CN106840955B - 一种自动检测的林地土壤蒸发仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动检测的林地土壤蒸发仪，通过多样化采集林地周围的土壤，然后在林地环境中在不同的时间节点之间，对取样土壤的重量进行实时称重，通过称重系统、数据统计系统、数据计算软件自动测出林地土壤的蒸发速率，最后通过液晶显示屏或数据输出端口得出蒸发速率数据。本发明的有益效果是，对林地土壤蒸发速率的测定自动化程度高，土壤蒸发仪可以实现数据的连续采集，可以自动记录存储，同时避免人工操作造成的计算过程误差，可长期在野外使用，实用方便、操作简单。

Description

一种自动检测的林地土壤蒸发仪

技术领域

本发明属于林地土壤蒸发检测设备制造技术领域，具体来讲是涉及一种自动检测的林地土壤蒸发仪。

背景技术

近年来，关于水源涵养与水土保持林的营造技术的研究早己开始，太行山生态林业工程项目已建成多处试验示范基地，营造示范试验林数万亩。同时，在水源涵养林建设、山地森林恢复以及植被与水文循环方面也进行了较多的科学研究，林地周围的水源地周边及其集水区生态环境恶化，水土流失不断加剧，然后林地对于水土流失的影响一直以来都是以水分条件以及森林植被与当地水分条件和水资源的条件为基础的，森林与水的关系是林业生产活动和改善生态环境的重要问题，森林植被与水相互作用的，因此森林植被截留降水、消减雨滴动能、增加土壤入渗等涵养水源、改善水质、改良土壤、水土保持等水文与生态效益的模拟与评价是森林水文研究的关键。

土壤蒸发是指土壤中水分汽化进入大气的过程。雨后，土壤表层达到饱和时，土壤蒸发强度决定于质量交换系数及土壤表面水汽压与空气中水汽压之差，故蒸发率稳定少变。当土壤蒸发大于土壤水和地下水的补给时，表层水分逐渐减少，含水量逐渐下降，液态水的移动减弱。由于液态水的传导度随着含水量的减少而迅速降低，此时，土壤水分蒸发率与含水量成正比例。当含水量降低至一定程度时，液态水的传导度逐渐趋近于零，液态水的蒸发亦趋近于零，形成干化硬壳。于是蒸发基本上不在土壤表面进行，而土壤中水汽借扩散作用通过干化表层逸入大气，蒸发率取决于土壤含水量及土壤中水汽压梯度，因扩散途径不断延长，故蒸发极为微弱。

土壤蒸发的效率一般用土壤蒸发率来表征，土壤蒸发率是指单位时间的土壤蒸发量(以毫米/日计)，测定方法有：

①实测法(器测法)，常用土壤蒸发器根据水量平衡原理确定土壤蒸发。这种方法适用于点上,而在大面积上因植被和土壤类型复杂,难于分清土壤蒸发与植物散发，所以器测法极少应用。

②数学模型法，模型可由热量平衡原理建立。平衡方程由净辐射通量、土壤吸收热通量、感热通量和蒸发热通量组成。通过计算可得土壤蒸发率。此外，也有根据土壤水运动理论，考虑等温或非等温条件推出的数学模型、经验公式或图解曲线法等推求土壤蒸发量。

目前常用的土壤蒸发器是测定土壤蒸发的仪器。通常由内外两个圆筒组成，埋置于土中。内筒填以原状土壤，外筒用以防止周围土壤下塌或渗漏。定时测定土壤重量变化，即得到一定时段的土壤蒸发量，这种方法操作简单，但是取样量少，效率较低，只能在过小的时间区间和土壤重量区间内进行监测，将检测到的数据进行人工整理计算，才能得到土壤蒸发速率，误差大，准确率低。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种自动检测的林地土壤蒸发仪，操作简单，自动化程度高，时间和土壤重量灵敏度高，数据精确。

本发明的技术方案如下：

一种自动检测的林地土壤蒸发仪，所述的土壤蒸发仪主要包括蒸发仪箱体、样品放置孔、太阳能电池板、液晶显示屏、数据输出端口、电源开关、调解旋钮；所述的蒸发仪箱体内分别设置有称重系统、数据统计系统、数据计算软件、电源；所述的称重系统包括托盘和称重传感器；所述的样品放置孔内用来放置需要检测的林地土壤，其中，外管套在内管的外侧形成土壤蒸发容器，然后将土壤蒸发容器放置在托盘上，所述的托盘下方是称重传感器；所述的称重传感器将土壤蒸发过程中的重量变化数据通过导线传递到蒸发速率计算机，所述的蒸发速率计算机内置于控制系统内，所述的蒸发速率计算机通过数据计算软件实现，在预设定的时间内完成土壤蒸发速率的计算后，通过数据输出端口打印出蒸发速率变化曲线；所述的电源通过导线与称重系统、数据统计系统、数据计算软件连接，通过调解旋钮来控制土壤蒸发仪的工作；所述的电源主要是靠太阳能电池板和蓄电池获取。

进一步的，所述的内管和外管采用二氧化硅材质，外管的内径是内管的1.1-1.3倍，外管厚度为2-3mm，底部有塑料的密封盖，内管厚度为0.5-1mm，内管上侧与外管之间通过密封圈密封，当内管盛满土壤时，将底部用塑料膜密封，然后将外管套进内管，给内管和外管之间的缝隙填充内管采样的土壤，然后用密封圈和密封盖将缝隙中的土壤密封隔绝，使内管中的土壤更加接近林地中土壤的蒸发环境。

进一步的，所述的数据统计系统是通过计算机连接称重传感器实时统计并存储土壤的重量变化数据；所述的数据计算软件是通过代码将蒸发速率计算公式编程，通过输入重量数据、时间差、蒸发区域面积来计算蒸发速率；所述的数据计算软件的计算原理为：

Eva＝10(W₁一W₂)/A△t

其中，Eva(g/mm²h)为林地蒸发速率，W₁(g)为t₁时间的土壤重量，W₂(g)为t₂时间的土壤重量，△t(s)为t₁与t₂之间的时间间隔，A(mm²)为蒸发仪内管的面积。

进一步的，所述的称重系统包括多个称重传感器，并且将多个称重传感器呈陈列布置，以使每个称重传感器具有一个局部小邻域，该局部小邻域为该称重感器在一矩阵的前、后、左、右4个方向邻接的点和对角线方向上的4个点组成的邻域，每个称重传感器的局部小领域的至少部分点上布置有其他称重传感器；所述的称重系统的重量合成值等于所有称重传感器的重量输出值。

进一步的，所述的称重传感器是根据电磁式力补偿原理的一体式电子秤称重传感器，所述称重传感器依靠电磁式力补偿直接测量系统，所述的电磁式力补偿直接测量系统，具有包括多个组件的平行导轨机构，该平行导轨机构具有传输电信号的能力，所述的组件被电结合入控制系统用于电流的传输；在称重传感器的承载部和主体之间放置了加速度传感器，所述的加速度传感器可以获取沿一个或多个方向的加速力。

进一步的，所述的所述控制系统包括单片机、时钟电路、A/D转换器、数据存贮器、通信接口电路、驱动电路；所述单片机控制所述A/D转换器采集数据，将采集到的两个称重传感器的测量数据进行A/D转换后发送给所述的单片机，所述的单片机对两个信号进行比较后，通过所述的驱动电路反向驱动；所述的时钟电路控制所述的单片机两次采集称重传感器的称重数据的时间间隔，并将称重数据通过所述的A/D转换器经A/D转换后输入所述的数据存贮器。

进一步的，所述的太阳能电池板包括多个分立的光伏电池，设置成多个电池行，每个电池行中的多个光伏电池相互并联地电连接；所述的多个电池行相互串联地电连接，以及导电和连续区背板，形成电流返回路径；所述的多个电池行连接多个功率继电器，所述多个功率继电器耦合在所述的光伏电池的负极线与正极线之间以及外部电路的相应负极线与正极线之间，并且被配置为当所述的光伏电池不运行时将所述的太阳能电池板与外部电路电隔离，所述的太阳能电池板(3)连接内置在蒸发仪内部的蓄电池，所述的蓄电池可以通过外接电源充电。

进一步的，所述的蒸发仪箱体采用棕榈纤维金属复合材料，所述的棕榈纤维金属复合材料是由棕榈纤维、氧化铝、氯化镁、填充料和水制成，所述的棕榈纤维、氧化铝、氯化镁、填充料的重量比为1-2:3-5:2:3，平均粒径为0.2-0.4毫米，所述的填充料是纳米无机轻质材料；其制备方法为：将混合磨碎的棕榈纤维、Al₂O₃、MgCl₂水溶液、填充物和水混合均匀，然后将所述的混合物固化的到固化物，碾平所述的固化物以形成期望的厚度和宽度，通过常规的金属板制备工艺得到所述的棕榈纤维金属复合材料。

进一步的，所述的数据输出端口包括无线通讯输出和USB端口输出，所述的无线通讯输出通过无线通讯网络将数据输出到手机并存储，所述的USB端口外接存储装置进行实时数据保存。

进一步的，所述的纸质报告中显示的主要参数包括林地蒸发速率Eva(g/mm²h)、瞬时土壤重量W(g)、时间t。

与现有技术相比，本发明的自动检测的林地土壤蒸发仪通过多样化采集林地周围的土壤，然后在林地环境中在不同的时间节点之间，对取样土壤的重量进行实时称重，通过称重系统、数据统计系统、数据计算软件自动测出林地土壤的蒸发速率，最后通过液晶显示屏或数据输出端口得出蒸发速率数据。本发明的有益效果是，对林地土壤蒸发速率的测定自动化程度高，土壤蒸发仪可以实现数据的连续采集，可以自动记录存储，同时避免人工操作造成的计算过程误差，可长期在野外使用，实用方便、操作简单。

附图说明

图1是本发明所述的一种自动检测的林地土壤蒸发仪示意图；

图2是本发明所述的一种自动检测的林地土壤蒸发仪的土壤蒸发容器示意图；

图3是本发明所述的一种自动检测的林地土壤蒸发仪的实用流程图；

图4是本发明所述的一种自动检测的林地土壤蒸发仪的工作原理示意图；

其中，1-蒸发仪箱体，2-样品放置孔，3-太阳能电池板，4-液晶显示屏，5-数据输出端口，6-电源开关，7-调解旋钮，8-内管，9-外管，10-托盘，11-称重传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图及具体实施例为例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，一种自动检测的林地土壤蒸发仪，主要包括蒸发仪箱体1、样品放置孔2、太阳能电池板3、液晶显示屏4、数据输出端口5、电源开关6、调解旋钮7；蒸发仪箱体1内分别设置有称重系统、数据统计系统、数据计算软件、电源；称重系统包括托盘10和称重传感器11；如图2所示，样品放置孔2内用来放置需要检测的林地土壤，其中，外管9套在内管8的外侧形成土壤蒸发容器，然后将土壤蒸发容器放置在托盘10上，托盘10下方是称重传感器11；称重传感器11将土壤蒸发过程中的重量变化数据通过导线传递到蒸发速率计算机，蒸发速率计算机内置于控制系统内，蒸发速率计算机通过数据计算软件实现，在预设定的时间内完成土壤蒸发速率的计算后，通过数据输出端口5打印出蒸发速率变化曲线；电源通过导线与称重系统、数据统计系统、数据计算软件连接，通过调解旋钮7来控制土壤蒸发仪的工作；电源主要是靠太阳能电池板3和蓄电池获取。

根据本发明实施例的一种自动检测的林地土壤蒸发仪，在北京某水源地附近的林区的森林水文研究项目中进行运用，测试时间为7、8、9、10月四个月时间，具体使用方法如下：确定土壤的取样区域后，分别用内管8获取林地表层20cm厚度的土壤进行取样，将底部用塑料膜密封，然后将外管9套进内管8，给内管8和外管9之间的缝隙填充内管8采样的土壤，然后用密封圈和密封盖将缝隙中的土壤密封隔绝，使内管8中的土壤更加接近林地中土壤的蒸发环境，然后打开电源开关6，设置时间间隔，然后开始观察液晶显示屏4的结果显示，并打印数据以备项目研究使用。

数据结果分析：四个月中，各林地都是9月份土壤蒸发量最大，其次分别为10月、7月和8月。其原因在于，9月份虽然降水量相对8月和10月为少，但其总量却不很小，同时该月降水在时间的分布上比较均匀，故土壤水分总能及时得到降水的补充，保持湿润，为土壤水分蒸发创造了必要条件，同时进入9月份气温虽然比7月和8月有所下降，但绝对气温依然不低，利于土壤水分的蒸发。10月土壤蒸发相对较高是因为降水量增多，导致土壤水分得以补充，同时，木本植物相继落叶，草本植物大多枯萎，使裸露土壤比例增高，加上冷高压气团的不断到来，风速增大，以及强度依然不小的太阳辐射都是土壤水分蒸发的良好条件，但10月份气温下降幅度较大，又是抑制水分蒸发的原因。7月和8月土壤蒸发量小，证明林木遮荫造就的林内小气候抑制土壤水分蒸发的作用强于外部高温高太阳辐射促进蒸发的作用。如果把台地刺槐林的土壤水分蒸发量作为100％，其他林分土壤蒸发量除8月份外都超过了180％，同时，各林分总体上有郁闭度越大，林内土壤水分蒸发量越小的趋势，说明林分郁闭度对土壤水分蒸发影响非常显著。8月份土壤水分蒸发量似乎与郁闭度无关，实际上并非如此.因为该月降水量相对较少，植被蒸腾又较为旺盛，导致土壤含水率较低，同时再加上林冠遮荫的作用，使得土壤水分蒸发量很小。

其中，内管8和外管9采用二氧化硅材质，外管9直径11cm，内管8直径9cm，高12cm。如图3所示，数据统计系统是通过计算机连接称重传感器11实时统计并存储土壤的重量变化数据；数据计算软件是通过代码将蒸发速率计算公式编程，通过输入重量数据、时间差、蒸发区域面积来计算蒸发速率；数据计算软件的计算原理为：

Eva＝10(W₁一W₂)/A△t

其中，Eva(g/mm²h)为林地蒸发速率，W₁(g)为t₁时间的土壤重量，W₂(g)为t₂时间的土壤重量，△t(s)为t₁与t₂之间的时间间隔，A(mm²)为蒸发仪内管的面积。

其中，称重系统包括多个称重传感器11，并且将多个称重传感器11呈陈列布置，以使每个称重传感器11具有一个局部小邻域，该局部小邻域为该称重感器11在一矩阵的前、后、左、右4个方向邻接的点和对角线方向上的4个点组成的邻域，每个称重传感器11的局部小领域的至少部分点上布置有其他称重传感器11；称重系统的重量合成值等于所有称重传感器11的重量输出值。称重传感器11是根据电磁式力补偿原理的一体式电子秤称重传感器，所述称重传感器依靠电磁式力补偿直接测量系统，电磁式力补偿直接测量系统，具有包括多个组件的平行导轨机构，该平行导轨机构具有传输电信号的能力，组件被电结合入控制系统用于电流的传输；在称重传感器11的承载部和主体之间放置了加速度传感器，加速度传感器可以获取沿多个方向的加速力。所述控制系统包括单片机、时钟电路、A/D转换器、数据存贮器、通信接口电路、驱动电路；所述单片机控制所述A/D转换器采集数据，将采集到的两个称重传感器11的测量数据进行A/D转换后发送给单片机，单片机对两个信号进行比较后，通过驱动电路反向驱动；时钟电路控制单片机两次采集称重传感器11的称重数据的时间间隔，并将称重数据通过A/D转换器经A/D转换后输入数据存贮器。

如图4所示，太阳能电池板3包括多个分立的光伏电池，设置成多个电池行，每个电池行中的多个光伏电池相互并联地电连接；多个电池行相互串联地电连接，以及导电和连续区背板，形成电流返回路径；多个电池行连接多个功率继电器，所述多个功率继电器耦合在光伏电池的负极线与正极线之间以及外部电路的相应负极线与正极线之间，并且被配置为当光伏电池不运行时将太阳能电池板3与外部电路电隔离，太阳能电池板3连接内置在蒸发仪内部的蓄电池，蓄电池可以通过外接电源充电。

其中，蒸发仪箱体1采用棕榈纤维金属复合材料，棕榈纤维金属复合材料是由棕榈纤维、氧化铝、氯化镁、填充料和水制成，棕榈纤维、氧化铝、氯化镁、填充料的重量比为1:5:2:3，平均粒径为0.3毫米，填充料是纳米无机轻质材料；其制备方法为：将混合磨碎的棕榈纤维、Al₂O₃、MgCl₂水溶液、填充物和水混合均匀，然后将混合物固化的到固化物，碾平固化物以形成期望的厚度和宽度，通过常规的金属板制备工艺得到棕榈纤维金属复合材料。数据输出端口包括无线通讯输出和USB端口输出，无线通讯输出通过无线通讯网络将数据输出到手机并存储，USB端口外接存储装置进行实时数据保存。纸质报告中显示的主要参数包括林地蒸发速率Eva(g/mm²h)、瞬时土壤重量W(g)、时间t。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种自动检测的林地土壤蒸发仪，其特征在于，所述的土壤蒸发仪主要包括蒸发仪箱体（1）、样品放置孔（2）、太阳能电池板（3）、液晶显示屏（4）、数据输出端口（5）、电源开关（6）、调解旋钮（7）；所述的蒸发仪箱体（1）内分别设置有称重系统、数据统计系统、蒸发速率计算机、电源；所述的称重系统包括托盘（10）和称重传感器（11）；外管（9）套在内管（8）的外侧形成土壤蒸发容器，土壤蒸发容器放置在托盘（10）上，所述的托盘（10）下方是称重传感器（11）；所述的称重传感器（11）将土壤蒸发过程中的重量变化数据通过导线传递到蒸发速率计算机，数据计算软件内置于蒸发速率计算机内，所述的蒸发速率计算机通过数据计算软件实现蒸发速率计算，在预设定的时间内完成土壤蒸发速率的计算后，通过数据输出端口（5）打印出蒸发速率变化曲线；所述的电源通过导线与称重系统、数据统计系统、蒸发速率计算机连接，通过调解旋钮（7）来控制土壤蒸发仪的工作；所述的电源包括太阳能电池板（3）和蓄电池；

所述的内管（8）和外管（9）采用二氧化硅材质，外管（9）的内径是内管（8）的1.1-1.3倍，外管（9）厚度为2-3mm，底部有塑料的密封盖，内管（8）厚度为0.5-1mm，内管（8）上侧与外管（9）之间通过密封圈密封；

所述的数据统计系统通过蒸发速率计算机连接称重传感器（11），实时统计并存储土壤的重量变化数据；所述的数据计算软件是通过代码将蒸发速率计算公式编程，通过输入重量数据、时间差、蒸发区域面积来计算蒸发速率；所述的数据计算软件的计算原理为：

Eva=10(W₁一W₂)/A △t

其中，Eva为林地蒸发速率，单位为g/mm²h，W₁为t₁时间的土壤重量，单位为g，W₂为t₂时间的土壤重量，单位为g，△t为t₁与t₂之间的时间间隔，单位为s，A为蒸发仪内管的面积，单位为mm²；

所述的称重系统包括多个称重传感器（11），并且将多个称重传感器（11）呈陈列布置，以使每个称重传感器（11）具有一个局部小邻域，该局部小邻域为该称重传感器（11）在一矩阵的前、后、左、右4个方向邻接的点和对角线方向上的4个点组成的邻域，每个称重传感器（11）的局部小领域的至少部分点上布置有其他称重传感器（11）；所述的称重系统的重量输出值等于所有称重传感器（11）的重量合成值；

所述的称重传感器（11）是根据电磁式力补偿原理的一体式电子秤称重传感器，所述称重传感器依靠电磁式力补偿直接测量系统实现称重，所述的电磁式力补偿直接测量系统，具有包括多个组件的平行导轨机构，该平行导轨机构具有传输电信号的能力，所述的组件被电结合入控制系统用于电流的传输；在称重传感器（11）的承载部和主体之间放置了加速度传感器，所述的加速度传感器可以获取沿一个或多个方向的加速力；

所述控制系统包括单片机、时钟电路、A/D转换器、数据存贮器、通信接口电路、驱动电路；所述单片机控制所述A/D转换器采集数据，将采集到的称重系统的两个测量数据进行A/D转换后发送给所述的单片机，所述的单片机对两个信号进行比较；所述的时钟电路控制所述的单片机两次采集称重系统的称重数据的时间间隔，并将称重数据通过所述的A/D转换器经A/D转换后输入所述的数据存贮器；

所述的太阳能电池板（3）包括多个分立的光伏电池，设置成多个电池行，每个电池行中的多个光伏电池相互并联地电连接；所述的多个电池行相互串联地电连接，以及导电，并和连续区背板形成电流返回路径；所述的多个电池行连接多个功率继电器，所述多个功率继电器耦合在所述的光伏电池的负极线与正极线之间以及外部电路的相应负极线与正极线之间，并且被配置为当所述的光伏电池不运行时将所述的太阳能电池板（3）与外部电路电隔离，所述的太阳能电池板（3）连接内置在蒸发仪内部的蓄电池，所述的蓄电池可以通过外接电源充电；

所述的蒸发仪箱体采用棕榈纤维金属复合材料制成，所述的棕榈纤维金属复合材料是由棕榈纤维、氧化铝、氯化镁、填充料和水制成，所述的棕榈纤维、氧化铝、氯化镁、填充料的重量比为1-2:3-5:2:3，平均粒径为0.2-0.4毫米，所述的填充料是纳米无机轻质材料；其制备方法为：将混合磨碎的棕榈纤维、Al₂O₃、MgCl₂水溶液、填充物和水混合均匀，然后将混合物固化，得到固化物，碾平所述的固化物以形成期望的厚度和宽度，通过常规的金属板制备工艺得到所述的棕榈纤维金属复合材料；

所述的数据输出端口（5）包括无线通讯输出和USB输出端口，所述的无线通讯输出端口通过无线通讯网络将数据输出到手机并存储，所述的USB输出端口外接存储装置进行实时数据保存；

纸质报告中显示的主要参数包括林地蒸发速率Eva、瞬时土壤重量W、时间t。

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