CN107219346A - 新型土壤张力计及土壤水势测量方法 - Google Patents

新型土壤张力计及土壤水势测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型土壤张力计，包括张力计主体、陶土头、进水管、出水/排气管、压力传感器。陶土头与土壤直接接触，内设有U型空腔管道；进水管和出水/排气管分别连接U型空腔管道的一端；出水/排气管上设有单向阀，单向阀设置于压力传感器与U型空腔管道之间；进水管上设有第一密封装置，出水/排气管上设有第二密封装置；压力传感器用于测量第一密封装置至单向阀以及单向阀至第二密封装置之间的压力差，还公开了土壤水势测量方法。本发明U型空腔管道的设计，便于内部气体完全排尽；U型空腔管道的设计为压力传感器和传感器电路留有充裕的放置空间；自动校准初始压差，避免大气压波动对测定结果的影响；装置体积较小，便于安装和维护。

Description

新型土壤张力计及土壤水势测量方法
技术领域
本发明涉及到一种新型土壤张力计及土壤水势测量方法，属于土壤性质测定工具技术领域。
背景技术
土壤水分是研究土壤水分运动及作物干旱表征的重要指标，是农田灌溉管理、区域水文条件研究和流域水分平衡计算的重要参数。随着水源危机日益突出，国内外对节水农业研究都给予高度重视，土壤水成为农业资源环境研究中的常规测定项目。除土壤含水量外，土壤水势能直观反映土壤的水流动力特征以及土壤对植物的供水能力，因而在水文研究和农业生产中也广泛采用。如何快捷、准确、经济地测定土壤水势，对于研究土壤水运动过程和准确判断农田墒情等具有重要意义。
目前测定土壤水势的仪器有机械式和数显式，在使用中存在很多的问题。主要是设备长度较长，安装不便，且维护操作频繁，占用操作者大量时间。数显式设备价格昂贵，不利于推广和田间利用。而且数显式设备中的传感设备功耗大，不利于节约能源，尤其是在野外环境下，功耗大会严重影响设备的使用时限。
目前，土壤水势的测量仪器一般为底端带有陶土头的充水密闭长管。测量时，需要将陶土头埋至地下指定深度，并让陶土头与土壤接触。基于土壤水动力学原理，利用张力计内部水和土壤水的渗透联通性，通过张力计减少的水量和产生的负压来反映土壤的水势。张力计由于需要不定期添水，现有做法一般是将其主体上部和压力表等露于地表，且顶端留有塞子以便于打开添水。这种方法的问题在于：1)开塞添水时张力计管内气体不易排尽，且操作相对复杂，需要一定经验；2)含水管体出露地表，冬季时容易冻裂，导致装置损坏；3)地表的管体和压力计等易被田间人工和机械工作损坏，限制工作效率。中国专利CN105486838A公开了一种测量土壤水势的便于维护和抗冻的张力计及测试方法，对张力计进行了改进，解决了张力计排气不尽，管体出露地表易遭受人为或低温冻裂损坏等缺点，但其设计仍存在以下突出问题：1)张力计管体较长，安装不方便；2)由于压力传感器安装于管体顶部，张力计管径较粗；3)电子设备集成化程度不高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型土壤张力计。
本发明采用的技术方案为：一种新型土壤张力计，包括张力计主体、陶土头、进水管、出水/排气管、压力传感器，所述张力计主体由不透水材料制成，所述陶土头设置于张力计主体底部，与土壤直接接触，所述陶土头内设有U型空腔管道，所述进水管和出水/排气管分别连接U型空腔管道的一端，进水管和出水/排气管大部分位于张力计主体内，顶端伸出张力计主体，所述出水/排气管上设有单向阀，单向阀设置于压力传感器与U型空腔管道之间，所述进水管伸出张力计主体的顶端上设有第一密封装置，所述出水/排气管伸出张力计主体的顶端上设有第二密封装置，所述进水管与出水/排气管的顶端水平对齐，所述压力传感器位于张力计主体内，一端连接进水管，另一端连接出水/排气管，用于测量压力传感器两端的压力差。陶土头部分与土壤接触进行水分交换，U型空腔管道与进水管及出水/排气管连接形成完整的进水排气通道，张力计主体用以保护陶土头、进水管、出水/排气管及压力传感器，单向阀用于在灌水排气结束后，测量开始后阻止水从出水/排气管侧流向陶土头空腔管道和进水管侧，压力传感器用于测量单向阀出口至第二密封装置与单向阀进口至第一密封装置间的压力差。
优选的，所述压力传感器为数字输出式压力传感器，包括数据采集部分和数据显示/互联部分。所述数据采集部分位于张力计主体内，所述数据显示/互联部分通过线缆与数据采集部分连接，所述数据显示/互联部分设置于张力计主体外部。数据显示/互联部分可以是压力读数显示器，也可以是与物联网连接的数据端口，可以远程监控压力传感器的读数。
优选的，所述张力计主体采用树脂、橡胶或金属材料制成。
优选的，所述进水管和出水/排气管为软管，所述第一密封装置与第二密封装置为密封夹。
优选的，所述进水管和出水/排气管为硬管，所述第一密封装置与第二密封装置为密封阀。
优选的，还包括保护管，所述进水管、出水/排气管、线缆从张力计主体伸出的部分包裹于保护管内。
优选的，所述张力计主体长8-15cm，宽3-5cm，厚1-2cm，进水管以及出水/排气管直径0.5-1.5cm，压力传感器的压力测量范围为0-80kpa。
本发明还公开了基于上所述的新型土壤张力计的土壤水势测量方法，其步骤包括：
(1)将张力计主体掩埋在土壤耕作层以下的土壤中，保证陶土头完全埋入土中；
(2)打开第一密封装置和第二密封装置，利用注水器往进水管内注水，直至U型空腔管道内充满水，空气完全排出，出水/排气管内有水溢出；
(3)关闭第一密封装置和第二密封装置，静置，待新型土壤张力计与土壤之间的水分平衡后，读取压力传感器读数；
(4)根据压力传感器读数计算土壤的水势。
本发明的有益效果如下：
1.U型空腔管道的设计，便于装置内部气体完全排尽；
2.U型空腔管道的设计为压力传感器和相应的传感器电路留有相对充裕的放置空间；
3.自动校准初始压差，避免了大气压波动对测定结果的影响；
4.装置体积较小，便于安装和维护。
附图说明
图1为实施例1的新型土壤张力计的结构示意图。
图2为实施例2的新型土壤张力计的结构示意图。
图3为实施例3的新型土壤张力计的结构示意图。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1
本新型土壤张力计，包括张力计主体1、陶土头2、进水管3、出水/排气管4、压力传感器5，所述张力计主体1由树脂制成，所述陶土头2为透水不透气的陶土烧制成的材料，其形状为U型体，设置于张力计主体底部，与土壤直接接触，所述陶土头内设有U型空腔管道6，所述进水管3和出水/排气管4为硬管，分别连接U型空腔管道6的一端，进水管3和出水/排气管4大部分位于张力计主体1内，顶端伸出张力计主体1，所述出水/排气管上设有单向阀7，单向阀7设置于压力传感器5与U型空腔管道6之间，单向阀用于阻止水从出水/排气管侧流向陶土头空腔管道和进水管侧,所述进水管伸出张力计主体的顶端上设有第一密封阀8，所述出水/排气管伸出张力计主体的顶端上设有第二密封阀9，所述进水管3与出水/排气管4的顶端水平对齐，所述压力传感器5为数显压力传感器，包括数据采集部分51和数据显示部分52，所述数据采集部分51位于张力计主体1内，一端连接进水管3，另一端连接出水/排气管4，用于测量第一密封阀8至单向阀7以及单向阀7至第二密封阀9之间的压力差，所述数据显示部分52通过线缆与数据采集部分连接，所述数据显示部分52设置于张力计主体外部。数据采集部分包括推荐的Honeywell26PC15SMT型压力传感器，以及配套的模数转换电路板。数据显示/互联部分为压力读数显示器。所述张力计主体长8cm，宽3cm，厚1cm，进水管以及出水/排气管直径0.5cm，压力传感器的压力测量范围为0-80kpa。
实施例2
本新型土壤张力计结构与实施例1基本一致，其区别在于：所述张力计主体1由橡胶制成，进水管3和出水/排气管4为软管，所述进水管3伸出张力计主体1的顶端上设有第一密封夹8，所述出水/排气管伸出张力计主体的顶端上设有第二密封夹9，陶土头2的形状为底部为U形的类长方体，数据显示/互联部分为与物联网连接的数据端口。所述张力计主体长15cm，宽5cm，厚2cm，进水管以及出水/排气管直径1.5cm，压力传感器的压力测量范围为0-80kpa。事实上，陶土头2的形状不限，只要能容纳下U型空腔管道6即可。
实施例3
本新型土壤张力计结构与实施例2基本一致，其区别在于：所述张力计主体1由金属制成，进水管、出水/排气管、线缆从张力计主体伸出的部分包裹于保护管10内。所述张力计主体长10cm，宽4cm，厚1.5cm，进水管以及出水/排气管直径1cm，压力传感器的压力测量范围为0-80kpa。
实施例4
本土壤水势测量方法，基于实施例1-3中任一的新型土壤张力计实现，其步骤包括：
(1)将张力计主体陶土头端向下，垂直掩埋在土壤耕作层以下的土壤中，保证陶土头完全埋入土中，保持进水管和出水/排气管顶端出露地表且水平对齐，数据显示部分52出露地表；
(2)打开第一密封装置和第二密封装置，利用注水器往进水管内注水，直至U型空腔管道内充满水，空气完全排出，出水/排气管内有水溢出；
(3)关闭第一密封装置和第二密封装置，静置，待新型土壤张力计与土壤之间的水分平衡后，读取压力传感器读数；
(4)根据压力传感器读数计算土壤的水势。

Claims (8)

1.一种新型土壤张力计，包括张力计主体、陶土头、进水管、出水/排气管、压力传感器，所述张力计主体由不透水材料制成，所述陶土头设置于张力计主体底部，与土壤直接接触，所述陶土头内设有U型空腔管道，所述进水管和出水/排气管分别连接U型空腔管道的一端，进水管和出水/排气管大部分位于张力计主体内，顶端伸出张力计主体，所述出水/排气管上设有单向阀，单向阀设置于压力传感器与U型空腔管道之间，所述进水管伸出张力计主体的顶端上设有第一密封装置，所述出水/排气管伸出张力计主体的顶端上设有第二密封装置，所述进水管与出水/排气管的顶端水平对齐，所述压力传感器位于张力计主体内，一端连接进水管，另一端连接出水/排气管，用于测量压力传感器两端的压力差。
2.根据权利要求1所述的新型土壤张力计，其特征在于：所述压力传感器为数字输出式压力传感器，包括数据采集部分和数据显示/互联部分。所述数据采集部分位于张力计主体内，所述数据显示/互联部分通过线缆与数据采集部分连接，所述数据显示/互联部分设置于张力计主体外部。
3.根据权利要求2所述的新型土壤张力计，其特征在于：所述张力计主体采用塑料、树脂、陶瓷、或金属材料制成。
4.根据权利要求3所述的新型土壤张力计，其特征在于：所述进水管和出水/排气管为软管，所述第一密封装置与第二密封装置为密封夹。
5.根据权利要求3所述的新型土壤张力计，其特征在于：所述进水管和出水/排气管为硬管，所述第一密封装置与第二密封装置为密封阀。
6.根据权利要求4所述的新型土壤张力计，其特征在于：还包括保护管，所述进水管、出水/排气管、线缆从张力计主体伸出的部分包裹于保护管内。
7.根据权利要求4所述的新型土壤张力计，其特征在于：所述张力计主体长8-15cm，宽3-5cm，厚1-2cm，进水管以及出水/排气管直径0.5-1.5cm，压力传感器的压力测量范围为0-80kpa。
8.基于权利要求1-7中任一项所述的新型土壤张力计的土壤水势测量方法，其步骤包括：
(1)将张力计主体掩埋在土壤耕作层以下的土壤中，保证陶土头完全埋入土中，并保证张力计陶土头端垂直向下；
(2)打开第一密封装置和第二密封装置，利用注水器往进水管内注水，直至U型空腔管道内充满水，空气完全排出，出水/排气管内有水溢出；
(3)关闭第一密封装置和第二密封装置，静置，待新型土壤张力计与土壤之间的水分平衡后，读取压力传感器读数；
(4)根据压力传感器读数计算土壤的水势。
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