CN104266926A - 一种土壤气态水采集测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤气态水采集测量系统，配合土样采集器实现对于砂性土壤的小扰动原位气态水通量进行测量。基本原理为直接测量。直接测量的原理为利用半导体制冷模块采用冷凝称重的方法。建立了一套热交换及温控、测量系统适合于连续观测。测量过程不需要移动土样，适合于原位观测。可双向测量水汽通量。

Description

一种土壤气态水采集测量系统

技术领域

本发明涉及一种土壤气态水采集测量系统。

背景技术

气态水是土壤孔隙中的水汽，是土壤空气组分之一，在土壤中的运动主要是通过扩散方式进行，并与大气不断进行交换。土壤中水汽一般受温度梯度作用由暖处向冷处运动。白天土表温度高，水汽向下移动至温度较低的下层土中，凝结成液态水；夜间，表土温度降低，深层土壤中的气态水又向上移动至表土，凝结成液态水。在北方冬季由于地表温度较低，土壤中气态水会向表层汇集凝结存储大量水分，为春季作物的萌发提供重要的水分保证。

因此，土壤气态水作为一种非降水性水资源对于干旱半干旱地区农业及生态建设具有举足轻重的作用。

同时，近年来测量土壤气态水中成矿元素含量成为寻找深部隐伏矿产的一种新方法。其主要借助于地球固有的排脱气作用而由深部向上迁移的成矿元素离子流可以聚积在土壤层之中，从而在松散的土壤空气中形成地球化学异常探寻深部隐伏矿产分布，而对土壤中气态水进行有效的收集是该方法能够有效指导深部找矿的关键环节之一。

然而，目前能够直接测量土壤气态水的仪器还很少见。目前的仪器都是间接测量气态水量(单位时间内土壤重量的变化)。现有仪器设备在安装、测试时对土样的扰动一般比较大，且不适合于原位、连续观测。

发明内容

配合土样采集器实现对于砂性土壤的小扰动原位土壤气态水量进行测量。基本原理为直接测量。直接测量的原理为利用半导体制冷模块采用冷凝称重的方法。建立了一套热交换及温控、测量系统适合于连续观测。测量过程不需要移动土样，适合于原位观测。可双向测量水汽通量。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

图1为本发明的一种土壤气态水采集测量系统的纵剖面结构示意图。

具体实施方式

在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

参考附图1，整个装置划分为3大部分。第一部分为土样采集单元。第二部分为气态水测量单元。第三部分为控制器部分。

第一部分为一个钢制或者有机玻璃材料的圆柱形土样采集器，采样器的大小及材料与研究对象的性质有关。由于当时这个装置的主要目的是针对于砂性土壤的气态水研究而设计的，由于砂性土壤中的水分含量少，且砂性土壤质地比较松散，采样时土样的扰动比较大，当土壤水分含量过低时，土钻无法将土样取出。因此本发明设计了一种适合于砂土的采样器结构，在另外一个文件中详细说明。这个地方本发明假设已经取出了土样。将取好的土样分为上下两个部分，分别称为上层土样和下层土样。本发明中采样器采用带栅格的结构，这种栅格结构有利于测试土样与原状土之间进行自然的能量与物质交换，有利于原位观测的精度。在土样的四周本发明分别设置了纱网，保证土样不会撒漏。同时在上层土样的底端和下层土样的顶端设置了隔离网起到一定的隔离支撑作用。

第二部分：气态水测量单元

该部分处于上下土层的中间部分，并留出一定的空腔。其中的冷凝系统由上下保温隔板隔离，内部设置了多组半导体制冷模块，进行腔体冷却。由于半导体制冷模块的散热量比较大，需要增加散热系统。由于采用散热扇进行的散热的热效率低，且易产生较大的震动和空气扰动，本次系统设计采用的是水冷的方式进行，各半导体制冷模块之间通过散热器和水管连接，通过水流的强制流动借助于外部的热交换器进行热量交换。为了保证腔体内部温度保持在冰点以下，设计中分别在两个凝结室底部设置了温度传感器单元，并使其与外部的温控仪相连接，通过控制加在半导体制冷模块上的电压，控制腔体内部的温度使其保持恒定。在腔体内部设置了两个冷凝室，分别用于对进入和溢出的气态水进行收集。在冷凝室的两端分别设置了进气口和单向排气阀，气体受到外界气压变化的作用由进气口进入冷凝室，在冷凝室中凝结失去其中多余的水分，然后由单向排气阀溢出。冷凝室中设置了多组弯管结构以保证水汽有足够的凝结时间。在冷凝室的底部引出支架，支架穿过下保温隔离板与下层的高精度称重传感器相连接用于对冷凝室的重量进行实时测量，并通过信号线与外部的数据采集器相连接，进行自动记录存储。

第三部分：控制器部分

这一部分包括三个主要模块，一个是用于对半导体制冷器的冷却水进行循环和热交换的系统。包括水泵、水箱、散热器等。第二个是温控仪，主要是接收墙体内部的温度传感器发送的温度信号，控制半导体制冷器的工作状体，保证腔体内的温度在设定值附近。第三个模块是数据采集器模块，其主要作用是接收高精度称重传感器发送的信号，记录两个凝结室的重量变化即气态水水量的累计值。为了保证内部信号与外部的联系，在外部设置了预埋管线，保证其彼此之间的沟通。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种土壤气态水采集测量系统，其特征在于：

所述系统划分为3大部分；第一部分为土样采集单元；第二部分为气态水测量单元；第三部分为控制器部分；

第一部分为一个钢制或者有机玻璃材料的圆柱形土样采集器；将取好的土样分为上下两个部分，分别称为上层土样和下层土样；采样器使用带栅格的结构；在土样的四周分别设置纱网；同时在上层土样的底端和下层土样的顶端设置隔离网；

第二部分：气态水测量单元；该部分处于上下土层的中间部分，并留出一定的空腔；其中的冷凝系统由上下保温隔板隔离，内部设置多组半导体制冷模块，进行腔体冷却；各半导体制冷模块之间通过散热器和水管连接，通过水流的强制流动借助于外部的热交换器进行热量交换；分别在两个凝结室底部设置温度传感器单元，并使其与外部的温控仪相连接，通过控制加在半导体制冷模块上的电压，控制腔体内部的温度使其保持恒定；在腔体内部设置两个冷凝室，分别用于对进入和溢出的气态水进行收集；在冷凝室的两端分别设置进气口和单向排气阀，气体受到外界气压变化的作用由进气口进入冷凝室，在冷凝室中凝结失去其中多余的水分，然后由单向排气阀溢出；冷凝室中设置多组弯管结构以保证水汽有足够的凝结时间；在冷凝室的底部引出支架，支架穿过下保温隔离板与下层的高精度称重传感器相连接用于对冷凝室的重量进行实时测量，并通过信号线与外部的数据采集器相连接，进行自动记录存储；

第三部分：控制器部分；这一部分包括三个模块，一个是用于对半导体制冷器的冷却水进行循环和热交换的系统，包括水泵、水箱、散热器等；第二个是温控仪，主要是接收腔体内部的温度传感器发送的温度信号，控制半导体制冷器的工作状体，保证腔体内的温度在设定值附近；第三个模块是数据采集器模块，其主要作用是接收高精度称重传感器发送的信号，记录两个凝结室的重量变化即气态水水量的累计值；为了保证内部信号与外部控制器的联系，在外部设置了预埋管线，保证其彼此之间的沟通。