CN107271481A - 一种多方位土壤热导率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多方位土壤热导率测量装置及方法，属于土壤物理学技术领域。本发明包括温度传感器探针，探针座，热脉冲探针，内螺纹口，工型凸台，工型滑槽，热电偶，热脉冲发生器，手持控制器、底板；根据所测土壤深度选择不同长度的温度传感器探针和热脉冲探针，分别通过探针螺纹固定杆、探针外螺纹杆和探针座中心的内螺纹(口)旋转组合在一起，且通过导线与手持控制器相连接；改测量装置的测量方法包括如下步骤：设备组合→读取配置→参数设置→数据采集→热导率计算。本发明能在现场直接读取土壤的热导率，减少被测土壤扰动，从而避免了因采样环境改变对测量结果所带来的不利影响，显著提高了被测土壤热导率的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多方位土壤热导率测量装置及方法，属于土壤物理学技术领域。
背景技术
热导率又称“导热系数”，反映材料导热能力的大小，是热特性的一个重要物理指标。土壤吸收一定热量后，一部分用于自身升温，一部分传导给其临近土层。土壤具有将所吸收热量传导到邻近土层的性能，称为导热性，其大小用导热率λ表示，代表1cm厚度的土层，温度差1℃时，每秒钟经断面1cm2通过的热量的焦耳数，单位：J/CM·S·℃；
目前土壤热导率测定方法分为稳态法和非稳态法。稳态法加热时间长，在对含有水分的材料进行测量时会造成水分迁移和再分布，从而造成较大误差，影响实验测量结果。非稳态热导率测试仪有常功率瞬态平面热源法、热线法、热探针法、热带法、激光闪射法等。瞬态加热使用热脉冲形式对研究材料脉冲加热，对水分迁移和再分布影响较小。
目前研究人员在探究散状材料热导率时多采用瞬态热脉冲法，单探针热导率仪、三探针热导率仪使用广泛。但这些仪器中，探针长度、间距固定，当面对情况复杂的随机材料时会对研究造成局限性。为此，我们设计了一种组合型多探针热导率仪，可以面对复杂的测量环境选择合适的探针进行组合，选择不同长度探针从而在不同方位，不同深度获得更精准的热导率参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种多方位土壤热导率测量装置及方法，用于解决现有探针热导率探针长度、间距固定面对情况复杂的随机材料时对研究造成的局限性的问题，以及对测量不同方位、不同深度的热导率时准确率低、误差大的问题，以及不便于进行多指标的检测问题；
该装置既能在室内进行扰动土热导率检测，又能在室外进行原状土热导率检测。该装置既安装温度探针和热脉冲探针进行热导率测量，又能安装其他土壤物理特性测量探针进行其他参数测量，从而实现多指标检测。本装置可以实现多尺度、多方位、多深度热导率测量，并能减小测量误差。
本发明技术方案是：一种多方位土壤热导率测量装置，包括温度传感器探针1，探针座3，热脉冲探针4，内螺纹口5，工型凸台6，工型滑槽7，热电偶8，热脉冲发生器11，手持控制器33、底板34；
所述探针座3，侧面为工型凸台6，相邻另一侧为工型滑槽7，探针座3是中心部分为内螺纹口5；
所述底板34由多个探针座3组合而成，一个探针座3一侧工型滑槽7插入另一个探针座3一侧的工型凸台6组合而成，每个探针座大小相同；根据所测土壤深度选择不同长度的温度传感器探针1和热脉冲探针4；分别通过探针螺纹固定杆2、探针外螺纹杆10和探针座3中心的内螺纹口5旋转组合在一起；
所述温度传感器探针1为空心结构，在内部放置热电偶8和热电偶导线9，且热电偶8和热电偶导线9相连，且热电偶导线9在探针内部拉直不弯曲；温度传感器探针1热电偶8和热电偶导线9组合构成温度传感器21；热电偶导线9的外部延长线与手持控制器33内部的数据采集模块14相连；
所述热脉冲探针4为空心结构，在内部底部固定放置热脉冲发生器11，且通过热脉冲导线12与手持控制器33内部的热脉冲控制模块16相连。
所述温度传感器21与数据采集模块14相连，温度传感器21以每秒采集温度数据一次然后通过滤波模块22将温度的模拟信号去除噪声，再经过A/D转换模块23将模拟信号转换成数字信号，并将数据传送到数据处理和存储模块13将数据储存，数据采集模块14与数据处理和存储模块13与FLASH存储模块19相连。
在手持控制器33内部电路板上集成：数据处理与存储模块13、数据采集模块14、人机交互模块15、热脉冲控制模块16和电源模块17。
数据采集模块14包括滤波模块22，A/D转换模块23；滤波模块22与外部温度传感器21相连，A/D转换模块23与数据处理与存储模块13输入端相连。
所述数据处理与存储模块13包括MCU控制器18，FLASH存储模块19，串口通信模块20；MCU控制器18与FLASH存储模块19相连；数字信号经过串口通信模块20传入MCU控制器18进行数据处理并将处理过后的数据存储在FLASH存储模块19中，并通过串口通信模块20进行MCU程序写入与擦除。
所述人机交互模块15包括声音模块24，液晶显示器25，键盘输入模块26；液晶显示器25、键盘输入模块26位于手持控制器33表面部分，液晶显示器25与数据处理与存储模块13输出端相连，键盘输入模块26与数据处理与存储模块13输入端相连。当仪器结束测量时，数据处理与存储模块13将数据处理完毕后，显示在液晶显示器25上，并可通过键盘输入模块26调用FLASH存储模块19内所存储的数据。声音模块24在实验异常或实验结束时发出提示音。
所述热脉冲控制模块16包括电压控制模块27，计时模块28，开关电路29，热脉冲发生模块30；电压控制模块27电压输出端与计时模块28、开关电路29相连，协同控制热脉冲控制模块16。MCU控制器18通过电压控制模块27控制热脉冲电压从而控制热脉冲发生模块30模块功率，计时模块28与开关电路29配合形成热脉冲。当计时模块28计时达到300s时，记录温度传感器温度达到最高所需的时间(s)和记录最大温度最大变化量Tm。通过内置程序热导率计算公式计算出热导率，计算其平均值，并显示在液晶显示器25上。
所述电源模块17包括220V～12V降压模块31，锂电池32；电源模块17为整个测量装置供电。
所述热脉冲探针4和温度传感器探针1具有10cm、15cm、20cm长度尺寸。
本发明装置的工作过程是：
在室外进行原状土土壤热导率检测中，根据被测土壤深度选择合适长度探针，确定研究测量尺度，将探针座3组合成符合研究需求的底板34；温度传感器探针1和热脉冲探针4通过内螺纹(口)5分别和探针螺纹固定杆2、探针外螺纹杆10连接在一起，通过导线与手持控制器33相连接。温度传感器探针1和热脉冲探针4顶端中心距离为R，将R通过手持控制器33输入对应探针，将探针插入土壤，打开手持控制器33进行开关测量；
热脉冲探针4以频率R0(Hz)产生热脉冲，温度传感器以每秒一次的频率对土壤温度进行采样，当温度达到最高时记录温度最大变化量Tm和其对应的所需要的时间tm(s)，数据根据下列公式在MCU控制器18进行运算；
式中：tm—感应探针温度达到最高所需的时间(s)；t0—热脉冲持续时间(s)；q—单位长度加热丝在单位时间内释放出的热(W·m-1)；Δt＝tm-t0；-Ei(-x)为与B步骤R1，R2…Rn有关的指数积分；得上，只要通过感应探针温度变化-时间曲线得到温度达到最高时温度最大变化量Tm和其对应的所需要的时间tm(s)，就能计算得到土壤热导率λ。
所述多方位热导率测量装置的测量方法的步骤如下：
A、选择测量土壤确定研究测量土壤深度选择合适长度探针，确定研究测量尺度，将探针座3组合成符合研究需求的底板34，温度传感器探针1和热脉冲探针4通过内螺纹口5分别和探针螺纹固定杆2、探针外螺纹杆10连接在一起，通过导线与手持控制器33相连接；
B、分别测量温度探针和热脉冲探针顶端直线距离，分别为R1，R2…Rn等，将距离Ri值分别通过键盘输入模块26输入系统中后将探针插入土壤，选择测量按钮，测量开始，电源模块17对热脉冲控制模块16供电产生热脉冲，MCU控制器18通过电压控制模块27控制热脉冲电压从而控制热脉冲发生模块30功率，计时模块28与开关电路29配合形成热脉冲，加热时间为300s；
C、测量地块土壤温度上升，温度传感器21以每秒采集温度数据一次然后通过滤波模块22将温度的模拟信号去除噪声，再经过A/D转换模块23将模拟信号转换成数字信号，数字信号经过串口通信模块20传入MCU控制器18进行数据处理并将处理过后的温度、时间数据存储在FLASH存储模块19中；
D、当仪器结束测量时，声音模块24发出提示音；MCU控制器18调用FLASH存储模块19所记录温度传感器温度达到最高所需的时间tm(s)和记录最大温度变化量Tm数据；通过内置程序中的热导率计算公式计算出热导率；并将其显示在液晶显示器25上，其中热导率计算公式为：
式中：tm—感应探针温度达到最高所需的时间(s)；t0—热脉冲持续时间(s)；q—单位长度加热丝在单位时间内释放出的热(W·m-1)；Δt＝tm-t0；-Ei(-x)为与B步骤R1，R2…Rn有关的指数积分；得上，只要通过感应探针温度变化-时间曲线得到温度达到最高时温度最大变化量Tm和其对应的所需要的时间tm(s)，就能计算得到土壤热导率λ。
本发明的有益效果是：
1、该热导率测量装置便携，易拆卸，快速有效测量土壤热导率，能够实现实验室扰动土热导率测量，同样方便野外原状土热导率测量；可根据研究需求自行组合装置配置探针，使测量更具有针对性；
2、可根据研究需求自行组合装置配置探针，可控研究尺度、测点间距、采样步长，使测量更具有针对性。多个探针同时测量减少了探针拔插次数对土壤的扰动，有效降低测量误差，显著提高了；
3、检测过程中可以快速获取大量实测数值，这些数值能够较全面地反映土壤热传导特性，有利于对土壤热传导物理特性的区域化研究；
4、该装置专门预留探针接口，方便后期转接其他传感器，便于进行土壤其他参数测量；
5、该装置的操作采用控制器实现，控制器的可编程性高，能够满足不同要求的土壤热导率检测，显著降低了人工劳动强度。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图；
图2是本发明探针座示意图；
图3是本发明组合而成探针座底板示意图；
图4是本发明温度传感器探针示意图；
图5是本发明热脉冲探针结构示意图；
图6是本发明热导率测量装置工作流程图；
图7是本发明热导率测量装置中手持控制器模块构成图。
图中：1-温度传感器探针，2-探针螺纹固定杆，3-探针座，4-热脉冲探针，5-内螺纹(口)，6-工型凸台，7-工型滑槽，8-热电偶，9-热电偶内部导线，10-探针外螺纹杆，11-热脉冲发射器，12-热脉冲导线，13-数据处理和存储模块，14-数据采集模块，15-人机交互模块，16-热脉冲控制模块，17-电源模块，18-MCU控制器，19-FLASH存储模块，20-串口通信模块，21-温度传感器，22-滤波模块，23-A/D转换模块，24-声音模块，25-液晶显示器，26-键盘输入模块，27-电压控制模块，28-计时模块，29-开关电路，30-热脉冲发生模块，31-降压模块，32-锂电池，33-手持控制器，34-底板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-7所示，一种多方位土壤热导率测量装置，包括温度传感器探针1，探针座3，热脉冲探针4，内螺纹口5，工型凸台6，工型滑槽7，热电偶8，热脉冲发生器11，手持控制器33、底板34；
所述探针座3，侧面为工型凸台6，相邻另一侧为工型滑槽7，探针座3是中心部分为内螺纹口5；
所述底板34由多个探针座3组合而成，一个探针座3一侧工型滑槽7插入另一个探针座3一侧的工型凸台6组合而成，每个探针座大小相同；根据所测土壤深度选择不同长度的温度传感器探针1和热脉冲探针4；分别通过探针螺纹固定杆2、探针外螺纹杆10和探针座3中心的内螺纹口5旋转组合在一起；
所述温度传感器探针1为空心结构，在内部放置热电偶8和热电偶导线9，且热电偶8和热电偶导线9相连，且热电偶导线9在探针内部拉直不弯曲；温度传感器探针1热电偶8和热电偶导线9组合构成温度传感器21；热电偶导线9的外部延长线与手持控制器33内部的数据采集模块14相连；
所述热脉冲探针4为空心结构，在内部底部固定放置热脉冲发生器11，且通过热脉冲导线12与手持控制器33内部的热脉冲控制模块16相连。
所述温度传感器21与数据采集模块14相连，温度传感器21以每秒采集温度数据一次然后通过滤波模块22将温度的模拟信号去除噪声，再经过A/D转换模块23将模拟信号转换成数字信号，并将数据传送到数据处理和存储模块13将数据储存，数据采集模块14与数据处理和存储模块13与FLASH存储模块19相连。
作为本发明的进一步方案，在手持控制器33内部电路板上集成：数据处理与存储模块13、数据采集模块14、人机交互模块15、热脉冲控制模块16和电源模块17。
作为本发明的进一步方案，数据采集模块14包括滤波模块22，A/D转换模块23；滤波模块22与外部温度传感器21相连，A/D转换模块23与数据处理与存储模块13输入端相连。
作为本发明的进一步方案，所述数据处理与存储模块13包括MCU控制器18，FLASH存储模块19，串口通信模块20；MCU控制器18与FLASH存储模块19相连；数字信号经过串口通信模块20传入MCU控制器18进行数据处理并将处理过后的数据存储在FLASH存储模块19中，并通过串口通信模块20进行MCU程序写入与擦除。
作为本发明的进一步方案，所述人机交互模块15包括声音模块24，液晶显示器25，键盘输入模块26；液晶显示器25、键盘输入模块26位于手持控制器33表面部分，液晶显示器25与数据处理与存储模块13输出端相连，键盘输入模块26与数据处理与存储模块13输入端相连。当仪器结束测量时，数据处理与存储模块13将数据处理完毕后，显示在液晶显示器25上，并可通过键盘输入模块26调用FLASH存储模块19内所存储的数据。声音模块24在实验异常或实验结束时发出提示音。
作为本发明的进一步方案，所述热脉冲控制模块16包括电压控制模块27，计时模块28，开关电路29，热脉冲发生模块30；电压控制模块27电压输出端与计时模块28、开关电路29相连，协同控制热脉冲控制模块16。MCU控制器18通过电压控制模块27控制热脉冲电压从而控制热脉冲发生模块30模块功率，计时模块28与开关电路29配合形成热脉冲。当计时模块28计时达到300s时，记录温度传感器温度达到最高所需的时间(s)和记录最大温度最大变化量Tm。通过内置程序热导率计算公式计算出热导率，计算其平均值，并显示在液晶显示器25上。
作为本发明的进一步方案，所述电源模块17包括220V～12V降压模块31，锂电池32；电源模块17为整个测量装置供电。
作为本发明的进一步方案，所述热脉冲探针4和温度传感器探针1具有10cm、15cm、20cm长度尺寸。
所述多方位热导率测量装置的测量方法的步骤如下：
A、选择测量土壤确定研究测量土壤深度选择合适长度探针，确定研究测量尺度，将探针座3组合成符合研究需求的底板34，温度传感器探针1和热脉冲探针4通过内螺纹口5分别和探针螺纹固定杆2、探针外螺纹杆10连接在一起，通过导线与手持控制器33相连接；
B、分别测量温度探针和热脉冲探针顶端直线距离，分别为R1，R2…Rn等，将距离Ri值分别通过键盘输入模块26输入系统中后将探针插入土壤，选择测量按钮，测量开始，电源模块17对热脉冲控制模块16供电产生热脉冲，MCU控制器18通过电压控制模块27控制热脉冲电压从而控制热脉冲发生模块30功率，计时模块28与开关电路29配合形成热脉冲，加热时间为300s；
C、测量地块土壤温度上升，温度传感器21以每秒采集温度数据一次然后通过滤波模块22将温度的模拟信号去除噪声，再经过A/D转换模块23将模拟信号转换成数字信号，数字信号经过串口通信模块20传入MCU控制器18进行数据处理并将处理过后的温度、时间数据存储在FLASH存储模块19中；
D、当仪器结束测量时，声音模块24发出提示音；MCU控制器18调用FLASH存储模块19所记录温度传感器温度达到最高所需的时间tm(s)和记录最大温度变化量Tm数据；通过内置程序中的热导率计算公式计算出热导率；并将其显示在液晶显示器25上，其中热导率计算公式为：
式中：tm—感应探针温度达到最高所需的时间(s)；t0—热脉冲持续时间(s)；q—单位长度加热丝在单位时间内释放出的热(W·m-1)；Δt＝tm-t0；-Ei(-x)为与B步骤R1，R2…Rn有关的指数积分；得上，只要通过感应探针温度变化-时间曲线得到温度达到最高时温度最大变化量Tm和其对应的所需要的时间tm(s)，就能计算得到土壤热导率λ。
MCU控制器18检测到异常温度信号时声音模块24发出提示音。需要排除异常重新开始检测。
当接入220V电源时，降压模块31将电压降为12V向测量系统供电，对12V锂电池充电。当系统不连接电源时，12V电源放电为测量系统供电。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：包括温度传感器探针(1)，探针座(3)，热脉冲探针(4)，内螺纹(口)(5)，工型凸台(6)，工型滑槽(7)，热电偶(8)，热脉冲发生器(11)，手持控制器(33)、底板(34)；
所述探针座(3)，侧面为工型凸台(6)，相邻另一侧为工型滑槽(7)，探针座(3)是中心部分为内螺纹(口)(5)；
所述底板(34)由多个探针座(3)组合而成，一个探针座(3)一侧工型滑槽(7)插入另一个探针座(3)一侧的工型凸台(6)组合而成，每个探针座大小相同；根据所测土壤深度选择不同长度的温度传感器探针(1)和热脉冲探针(4)；分别通过探针螺纹固定杆(2)、探针外螺纹杆(10)和探针座(3)中心的内螺纹(口)(5)旋转组合在一起；
所述温度传感器探针(1)为空心结构，在内部放置热电偶(8)和热电偶导线(9)，且热电偶(8)和热电偶导线(9)相连，且热电偶导线(9)在探针内部拉直不弯曲；温度传感器探针(1)热电偶(8)和热电偶导线(9)组合构成温度传感器(21)；热电偶导线(9)的外部延长线与手持控制器(33)内部的数据采集模块(14)相连；
所述热脉冲探针(4)为空心结构，在内部底部固定放置热脉冲发生器(11)，且通过热脉冲导线(12)与手持控制器(33)内部的热脉冲控制模块(16)相连。
2.根据权利要求1所述的多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：在手持控制器(33)内部电路板上集成：数据处理与存储模块(13)、数据采集模块(14)、人机交互模块(15)、热脉冲控制模块(16)和电源模块(17)。
3.根据权利要求1所述的多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：数据采集模块(14)包括滤波模块(22)，A/D转换模块(23)；滤波模块(22)与外部温度传感器(21)相连，A/D转换模块(23)与数据处理与存储模块(13)输入端相连。
4.根据权利要求1所述的多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：数据处理与存储模块(13)包括MCU控制器(18)，FLASH存储模块(19)，串口通信模块(20)；MCU控制器(18)与FLASH存储模块(19)相连；数字信号经过串口通信模块(20)传入MCU控制器(18)进行数据处理并将处理过后的数据存储在FLASH存储模块(19)中，并通过串口通信模块(20)进行MCU程序写入与擦除。
5.根据权利要求1所述的多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：人机交互模块(15)包括声音模块(24)，液晶显示器(25)，键盘输入模块(26)；液晶显示器(25)、键盘输入模块(26)位于手持控制器(33)表面部分，液晶显示器(25)与数据处理与存储模块(13)输出端相连，键盘输入模块(26)与数据处理与存储模块(13)输入端相连。
6.根据权利要求1所述的多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：热脉冲控制模块(16)包括电压控制模块(27)，计时模块(28)，开关电路(29)，热脉冲发生模块(30)；电压控制模块(27)电压输出端与计时模块(28)、开关电路(29)相连，协同控制热脉冲控制模块(16)。
7.根据权利要求1所述的多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：电源模块(17)包括220V～12V降压模块(31)，锂电池(32)；电源模块(17)为整个测量装置供电。
8.根据权利要求1所述的多方位土壤热导率测量装置，其特征在于：热脉冲探针(4)和温度传感器探针(1)具有10cm、15cm、20cm长度尺寸。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的多方位土壤热导率测量装置的测量方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：
A、选择测量土壤确定研究测量土壤深度选择合适长度探针，确定研究测量尺度，将探针座(3)组合成符合研究需求的底板(34)，温度传感器探针(1)和热脉冲探针(4)通过内螺纹(口)(5)分别和探针螺纹固定杆(2)、探针外螺纹杆(10)连接在一起，通过导线与手持控制器(33)相连接；
B、分别测量温度探针和热脉冲探针顶端直线距离，分别为R1，R2…Rn，将距离Ri值分别通过键盘输入模块(26)输入系统中后将探针插入土壤，选择测量按钮，测量开始，电源模块(17)对热脉冲控制模块(16)供电产生热脉冲，MCU控制器(18)通过电压控制模块(27)控制热脉冲电压从而控制热脉冲发生模块(30)功率，计时模块(28)与开关电路(29)配合形成热脉冲，加热时间为300s；
C、测量地块土壤温度上升，温度传感器(21)以每秒采集温度数据一次然后通过滤波模块(22)将温度的模拟信号去除噪声，再经过A/D转换模块(23)将模拟信号转换成数字信号，数字信号经过串口通信模块(20)传入MCU控制器(18)进行数据处理并将处理过后的温度、时间数据存储在FLASH存储模块(19)中；
D、当仪器结束测量时，声音模块(24)发出提示音；MCU控制器(18)调用FLASH存储模块(19)所记录温度传感器温度达到最高所需的时间tm(s)和记录最大温度变化量Tm数据；通过内置程序中的热导率计算公式计算出热导率；并将其显示在液晶显示器(25)上，其中热导率计算公式为：
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式中：tm—感应探针温度达到最高所需的时间(s)；t0—热脉冲持续时间(s)；q—单位长度加热丝在单位时间内释放出的热(W·m-1)；Δt＝tm-t0；-Ei(-x)为与B步骤R1，R2…Rn有关的指数积分；得上，只要通过感应探针温度变化-时间曲线得到温度达到最高时温度最大变化量Tm和其对应的所需要的时间tm(s)，就能计算得到土壤热导率λ。
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