成为：

一种用于测量介质中和从介质中出来的湿度的探头，

该探头包括：

一个由导热材料制成的壳体，

一个加热器，它位于该壳体内，用于直接或间接加热该壳体，从能源中获取能量，

一个温度敏感器件，它位于该壳体内部，直接或间接地与该壳体相接触，

该温度敏感器件接收该壳体中温度的变化，通过该壳体与介质接触，该介质从该壳体中吸取热量。

本发明的仪器最主要的构成是：

一个用于测量介质中湿度的探头，它直接或间接与介质接触，该探头包括：

在该探头前端用于测量介质中温度的装置，该装置包括：

一个与加热源连接的导热体，

一个用于从电源经该加热源传递能量加热该导热体的组件，

其特征在于，当该加热器与该能源断开时，在导热体内得到的热量就开始消耗，其热损耗速率与该介质中的湿度相对应，因此能在规定的时间内测量介质中的湿度。

湿度探头的较佳实施例包括一个有金属护套的电缆，它的一端终接在导热壳体中，对加热元件供电和从温度敏感器件输出电流。

温度敏感器件位于导热金属壳体中，检测与介质湿度有关的壳体冷却速率。

温度敏感器件经导线与继电器相连接，继电器又与计算机接口相接，加热器的加热由计算机控制，当加热器的电源切断后，开始测量导热体的冷却速率。

在探头的另一个实施中，配备一个固定的或可拆的盛有物理性质基本上不变的介质的容器，以便建立一个理想的校正的环境，探头插入该容器中。

下面根据较佳实施例，结合附图对本发明作更详细地说明。

图1为本发明较佳实施例探头的纵剖面图

图1a和1b为探头内部结构的纵剖视图

图2示出了在粗石英河沙介质中进行两周时间的测量得到的试验曲线。

图3示9示出了土壤的百分湿度与加热壳体冷却速率之间关系的一组试验曲线。

图10示出了湿度从0%至99%时对应湿度探头的反应时间的曲线。

图11示出了一湿度探头试验校正曲线。

图1a和1b作为湿度检测组件的组成部分的探头纵剖面图。该组件还包括一公知的继电器（图中未示出），它经计算机接口与计算机（图中未示出）相连接。

计算机通过软件控制和接收来自该探头的信号，並将测试期间内的任一规定时间内的信号转换成与土壤介质的湿度有关的打印输出数据。

根据较佳实施例的探头1，主要包括：一个包在金属屏蔽护套3中的电缆2，屏蔽护套3接在装有温度敏感器件5的导热壳体（即导热盖体）4上，壳体4中有一间接或直接与其接触的加热器6。加热器6连接有一条交流电源输出线7和一条交流电源输出线8。壳体4，加热器6和温度敏感器件5都装在防潮护套9中，导线12和13从温度敏感器件输出模拟数据。加热器6和温度敏感器件5的进出导线都用环氧树脂10封起来，以使加热器6的和温度敏感器件5的附属导线彼此之间在空间上隔开，在电气上绝缘。敏感器件5是公知热敏感器件，加热器最好是一个1/4瓦的电阻，为了产生热量用3/4瓦的交流电源供电。当着使用的功率超过加热器容许值很多时，用电阻作加热器更为合适。为了尽可能地防止导热壳体4上形成锈皮和腐蚀而采用交流供电。为了增加壳体寿命，防止壳体上生成不希望的绝热层，可以将壳体4镀金等保护措施。

使用时将电源供给探头，具体是供给加热器（电阻）6。当电阻6发热后，热量经金属脚或导热管11传至壳体4，对壳体金属加热，一旦壳体4经传导热加热到予先规定的状态，电源就切断，在电源切断后，敏感器件5就开始检测壳体的冷却速率。

这样就测得出土壤的湿度，该湿度是与在探头周围土壤中的水分从壳体上吸取热量的能力有关。热损失速率与土壤的热阻成比例。因此热损失速率即壳体冷却速率与土壤中湿度成比例

当土壤的湿度高时，壳体冷却速率增加，根据这个关系，可以在规定时间内对选定的土壤精确地测量土壤湿度。

在测量探头留在土壤中至少稳定10分钟后，才能开始读出测量的湿度值，在附属计算机的软件中考虑了根据不同的土壤而改变变数的要求。

此外，探头在所有时间内测量土壤周围的温度，以防止土壤实际温度引起误差。

探头经敏感器件4测量壳体温度每秒400次，与探头相接口的计算机通过开关约每小时切断加热一次。

因为在金属导热壳体4周围土壤的干燥会引起误差，所以要通过物理上的毛细管作用来补充被探头烘干出的水分，这种烘干过程要持续到土壤完全干燥为止。

图2示出了在快干燥性质的粗石英河沙土壤中使用探头进行约2周时间的试验曲线。

如图所示，土壤中湿度在两周时间内逐渐降低，精度为0.1%，

这个精度主要是由于采用了摆脱了土壤参数的变化产生化学和电的干扰的测量方法而获得的。

图3至图9分别示出了土壤湿度为99%、93%、71%、61%、31%、9%和0%的各种饱和状态下用湿度探头测量所得的一组试验曲线。从图上的数据可以看出，土壤湿度与被加热器加热的探头导热壳体在加热器的电源切断后所需要的冷却时间之间的关系。

可以发现，湿度愈高，在探头导热壳体中热损失愈快：被测土壤湿度愈高，对于相同的温度范围，从已知热壳体放出的热量所需要的时间愈短。在99%饱和湿度时从高于环境温度4.88℃冷却到高于环境温度1.71℃需12.3秒，而在同样的试验温度范围内，饱和湿度为0%时，冷却时间则需33.73秒。

图10示出了湿度探头从湿度0%到99%的反应时间曲线。该湿度探头使用了外壳。从图中可以看出，该探头从0%到99%的反应时间小于5分钟。这说明使用外壳不会使湿度反应时间变慢。

图11示出了湿度探头的试验校正曲线。该试验是用颗粒大小为0.25至0.5毫米的石英沙粒在6厘米的厚度内进行的。探头大致放在样品的中心。包括探头的容器放在称盘上，在从几乎饱和的状态逐渐干燥的过程中连续称重。

在这次试验过程中，注意到因为上层干得较快，所以这时给出的湿度读数要比总的实际水含量要高，这在曲线的中间部位表现得最明显，因此下一次采用较薄样品的试验将会更精确。

一个变型的实施例，将探头插入可控的环境中，这样就省去了在测量介质湿度之前对探头校正的步骤，该环境中最好是装有尺寸为0.5毫米至0.25毫米石英砂的可透水的容器，石英砂在探头和待测介质之间作为缓冲区。用于该环境业的探头是理想的予先校正过的，可透水的容器不防碍水的流动，但消除了土壤变化引起的许多影响。

如果湿度探头不是用在可控环境中，就需要现场校正，为提供待测湿度介质中的具体的物理条件做准备，这些具体的条件指的是包括粒子密度，土壤的张力，存在的有机生命。

采用现场校正所要求的可控环境，有下列好处：

a.探头不需要现场校正。

b.土壤粒子密度不需要分级。

c.土壤的压实/膨松不影响读数。

b.不受生物的干扰，例如虫，蟋蟀等在探头末端附近挖的洞。

e.保护了探头中热电子器件/封装。

f.探头可用于测量蒸发/冷化速率。

g.该环境用作生成微细水颗粒的过滤器。

本发明的探头用途如下：

a.体育场地/草地工程以及灌溉控制中的湿度测量。

b.用于所有农业领域培育抗旱植物。

c.在水消耗量大的灌溉过程中，获得最少水消耗量。

d.粮食和食物贮存监测（湿度）

e.采矿中经受孔岩深层次表面水的运动。

f.自流井的灌溉控制与监测。

g.保持湿度或阻止水的渗透速度的土壤添加剂的效果试验。

h.检测和矫正土壤排水速率。

i.阻止和计算灌溉系统中的地表径流量率。

j.使土壤浸蚀最小。

k.应用程序可以培育深根系的农作物，降低病虫害和弱枝。

l.探头还可以用于建筑业，检测和防止由于土壤湿度影响而使土壤膨胀/收缩，因此消除地基的应力。

m.在环境管理过程中探测次表面水面和水面的运动。

n.探测和控制植物蒸发和汽化过程。

o.探测形成云的潮气密度。

p.在特殊灌溉过程中，检测地下水，防止土壤盐碱化。

q.临界控制和帮助制定对于专业化的作物在收获期内的加工程序例如在啤酒工业。

r.有助于开拓荒地和沙漠的最小含水绝对值的控制。

本发明的探头同已有技术相比有一个重要的优点，就是湿度读数精度高，此外探头的性能不受土壤酸碱度变化的影响，而靠电导原理工作的探头要受酸碱度的影响，本发明的探头与湿度以外的土壤的其它状态无关。

对于普通技术人员来说，能根据本发明作出各种变型，这些在属于本发明的保护范围内。

Claims (20)

1、一个用于测量介质中湿度的探头，它直接或间接与介质接触，该探头包括：

一个位于该探头前端用于测量介质中湿度的组件，该组件包括：

一个与加热源连接的导热体，

一个把电源的能量经过该热源加热该导热体的组件

其特征在于，当该加热组件与该能源断开时，在导热体内得到的热量就逐渐耗散掉，其热损失速率与该介质中的湿度相对应，因此能在规定时间内测量介质中的湿度。

2、一个用于测量介质中湿度的探头组件，它直接或间接与介质接触，该探头包括：

一个位于该探头前端用于测量介质中湿度的组件，该组件包括：

一个与加热源连接的导热体，

一个把电源的能量经过该加热源加热该导热体的组件，

其特征在于当该加热器与该电源切断时，在导热体内得到的热量就逐渐耗散掉，其热损失速率与该介质中的湿度相对应，因此能在规定的时间内测量介质中的湿度，

该探头组件还包括一个可拆卸的容器，它在该探头的外部直接产生一个可控的环境，以便使该探头直接同该介质接触。

3、按照权利要求1或2的探头，其特征在于还包括一个在该加热源断开时，能够测量导热体中热损耗速率的温度敏感器件。

4、按照权利要求3的探头，其特征在于，当测量介质中湿度时，将探头放入介质内部与介质直接或间接接触。

5、按照权利要求4的探头，其特征在于，把能量供给加热源的组件，包括一个从电源引出的一个电源电缆。

6、按照权利要求5的探头，其特征在于，导热体包括一个金属盖件。

7、按照权利要求6的探头，其特征在于，加热源包括一电加热器。

8、按照权利要求7的探头，其特征在于，至少要把温度敏感器件和加热器封装在壳体中。

9、按照权利要求8的探头，其特征在于，该金属盖体和该壳体可以是组合连接的，也可从该壳体上整体地伸出盖体。

10、按照权利要求9的探头，其特征在于，金属盖体和壳体在轴向是对中的。

11、按照权利要求10的探头，其特征在于加热组件除包括加热器外，还包括一个加热管。

12、按照权利要求11的探头，其特征在于，加热器与该温度敏感器件在电气上是绝缘的。

13、按照权利要求12的探头，其特征在于，温度敏感元件同金属盖件是组合体。

14、按照权利要求13的探头，其特征在于，温度敏感器件在金属盖件中或在金属盖件附近，並且在电气上直接或通过接口与数据接收、记录和处理终端相连接。

15、按照权利要求14的探头，其特征在于，金属盖件是镀金的。

16、按照权利要求15的探头，其特征在于，该能量由交流电流来提供。

17、按照前述权利要求之一的探头，其特征在于，还包括一个能使探头与介质之间直接接触的装置，它包括装有作为缓冲区的透水介质的容器，该缓冲区至少部分包围该探头。

18、按照权利要求17的探头，其特征在于该容器包括透水材料的底和壁，它们形成一个腔，探头插入在腔中。

19、一种用前述权利要求之探头测量介质湿度的方法，

该方法包括下列步骤：

a.将探头直接或间接地与介质接触，

b.将探头相对于有关介质进行最佳校正，

c.把来自电源的能量经过加热器供给在探头里或探头上的导热体，

d.将导热体加热至予先规定的状态，

e.将加热器断电，

f.使导热体冷却，

g.在导热体冷却过程中，用温度敏感器件测量导热体中的热损失速率。

20、按权利要求19的方法，其特征在于，确保探头间接与介质接触的方案是将探头插入一内有可控介质的透水容器中，以建立一个可控环境，进行理想地校正探头。

Images