CN105067681A - 土壤储水量测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤储水量测量仪，垂向插入土壤中，其包括：一呈杆状的外框体，所述外框体一侧具有一垂向贯通外框体上下端的介质槽，所述介质槽具有平行相对的两槽壁，所述两槽壁沿垂向均设有多个等间隔排列的电极槽，其中一列电极槽内嵌有正电极板，另一列电极槽内嵌有负电极板，所述正电极板和负电极板平行相对并形成一电容空间；所述电极板还连接有中央处理模块。所述土壤储水量测量仪在仪器完全被淹没的情况下仍然可以正常工作，监测土壤层厚度在2m范围内的近地表土壤储水量。

Description

土壤储水量测量仪

技术领域

本发明涉及一种储水量测量仪，特别涉及一种可用于过湿地表环境的土壤储水量测量仪。

背景技术

土壤水是地球水体的重要组成部分之一，土壤能贮蓄天然降水，满足作物生长对水分的需求，与地面水库的蓄水作用十分相似。土壤储水量是土壤蓄水能力和生态系统环境状态的重要评价指标。

在过湿地表环境中，如各种类型的湿地、临时性的洪水泛滥地区、以及水位波动显著的湖泊河流等，地表环境中的水一部分保存在土壤中、一部分存留在地表面，并且不断地进行时空交互转变。其近地表单点储水量的波动监测，包含了土壤储水量和地表储水量的检测，这两部分水要素的存在形式与特征对于陆地生态系统意义重大。

传统的土壤储水量测量设备，一般都应用探针式传感器结构，探针式结构一般相隔几十厘米设置一个探针，测量的结果只能代表单点土壤含水量，不能很好的代表几十厘米土壤层的水量。

同时，由于过湿地表环境积水等的影响，在仪器完全被淹没的情况下，仪器极容易损坏，且影响测量得到结果的准确性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种土壤储水量测量仪，其克服了环境的影响，在仪器完全被淹没的情况下仍然可以正常工作，监测土壤层厚度在2m范围内的土壤储水量。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种土壤储水量测量仪，垂向插入土壤中，其包括：一呈杆状的外框体，所述外框体一侧具有一垂向贯通外框体上下端的介质槽，所述介质槽具有平行相对的两槽壁，所述两槽壁上沿垂向设有多个相对的正电极板和负电极板，所述正电极板和负电极板平行相对形成一电容空间，所述电极板还连接有中央处理模块。

所述的土壤储水量测量仪，所述两槽壁内设有多个等间隔排列用于内嵌所述正电极板和负电极板的电极槽。

所述的土壤储水量测量仪，该介质槽的两槽壁中间还具有多个等间隔的介质槽中壁，每一介质槽中壁之间形成一测量孔，每一测量孔内塞有防尘塞；所述介质槽中壁的数量、高度与电极板一一对应设置。

所述的土壤储水量测量仪，每一介质槽中壁的中央位置均设有一温度传感器，该温度传感器连接所述中央处理模块。

所述的土壤储水量测量仪，该介质槽的内壁由硅橡胶材料制成，保证测量时不受介质槽电感干扰。

所述的土壤储水量测量仪，所述正电极板和负电极板均具有10个，每一电极板的高度为10cm，每个电极板之间的间隔为1mm。

所述的土壤储水量测量仪，所述外框体上设有对称分布且能够旋转折叠的两个固定平板，所述固定平板的末端设置有能够折叠收纳的固定针。

所述的土壤储水量测量仪，该外框体的上部设有与中央处理模块连接的垂直平整装置，所述垂直平整装置包括重锤式垂直传感器、圆水准气泡式水平仪。

所述的土壤储水量测量仪，所述重锤式垂直传感器包括重锤球、电极管和报警器，所述重锤球通过导线连接负极，所述电极管包围导线和重锤球，所述电极管连接正极；所述圆水准气泡式水平仪安置在重锤式垂直传感器的顶端。

所述的土壤储水量测量仪，所述外框体下端连接有锥形安置头。与现有技术相比，采用上述技术方案的本发明的优点在于：(1)本发明运用电容原理，与现阶段一般采用的测量土壤含水量和地表水位，然后通过数学计算得到近地表储水量的方式不同的是，不采用探针式测量结构，采用竖向平行电极板的电容器原理直接测量土壤介质电容量的方式，使得测量结果更加精确。(2)本发明的电极板为活动电极板，可以拆卸，可定期更换因土壤磨损导致损坏的电极板。(3)本发明不用额外计算可以直接通过中央处理模块上的电子显示器读取近地表的储水量。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的分解结构示意图；

图3为本发明去掉外框体后内部结构示意图；

图4为本发明重锤式平整装置立体结构示意图；

图5为本发明重锤式平整装置剖视图；

图6为本发明蒸发桶背面结构示意图；

图7为本发明水量管单元结构图；

图8为本发明水量管单元局部放大图；

图9为本发明水量管单元内活塞结构视图；

图10为本发明活塞位于水量管单元角度示意图；

图11为本发明下渗水收集模块剖面示意图；

图12为本发明下渗水收集模块与推动装置组合示意图；

图13为本发明固定平板的结构示意图；

附图标记说明：1-外框体；11-介质槽；111-槽壁；112-中壁；1121-测量孔；1122-防尘塞；113-温度传感器；2-蒸发桶；21-水位传感器；22-电控阀门；3-垂直平整装置；31-重锤式垂直传感器；311-重锤球；312-电极管；313-报警器；32-圆水准气泡式水平仪；4-锥形安置头；5-固定平板；51-固定针；6-水平推动装置；61-步进电机；62-薄型液压千斤顶；63-推动板；7-下渗水收集片；71-金属槽；711-引水槽；72-吸水纸；73-铁砂；74-插头；8-水分储存器；81-海绵；82-电热蒸发片；83-称重式水量传感器；9-中央处理模块；91-中央处理芯片；92-电源；93-数据存储器；94-电压电流控制器；95-储水量测量单元；951-电容水量转化器；952-活塞移动控制器；953-活塞牵引电机；10-排湿换气装置；101-水量管一；102-水量管二；103-连通管一；104-电控阀门一；105-连通管二；106-电控阀门二；107-连通管三；108-电控阀门三；109-活塞；1091-活塞传感器；1092-刻度条；1093-T型滑槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。

如图1、图2和图3所示，为本发明提供的一种过湿地表环境储水量及蒸渗量一体化测量仪，其包括一外框体1，所述外框体1的一侧具有垂向贯通外框体1上下端的矩形柱状介质槽11，在外框体1远离介置槽另一侧的上部固定设有蒸发桶2，所述外框体1的底部连接有锥形安置头4，外框体1中部设有能够旋转折叠的两个固定平板5，所述固定平板5的末端设置有能够折叠收纳的固定针51，以减少强径流，动物等对测量仪器造成倾斜。

外框体1的顶部安装有重锤式垂直传感器31和圆水准气泡式32。

本实施例中，中央处理模块9处于垂直平整装置3的下部，且位于固定平板5的上部的外框体1内，所述的中央处理模块9包括中央处理芯片91、智能电源92、数据存储器93、电压电流控制器94、储水量测量单元95，其中，储水量测量单元95包括：电容水量转化器951、活塞移动控制器952和活塞牵引电机953，所述的中央处理模块9分别与储水量测量仪和水分蒸渗仪电连接，所述中央处理芯片91能够按照用户的需要实现采样周期的设定以及对测量数据进行误差校正。

其中，如图4和图5所示，所述圆水准气泡式32安置在重锤式垂直传感器31的顶端，设置仪器时，始终保持气泡在中间位置，即可垂直设置仪器，所述重锤式垂直传感器31包括重锤球311、电极管312和报警器313，所述重锤球311通过导线连接负极，所述电极管312包围导线和重锤球311，所述电极管312连接正极；当仪器不垂直时，重锤球311与电极管312接触，报警器313报警，当仪器垂直时，重锤球311与电极管312分离，报警器313结束报警，在误差允许范围内，32将测量到的偏心值通过电信号传送至中央处理模块9，中央处理模块9根据偏心值对相应的测量数据进行误差校正。

如图1和图6所示，所述蒸发桶2内部设有水位传感器21(本实施例中为电容型液位传感器)，蒸发桶2背向仪器的一侧安装有一电控阀门22用于控制外界水流进出蒸发桶2，其中，本实施例的电控阀门22距离桶底为15cm,所述电控阀门22和水位传感器21通过内置于桶底的电子电路板与仪器的中央处理模块9的中央处理芯片91连接，以传输测量数据和电信号。蒸发桶2用于测量地表水的蒸发量和蒸发速率。

所述蒸发桶2的测量使用过程如下：

1)测量前在蒸发桶2内加满水。

2)中央处理模块9中的中央处理芯片91通过蒸发桶2底部的水位传感器21判断外界是否有地表水。若无地表水，则关闭蒸发桶2；若有地表水，然后判断地表水位是否大于15cm。

3)若小于15cm，则不开启蒸发桶2的电控阀门22，直接开始通过蒸发桶2内的电容型液位传感器21测量蒸发量；若大于15cm则开启蒸发桶2电控阀门22，让水分自由进出蒸发桶2，直到内外水位一致，然后关闭电控阀门22。之后开启蒸发桶2内的水位传感器21，进行测量。

4)在地表水大于15cm情况下，电控阀门22每隔1—24小时(根据蒸发强度设定)开启一次，进行一次水位平衡。蒸发量通过累加方式进行测量，保证了蒸发数据的准确性。

如图13所示，当外框体1位于固定平板5的下部插入过湿地表环境的待测土壤中时，介置槽内充满土壤和水介质，所述介置槽为矩形柱状，所述介质槽11具有平行相对的两槽壁111以及位于两平行槽壁111中间的中壁112，所述中壁112由多个介质槽11中壁112等间隔排列组成，每一介质槽11中壁112之间形成一测量孔1121，每一测量孔1121在不工作时均内塞有防尘塞1122；所述介质槽11的槽壁111均由硅橡胶材料制成，保证测量时不受介质槽11电感干扰；所述两槽壁111沿垂向均设有多个等间隔排列可拆卸的电极槽，可以定期更换因土壤磨损导致损坏的电极板。

如图1至图3所示，其中一列电极槽内嵌有正电极板，另一列电极槽内嵌有负电极板，所述正电极板和负电极板平行相对并形成一电容空间；正负电极板均与中央处理模块9中的储水量测量单元95中的电容水量转化器951实现电性连接，本实施例中，所述电极槽每列均具有10个，每一电极板的高度为10cm，每个电极板之间的间隔(即测量孔1121)为1mm，每个中壁112的高度与电极板的高度一致；每一介质槽11中壁112的中央位置均设有一温度传感器113(即本发明具有10个)，温度传感器113获得的温度信号传输到中央处理模块9中的多个电容水量转化器951，用于校正水量转化的准确性。

如图1和图7至图10所示，过湿地表环境储水量及蒸渗量一体化测量仪的外框体1内还设有水量管一101和水量管二102，所述水量管一101和水量管二102的上部位于地表以上，所述水量管二102的下部位于地表以下，所述水量管一101的底部、水量管二102的中部以及水量管一101和水量管二102之间均设有连通管和电控阀门，其中，在本发明中，命名连接水量管一101的为连通管一103(内设置过滤网)和电控阀门一104，连接水量管二102的为连通管二105和电控阀门二106，水量管一101和水量管二102之间的为连通管三107和电控阀门三108。所述一体化测量仪还包括排湿换气装置10，包括通风管，所述通风管位于水量管一101和水量管二102之间且位于地表以上，通风管的上部设有换气扇，通风管的下部设有空气吸收口。

所述水量管一101的底部设有液压传感器，所述水量管二102下部的管内设有能够沿管壁滑槽滑动的一活塞109，本实施例中为T型滑槽1093，T型滑槽1093上至与地面平齐处，下至水量管二102的底部，水量管二102在地面平齐处和底部(即活塞109运动的范围内)设有牵引线管(内置滑轮和牵引线，图中未显示)，通过所述活塞移动控制器952推动活塞牵引电机953运动，从而带动水量管二102中的活塞109向下运动，活塞109的初始位置位于水量管二102与地面的平齐处，所述活塞109的中部设有活塞传感器1091，本实施例中，所述活塞传感器1091为压力传感器或激光测量传感器用于测量水量管二102内水的体积，所述活塞109的一侧上还嵌有垂向的刻度条1092，刻度条1092采用轻型塑料制作，且刻度条1092上的0刻度位于活塞109上部，刻度自下而上逐渐变大。

所述电容水量转化器951和水量管在储水量的测量使用过程如下：

1)介质槽11两槽壁111上的正负电极板所组成电容空间(电容单元)，采用介电和电容原理，分段式由上而下测量，首先对第一个电容单元进行电容测量，测得的电容信号通过信号传送器传送到电容水量转化器951，电容水量转化器951将电容信号转化成水量信号，通过活塞移动控制器952推动活塞牵引电机953运动，从而带动水量管二102中的活塞109向下运动，即完成第一个电容单元的测量，之后进行下一测量单元的测量，依次从上而下部测量各电容单元的电容量，直至测量完毕。

2)测量完毕后，活塞109位置固定，记录活塞109向下移动距离，滑动的距离即为测量区域的水量。电控阀门一104打开，水量平衡后，所述中央处理芯片91通过水量管一101底部的液压传感器判断是否有地表水，若没有地表水，测量结束。若有地表水，则电控阀门二106打开，地表水流入水量管二102，待液位平稳后，其中的液位传感器测量水量管中的水量，单位mm，并记录。

3)所述中央处理芯片91计算土壤蓄水量，地表蓄水里，近地表蓄水量，在电子显示器中显示，并实时存入数据存储器93中。近地表的蓄水量也可以在仪器水量管二102中直接读取，读取的数据用于野外抄表检测校正。

4)下一个测量周期开始时，活塞109首先自动返回到初始位置。

如图11和图12所示，所述外框体1内具有多个处于不同深度的水分储存器8，所述水分储存器8为矩形柱状容器，且容器的上部的开口与介质槽11中壁112上的测量孔1121保持水平一致，所述水分储存器8的内部填充干燥时固定质量的吸水海绵81，吸水海绵81与水分储存器8不紧贴，且容器壁外设有电热蒸发片82，用于快速蒸干海绵81内水分，该水分储存器8的底部设有称重式水量传感器83并与该中央处理模块9电连接。

其中至少一水分储存器8上设有下渗水收集片7，所述下渗水收集片7为推动插入式收集片且能够移动和拆卸，正常情况下隐藏于测量仪器内部，所述下渗水收集片7能够相对该水分储存器8水平滑动，所述下渗水收集片7被水平推动装置6从该外框体1的介质槽11中壁112的测量孔1121内伸出到介质槽11内收集水分，所述下渗水收集片7具有一金属槽71，该金属槽71一侧的底部延伸有一倾斜的引水槽711；该金属槽71和引水槽711上铺设有吸水纸72，该金属槽71的上部铺设有半径为0.2mm-1mm的铁砂73作为水分导渗层和吸力阻断层。

所述水平推动装置6与中央处理模块9实现电路连接。本实施例中，水平推动装置6为步进电机式推动装置6，包括步进电机61、薄型液压千斤顶62和推动板63，该步进电机61在该外框体1内带动该薄型液压千斤顶62推动该推动板63，所述推动板63上具有多个推动条，推动条的位置与测量孔1121的位置和高度相对应；所述推动板63上设置弹跳式卡槽，下渗水收集片7末端的插头74与推动板63的卡槽卡接。

不测量时，所述下渗水收集片7引水槽711的吸水纸72与该水分储存器8隔离；测量前，设定下渗水收集高度，将下渗水收集片7插入设定高度的测量孔1121内，测量时，该水平推动装置6推动该下渗水收集片7从该外框体1侧面伸出进入该介质槽11内，该引水槽711与该水分储存器8接触。测量完毕仪器收回时，按动下渗水收集片7自动弹出。

所述水量储存器和下渗水收集片7的测量使用过程如下：

1)介质槽11内的正负电极板进行初始值测量，从第一层电容单元开始，通过传感器逐层测量土壤储水量，并将测量结果传输到中央处理模块9的储水量测量单元95，从第一层测量到最后一层，时间不超过10s；从初始测量开始，每隔固定时间测量一次，并将数据传到中央处理模块9的中央处理芯片91进行计算，并得到土壤下渗和土壤蒸发量等数据，并将数据存储在数据储存器中。

2)测量前，设定下渗水收集高度，将下渗水收集片7插入设定高度的测量孔1121内，下渗水收集模块进行初始测量，首先水量储存器内称重式传感器测量水量储存器内的初始重量，将初始测量值传送到中央处理芯片91；土壤内水分通过下渗水收集片7，进入到水量储存器，每隔固定时间测量一次，并将数据传到中央处理器进行计算得到下渗水收集量数据，并进行存储。

3)水量储存器内的水分饱和时，暂停测量，开启水量储存器外壁的电热蒸发片82，迅速蒸发水量储存器内水分，水分降低到固定值后，关闭加热装置，继续下渗水的测量，最终测量的水量累加即为总的下渗水收集量。

根据以上内容，本发明一种过湿地表环境储水量及蒸渗量一体化测量仪的测量流程如下：

一、仪器的安置

1)设定下渗水收集的高度，将下渗水收集片7插入设定高度的测量孔1121内。

2)打开固定平板5，将仪器插入固定点位，插入时时刻保持仪器顶部水准气泡处于圆水准器的正中，插入深度达到固定平时停止插入，打开固定平的折叠固定针51，插入两侧土壤，进行固定。

二、仪器的自动校正

启动仪器，仪器自检测，首先检测仪器垂直状况，记录偏心角，在误差范围内可以开始测量，若超过误差范围则报警，直至调整到垂直状态。

三、仪器的初始化处理

1)安置好仪器后，在仪器蒸发桶2内加满水。

2)用电子手簿输入仪器测量所需要的基准参数和测量频率，进入自动测量模式。

3)仪器自动控制步进电机61式推动装置6将下渗水收集片7顶出到介质槽11内部。

四、测量开始

1、中央处理器，通过蒸发桶2内水位传感器21，判断是否现在是否降雨；

1)若没有降雨：

中央处理器控制电控阀门一104打开，水量管一101内液位传感器探测地表是否有水。

2)若没有地表水：

关闭蒸发桶2测量装置，不再进行地表蒸发的测量；

关闭水量储存器和下渗水收集片7装置，不在进行土壤下渗水收集测量；

关闭水量管的所有电控阀门，不再开启所有连通管；

开启介质槽11内电容单元进行土壤水蒸渗量和土壤储水量的测量；

3)若有降雨或地表水，测量过程如下所示；

所述地表蒸发量、蒸发速率测量过程：

1、判断地表水位是否大于15cm。

2、若小于15cm，则不开启蒸发桶2的电控阀门22，直接开始通过蒸发桶2内的电容型液位传感器21测量蒸发量；若大于15cm则开启蒸发桶2电控阀门22，让水分自由进出蒸发桶2，直到内外水位一致，然后关闭电控阀门22，之后开启蒸发桶2内的液位传感器，从初始值开始，每隔1—24小时(根据蒸发强度设定)测量和电控阀门22开启一次，进行一次水位平衡，并将数据传到中央处理器进行计算得到蒸发量、蒸发速率等数据，并进行存储；蒸发量通过累加方式进行测量，保证了蒸发数据的准确性。

所述土壤下渗、蒸发和储水量的测量过程如下：

1、从上往下分段式电容单元进行电容测量，测得的电容信号通过传送到电容水量转化器951和中央处理芯片91进行计算；其中，

电容水量转化器951将电容信号转化成水量信号，通过活塞移动控制器952推动活塞牵引电机953运动，从而带动水量管二102中的活塞向下运动，即完成第一个电容单元的测量，之后进行下一测量单元的测量，依次从上而下部测量各电容单元的电容量，直至测量完毕；

中央处理芯片91将电容信号转化成土壤下渗和土壤蒸发量等数据，并将数据存储在数据储存器中。

2、测量完毕后，活塞109位置固定，记录活塞109向下移动距离，滑动的距离即为测量区域的水量。电控阀门二106打开，地表水流入水量管二102，待液位平稳后，其中的液位传感器测量水量管中的水量，单位mm，并记录。

3、所述中央处理芯片91计算土壤蓄水量，地表蓄水里，近地表蓄水量，在电子显示器中显示，并实时存入数据存储器93中。近地表的蓄水量也可以在仪器水量管二102中直接读取，读取的数据用于野外抄表检测校正。

4、下一个测量周期开始时，活塞109首先自动返回到初始位置。从初始测量开始，每隔固定时间测量一次。

5、同时，水量储存器内称重式传感器测量水量储存器内的初始重量，将初始测量值传送到中央处理芯片91；土壤内水分通过下渗水收集片7，进入到水量储存器，每隔固定时间测量一次，并将数据传到中央处理器进行计算得到下渗水收集量数据，并进行存储。

6、水量储存器内的水分饱和时，暂停测量，开启水量储存器外壁的电热蒸发片82，迅速蒸发水量储存器内水分，水分降低到固定值后，关闭加热装置，继续下渗水的测量，最终测量的水量累加即为总的下渗水收集量。

五、中央处理模块9数据的处理和输出

1.根据蒸发桶2内传感器测量的数据，计算地表水分储水量、蒸发量、蒸发速率等数据；

2.根据电容单元测量的数据，计算土壤水的蒸发、下渗量和储水量；

3.根据水量储存器的传感器测量的数据，计算土壤水穿过土层的渗漏量。

根据以上数据计算，近地表储水量随地表径流的变化量：

计算公式：

近地表储水量流失量

＝(前时刻近地表储水量-后时刻近地表储水量)+地表蒸发量+土壤蒸渗量

若为正值则说明近地表储水量流失了。

若为负值则说明近地表储水量增加了。

4.测量的数据通过蓝牙模块传输到测量电子手簿上。

以上的说明和实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种土壤储水量测量仪，垂向插入土壤中，其特征在于，其包括：一呈杆状的外框体，所述外框体一侧具有一垂向贯通外框体上下端的介质槽，所述介质槽具有平行相对的两槽壁，所述两槽壁上沿垂向设有多个相对的正电极板和负电极板，所述正电极板和负电极板平行相对形成一电容空间，所述电极板还连接有中央处理模块。

2.根据权利要求1所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，所述两槽壁内设有多个等间隔排列用于内嵌所述正电极板和负电极板的电极槽。

3.根据权利要求1所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，该介质槽的两槽壁中间还具有多个等间隔的介质槽中壁，每一介质槽中壁之间形成一测量孔，每一测量孔内塞有防尘塞；所述介质槽中壁的数量、高度与电极板一一对应设置。

4.根据权利要求3所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，每一介质槽中壁的中央位置均设有一温度传感器，该温度传感器连接所述中央处理模块。

5.根据权利要求1所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，该介质槽的内壁由硅橡胶材料制成，保证测量时不受介质槽电感干扰。

6.根据权利要求1所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，所述正电极板和负电极板均具有10个，每一电极板的高度为10cm，每个电极板之间的间隔为1mm。

7.根据权利要求1所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，所述外框体上设有对称分布且能够旋转折叠的两个固定平板，所述固定平板的末端设置有能够折叠收纳的固定针。

8.根据权利要求1所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，该外框体的上部设有与中央处理模块连接的垂直平整装置，所述垂直平整装置包括重锤式垂直传感器、圆水准气泡式水平仪。

9.根据权利要求8所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，所述重锤式垂直传感器包括重锤球、电极管和报警器，所述重锤球通过导线连接负极，所述电极管包围导线和重锤球，所述电极管连接正极；所述圆水准气泡式水平仪安置在重锤式垂直传感器的顶端。

10.根据权利要求1所述的土壤储水量测量仪，其特征在于，所述外框体下端连接有锥形安置头。