CN105547906A - 一种土壤凝结水全自动测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤凝结水全自动测量装置及其使用方法，土壤凝结水全自动测量装置包括自动测量系统，微型测渗仪，外套管以及内套管，其中自动测量系统包括底盘，微型质量传感器，电源，导线，单片机，内置有SD卡的SD卡槽，LED显示器和连接PC的数据交换口，导线将多个微型质量传感器连接起来并伸出到外套管外与单片机连接，所述单片机分别与SD卡槽，LED显示器，电源以及连接PC的数据交换口连接，SD卡槽，LED显示器和连接PC的数据交换口分别与电源连接。本发明的有益效果是集凝结水自动测量、数据存储和显示等功能于一体，成本低，测量数据便捷、准确，能够节约科研人员大量的精力，适用于干旱半干旱地区生态系统土壤凝结水测量研究。

Description

一种土壤凝结水全自动测量装置及其使用方法

技术领域

本发明属于土壤学领域，尤其是涉及一种土壤凝结水全自动测量装置及其使用方法，可以准确、自动测量干旱半干旱地区土壤表层凝结水量及其来源。

背景技术

土壤凝结水在干旱半干旱生态系统起着十分重要的作用，它是组成生物结壳的细菌、小动物和植物重要水源，因此对其测量研究具有非常重要的生态与环境意义。土壤凝结水来源于吸湿水、大气水汽凝结水和土壤水汽凝结水，在干旱半干旱地区，凝结水主要产生于地面以下0-15cm，20cm以下凝结水产生很少；而对凝结水的测量工作主要在18:00-8:00进行，一般每2h测量一次。

目前，国际上还没统一的测量土壤凝结水的装置和方法，从Duvdevani凝结水计量器法、人造凝结面法、Hiltnor凝结水平衡法、热脉冲法、同位素法以及测重法等都曾被科研人员用于土壤凝结水测定，以上方法或多或少存在一些不足。众所周知，Duvdevani凝结水计量器观测的凝结水量仅仅是不同点的平均值，并不能得到凝结水的持续时间；所观察的量和自然表面沉积的凝结水量之间的关系是不确定的；所用的木块可能会褪色，这不利于冰点以下的测量。人造凝结面法的不足之处在于不能估算凝结水形成的速率或形成时间。Hiltnor凝结水平衡法其所用的装置容易受到风等气象因素的影响，其使用性还需要研究。热脉冲法通常使用一种新发展起来的测量介电常数的时域反射(Time-DomainReflectometry)技术进行测量，常见的测量装置有HH2MoistureMeter、TDR水分测试仪和TSCⅡ智能化土壤水分快速测试仪等，该技术的量精度容易受到土壤含盐量的影响；装置成本非常高。同位素法的缺点在于它会受到环境温度、湿度等环境因素影响，另外测量成本也很高。测重法是国内外使用最为普遍的测量土壤凝结水的方法，一般都是采用不同材料的自制手动的微型测渗计，其共同缺点普遍是没有实现自动化测量，使得工作量比较大，此外，或装置边界效应较大，或装置材料导热性过高等。

例如，采用“测重法”的以下专利：中国专利CN204302141U公开了一种土壤凝结水测定装置，可测定干旱半干旱区不同深度土壤凝结水量，但没有实现自动化测量，每2h手动测量一次，工作量和误差引发率非常大；中国专利CN204154594U公开了一种适应于砂性土壤的自动微型蒸渗仪，虽然在每次数据测量时不用将微渗仪取出来，减轻了部分工作量，但并没有真正实现自动测量，研究人员还是要每隔2h测量一次，这对研究人员的精力、安全等都是一个重要的考验；并且，该装置是通过多个滑轮进行重量传输，钢丝与滑轮之间摩擦阻力增加了测量误差，对试验结果影响较大。

综上所述，目前无论是手动还是自动测量土壤凝结水的装置，或工作量尤其是夜间工作量过大，或没有实现测量真正自动化，或影响因素较多导致测量误差较大，或成本较高，或材料导热性过高。

发明内容

本发明的目的是提供一种集数据存储、显示于一体的高精度的土壤凝结水全自动测量装置及其使用方法，它能按照研究要求，设定每隔一定时间自动测量一次数据并存储起来，该装置大大降低了科研人员的工作量，与此同时，测量数据质量也符合科研要求，该装置适用于干旱半干旱地区生态系统土壤凝结水的测量。

为实现上述发明目的，本发明提供一种土壤凝结水全自动测量装置，包括自动测量系统，微型测渗仪，外套管以及套设在外套管内的内套管，其中自动测量系统包括底盘，微型质量传感器，电源，导线，单片机，内置有SD卡的SD卡槽，LED显示器和连接PC的数据交换口，所述底盘中部为空心圆柱体，多个微型质量传感器均匀嵌套在底盘的空心圆柱体的边缘，所述底盘上设置有环形导线槽，导线沿着环形导线槽将多个微型质量传感器连接起来并伸出到外套管外与单片机连接，所述单片机分别与SD卡槽，LED显示器，电源以及连接PC的数据交换口连接，SD卡槽，LED显示器和连接PC的数据交换口分别与电源连接，微型测渗仪包括测渗仪裸身，尼龙网，内夹环和外夹环，所述内夹环和外夹环之间设置有尼龙网，尼龙网通过内夹环和外夹环固定在测渗仪裸身的两端，所述微型测渗仪设置在微型质量传感器上。

进一步，所述底盘的空心圆柱体的直径大小与微型测渗仪的外径相适应。

进一步，所述微型质量传感器的数量至少为四个，微型质量传感器的上表面略低于底盘上表面。

进一步，所述测渗仪裸身为一个两端开口的厚壁塑料管，外径大于80mm，高度在50mm-150mm。

进一步，所述测渗仪裸身上端的外夹环两侧分别设置有一个螺丝孔，所述螺丝孔上设有螺丝钉，螺丝钉上系有提绳。

进一步，所述外套管和内套管的一端削尖，利于插入土壤。

本发明还提供了一种土壤凝结水全自动测量装置的使用方法，包括如下步骤：

1)根据试验目标，选取合适的研究地点，将外套管垂直送入土壤中，使其顶端与地面齐平，利用备用PVC管及调油刀，移取试验土壤放入微型测渗仪中，并通过内夹环和外夹环将尼龙网固定在测渗仪裸身的两端；

2)再次利用备用PVC管及调油刀在外套管内部挖取一个“凸”字型土壤区，安放自动测量系统，将底盘放置于“凸”字型土壤区上，在底盘里嵌套微型质量传感器，导线与微型质量传感器连接后沿着外套管内壁与地上的单片机相连，单片机和电源、SD卡槽、LED显示器、连接PC的数据交换口相连，并将电源分别与SD卡槽、LED显示器和连接PC的数据交换口连接，SD卡槽内放入SD卡；

3)将微型测渗仪安放在微型质量传感器上，微型测渗仪的外径刚好与底盘的空心圆柱体的直径相吻合，然后安装内套管，其顶端与地面齐平，并在外套管和内套管之间填充土壤；

4)按照测量目标，利用单片机设定测量周期后开始测量，利用公式h＝10Δm/(ρπr²)(h为凝结水高度，Δm为微型测渗仪的质量变化量，r为其内半径)，用单片机将凝结水的质量数据(g)转换成凝结水的高度数据(mm)；

5)测完数据后，将SD卡取出进行备份和分析，安装新的SD卡，准备下次自动测量；或者，待所有数据测完，通过连接PC的数据交换口将自动测量系统与PC相连，利用软件进行数据分析。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)本发明成本较低，且能实现凝结水高精度、自动化测量、存储、显示等功能，并且免去科研人员夜间每隔2h测量的劳苦，总体上为科研人员节约大量的精力，保证了人身安全；

(2)通过对单片机调试，将凝结水量的质量数据(g)自动转化为凝结水的高度数据(mm)，克服了当前繁琐的换算过程；

(3)按照自身的需要，可以在几个关键时间段通过调试单片机增加测量次数，掌握凝结水准确的起止时间；若结合其他自动化设备，可以实现凝结水来源精准分析；

(4)测渗仪裸身上的螺丝钉方便科研人员取出微型测渗仪，并且对周围土壤扰动小；

(5)微型测渗仪的规格以及与其相配套的其他装置的规格，能够有效降低土壤的边缘效应，保证凝结水测量的准确性。

附图说明

图1是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的结构示意图；

图2是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的俯视结构示意图；

图3是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的自动测量系统的俯视结构示意图；

图4是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的微型测渗仪的俯视结构示意图。

图中：

1、外套管2、内套管3、底盘

4、微型质量传感器5、电源6、导线

7、单片机8、SD卡槽9、LED显示器

10、连接PC的数据交换口11、环形导线槽12、测渗仪裸身

13、尼龙网14、内夹环15、外夹环

16、螺丝钉17、提绳

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

如图1-4所示，本发明提供一种土壤凝结水全自动测量装置，包括自动测量系统，微型测渗仪，外套管1以及套设在外套管1内的内套管2，其中自动测量系统包括底盘3，微型质量传感器4，电源5，导线6，单片机7，内置有SD卡的SD卡槽8，LED显示器9和连接PC的数据交换口10，所述底盘3中部为空心圆柱体，四个微型质量传感器4均匀嵌套在底盘3的空心圆柱体的边缘，微型质量传感器4的上表面略低于底盘3的上表面，所述底盘3上设置有环形导线槽11，导线6沿着环形导线槽11将四个微型质量传感器4连接起来并伸出到外套管1外与单片机7连接，所述单片机7分别与SD卡槽8，LED显示器9，电源5以及连接PC的数据交换口10连接，SD卡槽8，LED显示器9和连接PC的数据交换口10分别与电源5连接，微型测渗仪包括测渗仪裸身12，尼龙网13，内夹环14和外夹环15，所述内夹环14和外夹环15之间设置有尼龙网16，尼龙网16通过内夹环14和外夹环15固定在测渗仪裸身12的两端，所述微型测渗仪设置在微型质量传感器4上，所述底盘3的空心圆柱体的直径大小与微型测渗仪的外径相适应，所述测渗仪裸身12为一个两端开口的厚壁塑料管，外径大于80mm，高度在50mm-150mm，所述测渗仪裸身12上端的外夹环15两侧分别设置有一个螺丝孔，所述螺丝孔上设有螺丝钉16，螺丝钉上系有提绳17，方便科研人员取出微型测渗仪，并且对周围土壤扰动小，所述外套管1和内套管2的一端被削尖，利于插入土壤。

利用该测量装置测定土壤凝结水，具体步骤如下：

根据试验目标，选取宁夏盐池毛乌素沙地作为研究地点，准备一个备用PVC管和一个7寸的调油刀，备用PVC管的内径与微型测渗仪的内径相同，但略小于内套管2的内径，高度略高于微型测渗仪的高度，调油刀的前50mm磨锋利，并在50mm处将其折弯90°。将木板放在备用PVC管上面，用锤子锤打木板，使备用PVC管垂直进入土壤直到与地面齐平；将一端削尖的外套管1放在与备用PVC管同心圆位置，使用相同的方法将外套管1送入土壤中，并与地面齐平，用调油刀将外套管1和备用PVC之间的土壤挖取出来放在0.5m处，当挖取面与备用PVC管底面齐平停止，而不需要挖到与外套管1齐平，然后，用调油刀沿着备用PVC管四周的管壁向圆心做切割运动，直到备用PVC管里的土壤可以随备用PVC管顺利提取出来，接着将土轻轻放进微型测渗仪中，保证土壤表层对应微型测渗仪顶端，土壤底层对应微型测渗仪底端，用调油刀削去多余的土壤，将内夹环14套在微型测渗仪的端部，盖上尼龙网13后再套上外夹环15。

接着，将备用PVC管放在外套管1的同心圆处，锤打木块使备用PVC管下降高度刚好与需要放置的底盘3的高度相同，然后用调油刀取出外套管1和备用PVC管之间多余的土壤，取壤深度略小于底盘3的高度2-3mm，以保证微型测渗仪底部不接触土壤，便于微型质量传感器4测量数据，并使得土壤横截面水平，然后顺时针和逆时针旋转使备用PVC管不带土壤取出，形成“凸”字型土壤区，用调油刀挖除与微型质量传感器4相对应的、可以忽略影响的土壤，但保证土壤不与微型质量传感器4接触，将底盘3安放在“凸”字型土壤区，底盘3的空心圆柱体刚好穿过“凸”字型土壤区的凸出部分，然后在底盘3里均匀嵌套四个微型质量传感器4，将微型质量传感器4的五分之二嵌套在底盘3里，微型质量传感器4的上表面略低于底盘3的上表面，其受力点在空心圆柱体边缘，用于支撑微型测渗仪，导线6将四个微型质量传感器4连接起来后沿着外套管1内壁与地上的单片机7相连，单片机7和电源5、SD卡槽8、LED显示器9、连接PC的数据交换口10相连，并将电源5分别与SD卡槽8、LED显示器9和连接PC的数据交换口10连接，SD卡槽8内放入SD卡。

接着，将准备好的微型测渗仪放在微型质量传感器4上，微型测渗仪的外径刚好与底盘3空心圆柱体的直径相吻合，然后安装内套管2，其顶端与地面平齐。

用调油刀将原先安放在0.5m处的土取回，尽量按照原先土壤层装进外套管1和内套管2之间。

按照测量目标，将测量周期用单片机7调节为1次/2小时；利用公式h＝10Δm/(ρπr²)(h为凝结水高度，Δm为微型测渗仪(图4)的质量变化量，r为其内半径)，用单片机7将凝结水的质量数据(g)转换成凝结水的高度数据(mm)。第二天测完数据后，在白天可以把SD卡取出带回备份、分析，并安装新的SD卡，准备下次自动测量。从SD卡中得到的一组凝结水测量数据如表1所示，从表中可以看到每隔两小时来自大气以及地底下产生的凝结水的高度状况，在第二天早上8:00时，土壤处于蒸发状态(此时凝结水量＝-0.008mm)。如果仅需要测量来自地底下的凝结水，可用胶带将微型测渗仪的上表面尼龙网封闭，形成上封式的微型测渗仪进行测量；如果仅需要测量来自大气的凝结水，可用胶带将微型测渗仪的下表面尼龙网封闭，形成下封式的微型测渗仪进行凝结水的测量。

表1宁夏盐池乌毛素沙地凝结水测量数据

测量时间/h	凝结水量/mm
		18:00	0.004
20:00	0.022
		22:00	0.044
0:00	0.072
		2:00	0.080
4:00	0.109
		6:00	0.113
8:00	-0.008

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种土壤凝结水全自动测量装置，其特征在于：包括自动测量系统，微型测渗仪，外套管(1)以及套设在外套管(1)内的内套管(2)，其中自动测量系统包括底盘(3)，微型质量传感器(4)，电源(5)，导线(6)，单片机(7)，内置有SD卡的SD卡槽(8)，LED显示器(9)和连接PC的数据交换口(10)，所述底盘(3)中部为空心圆柱体，多个微型质量传感器(4)均匀嵌套在底盘(3)的空心圆柱体的边缘，所述底盘(3)上设置有环形导线槽(11)，导线(6)沿着环形导线槽(11)将多个微型质量传感器(4)连接起来并伸出到外套管(1)外与单片机(7)连接，所述单片机(7)分别与SD卡槽(8)，LED显示器(9)，电源(5)以及连接PC的数据交换口(10)连接，SD卡槽(8)，LED显示器(9)和连接PC的数据交换口(10)分别与电源(5)连接，微型测渗仪包括测渗仪裸身(12)，尼龙网(13)，内夹环(14)和外夹环(15)，所述内夹环(14)和外夹环(15)之间设置有尼龙网(13)，尼龙网(13)通过内夹环(14)和外夹环(15)固定在测渗仪裸身(12)的两端，所述微型测渗仪设置在微型质量传感器(4)上。

2.根据权利要求1所述的土壤凝结水全自动测量装置，其特征在于：所述底盘(3)的空心圆柱体的直径大小与微型测渗仪的外径相适应。

3.根据权利要求1所述的土壤凝结水全自动测量装置，其特征在于：所述微型质量传感器(4)的数量至少为四个，微型质量传感器(4)的上表面略低于底盘(3)上表面。

4.根据权利要求1所述的土壤凝结水全自动测量装置，其特征在于：所述测渗仪裸身(12)为一个两端开口的厚壁塑料管，外径大于80mm，高度范围在50mm-150mm。

5.根据权利要求1所述的土壤凝结水全自动测量装置，其特征在于：所述测渗仪裸身(12)上端的外夹环(15)两侧分别设置有一个螺丝孔，所述螺丝孔上设有螺丝钉(16)，螺丝钉(16)上系有提绳(17)。

6.根据权利要求1所述的土壤凝结水全自动测量装置，其特征在于：所述外套管(1)和内套管(2)的一端削尖，利于插入土壤。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的土壤凝结水全自动测量装置的使用方法，包括如下步骤：

1)根据试验目标，选取合适的研究地点，将外套管(1)垂直送入土壤中，使其顶端与地面齐平，利用备用PVC管及调油刀，移取试验土壤放入微型测渗仪中，并通过内夹环(14)和外夹环(15)将尼龙网(13)固定在测渗仪裸身(12)的两端；

2)再次利用备用PVC管及调油刀在外套管(1)内部挖取一个“凸”字型土壤区，安放自动测量系统，将底盘(3)放置于“凸”字型土壤区上，在底盘(3)里嵌套微型质量传感器(4)，导线(6)与微型质量传感器(4)连接后沿着外套管(1)内壁与地上的单片机(7)相连，单片机(7)和电源(5)、SD卡槽(8)、LED显示器(9)、连接PC的数据交换口(10)相连，并将电源(5)分别与SD卡槽(8)、LED显示器(9)和连接PC的数据交换口(10)连接，SD卡槽(8)内放入SD卡；

3)将微型测渗仪安放在微型质量传感器(4)上，微型测渗仪的外径刚好与底盘(3)的空心圆柱体的直径相吻合，然后安装内套管(2)，其顶端与地面齐平，并在外套管(1)和内套管(2)之间填充土壤；

4)按照测量目标，利用单片机(7)设定测量周期后开始测量，利用公式h＝10Δm/(ρπr²)(h为凝结水高度，Δm为微型测渗仪的质量变化量，r为其内半径)，用单片机(7)将凝结水的质量数据(g)转换成凝结水的高度数据(mm)；

5)测完数据后，将SD卡取出进行备份和分析，安装新的SD卡，准备下次自动测量；或者，待所有数据测完，通过连接PC的数据交换口(10)将自动测量系统与PC相连，利用软件进行数据分析。