CN107589040B - 一种用于测量土壤通气量的实验装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量土壤通气量的实验装置及测量方法，上部金属筒的底部通过搭扣连接有底部金属筒，所述底部金属筒的底部通过金属箍环环抱连接有底部稳定装置，所述上部金属筒的顶部通过搭扣安装有金属支撑环，金属支撑环的外壁均布安装有多根螺栓，所述螺栓的顶部支撑安装有用于防雨的玻璃圆盖；上部金属筒、底部金属筒和底部稳定装置的侧壁上固定安装有多组对称布置的测量探头，测量探头通过信号线与数据处理系统相连。该实验装置是利用土壤学里土壤通气量的理论公式为基准，通过气压传感器测量土壤内部某处的气压值大小，数据采集卡采集测量探头所测得信号后汇集传输至单片机上进行处理，经处理后将结果显示到显示器上。

Description

一种用于测量土壤通气量的实验装置及测量方法

技术领域

本发明属于土木试验装置技术领域，具体涉及一种用于测量土壤通气量的实验装置及测量方法。

背景技术

土壤通气量为在单位时间和单位压力条件下，通过单位体积土壤的空气总量，是一个可以衡量土壤通气性能的参数指标，通气量越大，其通气性能就越好。土壤通气性是土壤的重要特性之一，是保证土壤空气质量，使植物正常生长，微生物进行正常生命活动等不可缺少的条件。

在农业庄稼、草木种植乃至岩土工程等领域中，土壤通气性对其影响极大，而目前，由于某些条件的限制，市场上以及实验室里很难见到比较权威或规范的用于测量土壤通气量的实验装置或仪器，多数相关实验或试验都是定性研究土壤的通气性或是研究分析其他能够反映土壤通气性能的指标，如单独测量土壤中CO2或O2浓度，或是通过观察浅表层土壤以及植物外表的色泽、状态来估计土壤通气性能的好坏，是一种比较粗糙的实验方法，易引起较大误差，据此得到的土壤通气性评价指标与实际相也比必然存在误差，在其后对土壤通气性能的调节就难以到位，甚至出现调节失效的情况。

总之，在土壤通气量测量这一板块上，目前实践技术、方法和所用仪器并不是非常成熟，缺陷较多，因此，如何研制简单实用且较精确测量土壤通气量的实验装置一直是工程技术人员关注的问题。

发明内容

为了克服以上的缺陷和不足之处，本发明公开了一种可以比较精确测量土壤通气量的实验装置，该实验装置是利用土壤学里土壤通气量的理论公式为基准，通过气压传感器测量土壤内部某处的气压值大小，数据采集卡采集测量探头所测得信号后汇集传输至单片机上进行处理，经处理后将结果显示到显示器上。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种用于测量土壤通气量的实验装置，它包括上部金属筒，所述上部金属筒的底部通过搭扣连接有底部金属筒，所述底部金属筒的底部通过金属箍环环抱连接有底部稳定装置，所述上部金属筒的顶部通过搭扣安装有金属支撑环，所述金属支撑环的外壁均布安装有多根螺栓，所述螺栓的顶部支撑安装有用于防雨的玻璃圆盖；所述上部金属筒、底部金属筒和底部稳定装置的侧壁上固定安装有多组对称布置的测量探头，所述测量探头通过信号线与数据处理系统相连；

所述数据处理系统包括电源、控制电路板、数据采集卡和单片机，所述数据采集卡采集测量探头所测得信号后汇集传输至单片机上进行处理，经处理后将结果显示到显示器上；所述显示器通过USB数据线与数据处理系统相连。

所述测量探头外壳由外部防护层和内部防护层组成；所述外部防护层由钢丝防护网和金属圆筒组成，钢丝防护网孔隙微小，金属圆筒刚度大，其上布有较密集的圆孔；

所述内部防护层为金属圆筒，其直径小于外部防护层的金属圆筒，所述内部防护层的金属圆筒中性面上侧半圆筒密封、不留孔洞，下侧半圆筒留有较密集孔洞。

所述测量探头、外部防护层和内部防护层均采用相同角度的倾斜布置，其倾斜角度为2～5°。

所述上部金属筒和底部金属筒采用轻质、刚度大、且不易吸附气体的圆柱体钢材制成，在其外壁上贴有Dike铝箔隔热卷材。

所述上部金属筒和底部金属筒相结合的位置采用凹槽和凸棱相配合的结构，在结合面设置有一个橡胶垫圈，其厚度为1.5～2.5mm。

所述上部金属筒和底部金属筒的高度一致，均为0.3～0.4m；筒外壁左右两边均设有两组对称布置的圆孔，同一高度处的左右两个圆孔的圆心连线穿过金属筒的竖向中心轴线，圆孔的位置分别在金属筒的1/3和2/3高度处。

测量探头的外部包裹有橡胶保护层，所述橡胶保护层的直径略大于加工在上部金属筒和底部金属筒上圆孔的直径；所述橡胶保护层穿过圆孔并通过橡胶螺母固定在金属筒的侧壁上，所述橡胶螺母固定安装在金属筒的外部，而且在橡胶螺母与金属筒相接触的位置设置有橡胶垫片。

所述螺栓的通过旋动螺栓固定安装在金属支撑环外部的螺纹套上；

金属支撑环的下缘加工有卡槽，所述卡槽与上部金属筒的顶部相配合卡装在一起；

所述玻璃圆盖的材质为透光率高的玻璃，其外径为上部金属筒外径的1.5倍；

所述底座稳固装置的材质为铝合金，刚度较大，两边各自留有一道口，在其外壁上还固定有金属箍环，所述金属箍环通过托扣限位，所述金属箍环的两端通过固定螺栓相连；

所述底座稳固装置向外延伸3个翼缘脚，所述翼缘脚上留有1～2个螺孔。

所述外部防护层的开口一端内壁上加工有内螺纹，所述内螺纹与加工在测量探头外部的外螺纹相配合，所述测量探头与上部金属筒以及底部金属筒的内壁相接触的位置设置有橡胶垫片；

所述数据采集卡和与单片机之间用RS485总线连接；

所述单片机为AVR单片机。

采用任意一项土壤通气量实验装置的土壤通气量测量方法，它包括以下步骤：

Step1：安装气压传感器，在安装前先在圆孔外套上一个橡胶垫片，保Dike铝箔隔热卷材在橡胶螺母扭紧时不受磨损；将测量探头穿过金属筒圆孔，穿孔完成后先在金属筒内侧的测量探头上放置橡胶垫片，以保护金属筒内壁不受磨损，再将外部防护层通过螺纹与测量探头扭紧，然后再将橡胶螺母扭紧，这样，一个传感器安装便完成了，共安装8个；

Step2：将上部金属筒和底部金属筒通过搭扣机械联结在一起，并用尺子量取实验所需土壤的高度，并用记号笔做记号，同时在金属筒外壁上对每排测量探头进行编号处理，从上至下依次记为1L、1R，2L、2R，3L、3R，4L、4R；

Step3：量取记号处至第一排测量探头(1L、1R)的距离为d1，至第二排测量探头(2L、2R)的距离为d2，依次为d3，d4；

Step4：连接好各处的导线和信号连线，连接好后启动电源，打开数据采集卡、单片机和显示器，观察整个实验装置有无异常现象，若有，找出异常并排除，若无，则说明一切设备正常运行，此时进行“数据预设置”；

Step5：在单片机上进行数据预设置，单片机接受数据采集卡传送过来的信号，但其信号名称必然是以数据采集卡上与传感器连线接口处的通道号来命名的，一般情况下编号数字与通道号数字并不一一对应，如编号为1L传感器连接在数据采集卡可能的第4通道等，这时需在单片机上进行重新命名编号，在‘第4通道’那一栏编入“1L”，依次进行操作；待全部编写完成后，需按顺序将每一栏数据进行排列，按照“1L、1R、2L、2R、3L、3R、4L、4R”的顺序升序或降序排列；另外设置运算程序，在计算最终结果中要用到土壤某处的气压值P_i(i＝1,2,3,4)(单位：kPa)与大气压之间的差值△P，因有4处不同深度的传感器，每一深度处就可计算出△P，故本例中有△P1、△P2、△P3和△P4四个△P值，大气压为101.325kPa，则△P＝|P_i－101.325|，(单位：kPa)；由于在同一深度处是左右两个传感器同时测量，一般情况下△P为两者的平均值，此处有两种计算△P的方法；

方法一：先计算各自的气压差值，再求平均数，所测得的气压值分别为P1L、P1R，那么：

△P_1L＝|P_1L－101.325|；

△P_1R＝|P_1R－101.325|；

则△P₁＝(△P_1L+△P_1R)/2，依次计算出△P₂、△P₃和△P₄；

方法二：先求出平均值P₁，再求出平均值的气压差值，即：

P₁＝(P_1L+P_1R)/2，则△P₁＝|P₁－101.325|；

然后依次计算出△P₂、△P₃和△P₄；

此外，还需将通气面积A，测量深度d_i(i＝1,2,3,4)编入到程序里，并记录实验时间△t(单位：s)，土壤通气量Q的理论公式为：

通气量Q随着时间的进行不断变化，直至后来逐渐稳定下来，其稳定值即为该土壤在这一深度处的通气量；k比例常数，成为土壤的通气系数，它是一个无量纲的量，可通过实验来确定；其通气面积A为土壤露出来的面积，即为金属筒横截面圆的面积，di如Step3中所求，△t为从初始开始测量时刻到某一次测量信号被处理运算的时间，如数据采集卡采集频率为10s/次，则第一次测量结果中△t＝10s，第二次测量结果中△t＝20s，依次类推；在单片机上编入相应的运算程序，使得测量出的气压值能够按上述一种或两种方法计算出△P和Q值，至此，数据预设置完成，之后关闭数据采集卡、单片机和显示器，断开电源，进行下一步操作；

Step6：盛装土壤，将实验所用土壤较缓慢装入盛土容器中，避免因过多过快地装入在土壤内尤其是传感器附近产生缝隙空间，对测量结果产生影响，装入完成后顶面整平，之后让其静置一段时间，如静置4h、9h等，土壤初装入容器时混杂了不少空气在内，其内部固、液、气三相必然要相互作用，需静置一段时间让其稳定下来，静置过后才开始测量；

Step7：测量，接通电源，打开数据采集卡、单片机开关以及显示器，点击单片机上的“开始测量”按键，测量探头开始测量，这显示器上开始显示各个传感器所测气压值P_i以及△P_i值，先测量片刻时间，然后点击单片机上的“数据置零”按键，将刚刚测量的数据清零，再次检查仪器设备是否正常，可有效防止异常现象发生；再点击“开始测量”按键，此时开始进入正常工作状态，以这开始时刻起开始计时；因土壤通气量Q要较长时间才能达到稳定，因此需要进行较长时间的测量，如12h，18h，24h，36h等。

Step8：实验结束时，点击单片机上的“结束测量”按键，系统程序会自动分析实验数据，显示该土壤通气量Q值的大小，并将测量结果以关系变化曲线图展示出来，一般的，土壤通气量Q值是先逐渐增大后平稳，其平稳后的值即为该土壤的通气量。

本发明有如下有益效果：

1、本发明属于新型产品，结构简单，制作成本较低，所需材料在市场上容易购买，组装简单，实验操作也比较方便。

2、本发明不仅可以测量单独一种土壤的通气量，还可测量多种分层以及多种任意比例混合情况下的土壤通气量；即可测量湿土通气量，也可测量干土通气量，且金属筒的个数可以根据实验方案进行选择，这对研究土壤气相性质的学术科研方面将起到较大的促进作用。

3、金属筒上贴有Dike铝箔隔热卷材可极大程度降低在测量时因外部环境的温度、水分等因素的影响会引起金属筒内部土壤水分、气体的额外的变化影响，使得测量结果更加准确。

4、本发明附带有防降雨装置和底座稳固装置，室内室外实验均可。另外根据实验需要，如研究自然状况(包括降雨)下的土壤通气量，可以不用防降雨装置。对于某些场地和实际情形，也可考虑不用底座稳固装置。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明金属筒的主剖视图。

图3为本发明测量探头与金属筒安装结构示意图。

图4为本发明测量探头与橡胶螺母配合结构示意图。

图5为本发明测量探头外部防护层结构示意图。

图6为本发明金属筒上的圆孔结构示意图。

图7为本发明测量探头与橡胶螺母配合之后的结构示意图。

图8为本发明搭扣结构示意图。

图9为本发明上部金属筒和底部金属筒结合处的局部结构示意图。

图10为本发明金属支撑环和玻璃圆盖之间的安装结构图及局部放大图。

图11为本发明螺栓和玻璃圆盖之间的安装结构图。

图12为本发明金属支撑环及其上零部件结构示意图。

图13为本发明上部金属筒和金属支撑环之间的装配结构示意图。

图14为本发明底部稳固装置结构示意图视图。

图中：1—上部金属筒；2—底部金属筒；3—测量探头；4—外部防护层；5—内部防护层；6—内螺纹；7—橡胶保护层；8—橡胶螺母；9—土壤；10—Dike铝箔隔热卷材；11—橡胶垫片；12—玻璃圆盖；13—螺栓；14—金属支撑环；15—搭扣；16—底部稳固装置；17—橡胶垫圈；18—旋动螺栓；19—托扣；20—金属箍环；21—固定螺栓；22—翼缘脚；23—螺孔；24—金属筒上的圆孔；30—USB数据线；31—显示器；32—外螺纹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-14，一种用于测量土壤通气量的实验装置，它包括上部金属筒1，所述上部金属筒1的底部通过搭扣15连接有底部金属筒2，所述底部金属筒2的底部通过金属箍环20环抱连接有底部稳定装置16，所述上部金属筒1的顶部通过搭扣15安装有金属支撑环14，所述金属支撑环14的外壁均布安装有多根螺栓13，所述螺栓13的顶部支撑安装有用于防雨的玻璃圆盖12；所述上部金属筒1、底部金属筒2和底部稳定装置16的侧壁上固定安装有多组对称布置的测量探头3，所述测量探头3通过信号线与数据处理系统相连；该实验装置是利用土壤学里土壤通气量的理论公式为基准，通过气压传感器测量土壤内部某处的气压值大小，数据采集卡采集测量探头所测得信号后汇集传输至单片机上进行处理，经处理后将结果显示到显示器上。

进一步的，所述的测量探头3内部的气压传感器为BA5803数字气压传感器，体积微小，内置有一个低功耗的24位模数转换电路ADC，传感器的输出电压信号经24位ADC转换后输出的是数字信号，且该产品经防水透明胶密封，防水性能极好。

进一步的，所述数据处理系统包括电源、控制电路板、数据采集卡和单片机，所述数据采集卡采集测量探头3所测得信号后汇集传输至单片机上进行处理，经处理后将结果显示到显示器31上；所述显示器31通过USB数据线30与数据处理系统相连。通过所述的数据处理系统能够对所采集的数据进行收集和处理，进而测量土壤的通气量。

进一步的，所述测量探头3外壳由外部防护层4和内部防护层5组成；所述外部防护层4由钢丝防护网和金属圆筒组成，钢丝防护网孔隙微小，金属圆筒刚度大，其上布有较密集的圆孔；钢丝防护网孔隙微小，只允许极少数细微颗粒土、水分及气体通过，金属圆筒刚度较大，用以支撑整个钢丝防护网，可防止钢丝防护网因受到较大土压力而发生变形甚至破坏，其上布有较密集的圆孔，圆孔允许外面已通过钢丝防护网的极少数细颗粒土、水分及气体通过，进入到里层。

进一步的，所述内部防护层5为金属圆筒，其直径小于外部防护层4的金属圆筒，所述内部防护层5的金属圆筒中性面上侧半圆筒密封、不留孔洞，下侧半圆筒留有较密集孔洞。其作用在于，从外部防护层进入的细微颗粒土和水分可能对传感器的薄膜或顶针造成影响，使得测量结果不准确，上侧半圆筒密封、不留孔洞后就可抵挡这些渗入的细颗粒土和水分，保护里面测量探不受额外干扰，下侧半圆筒留有孔洞，允许气体通过。

进一步的，所述测量探头3、外部防护层4和内部防护层5均采用相同角度的倾斜布置，其倾斜角度为2～5°，有利于水分排出。

进一步的，所述上部金属筒1和底部金属筒2采用轻质、刚度大、且不易吸附气体的圆柱体钢材制成，在其外壁上贴有Dike铝箔隔热卷材10。该材料除了具有极强的隔热保温的作用外，还有防水、防潮、隔汽的功能。

进一步的，所述上部金属筒1和底部金属筒2相结合的位置采用凹槽和凸棱相配合的结构，在结合面设置有一个橡胶垫圈17，其厚度为1.5～2.5mm。其作用是防止金属筒机械联结时可能产生的细小漏缝而漏气。

进一步的，所述上部金属筒1和底部金属筒2的高度一致，均为0.3～0.4m；筒外壁左右两边均设有两组对称布置的圆孔24，同一高度处的左右两个圆孔的圆心连线穿过金属筒的竖向中心轴线，圆孔24的位置分别在金属筒的1/3和2/3高度处。圆孔外延伸1～2cm的金属螺纹柱，以方便测量探头的固定安装。

进一步的，所述上部金属筒1和底部金属筒2共同构成盛土容器，所述盛土容器由一个或多个金属筒构成，分为底部金属筒和上部金属筒，底部金属筒有底层，上部金属筒中空，无上层和底层，底部金属筒的外壁上边缘处以及上部金属筒的外壁上、下边缘处均设有3搭扣，相邻两个搭扣与金属筒竖向中心轴线连线所成夹角为120°，金属筒联结处的上下两个搭扣互相匹配联结，因此多个金属筒之间可以紧固联结在一起。

进一步的，测量探头3的外部包裹有橡胶保护层7，所述橡胶保护层7的直径略大于加工在上部金属筒1和底部金属筒2上圆孔24的直径；所述橡胶保护层7穿过圆孔24并通过橡胶螺母8固定在金属筒的侧壁上，所述橡胶螺母8固定安装在金属筒的外部，而且在橡胶螺母8与金属筒相接触的位置设置有橡胶垫片11。即不需要使太大的力将测量探头插入圆孔内，可保证其气密性良好，外面又有橡胶螺帽，通过橡胶螺帽与圆孔外申的金属螺纹扭紧后将测量探头固紧，可进一步保证其气密性良好，不漏气。

进一步的，所述螺栓13的通过旋动螺栓18固定安装在金属支撑环14外部的螺纹套上；

进一步的，金属支撑环14的下缘加工有卡槽，所述卡槽与上部金属筒1的顶部相配合卡装在一起。

进一步的，所述玻璃圆盖12的材质为透光率高的玻璃，其外径为上部金属筒外径的1.5倍；用以保证有效防雨。

进一步的，所述底座稳固装置16的材质为铝合金，刚度较大，两边各自留有一道口，在其外壁上还固定有金属箍环20，所述金属箍环20通过托扣19限位，所述金属箍环20的两端通过固定螺栓21相连；

进一步的，所述底座稳固装置16向外延伸3个翼缘脚22，所述翼缘脚上留有1～2个螺孔23。其作用在于，当实验时的盛土容器较高时，为避免晃动甚至倒塌的情形出现，增大了受力面积，同时还可在其圆孔上钉下螺栓或放置重物压住，可进一步保证实验装置的稳定性，避免意外情况的发生。底座稳固装置的作用是：避免底部金属筒直接接触地面而受到地面温度、压力等因素的影响。

进一步的，所述外部防护层4的开口一端内壁上加工有内螺纹6，所述内螺纹6与加工在测量探头3外部的外螺纹32相配合，所述测量探头3与上部金属筒1以及底部金属筒2的内壁相接触的位置设置有橡胶垫片11；

进一步的，所述数据采集卡和与单片机之间用RS485总线连接；数据采集卡为16路通道的开关量数据采集卡，可同时连接16个传感器，当所有传感器多于16个时，可考虑同种型号的16路、8路等通道的数据采集卡，以便系统兼容。

进一步的，所述单片机为AVR单片机。根据实际情形可考虑用Labview或VB程序控制单片机。

实施例2：

本实施例以2个金属筒为例：

说明：确定土壤高度时，若土壤高度较高，则需要多个金属筒组合连接，在连接之前需先将气压传感器安装上，如若先将金属筒组合连接，则里面深层处的传感器因太深安装不了。每个金属筒的高度均为0.3～0.4m，为叙述方便，本例取0.4m，这样实验时土壤高度可在0.4～0.8m范围内选取，低于0.4m只用一个金属筒。本例选择高度接近其上口边缘，如图2所示。因此，先安装传感器，再连接金属筒。本例为室内实验，且盛土容器高度较小，故不用防降雨装置和底部稳固装置。但防降雨装置和底部稳固装置安装操作方法在后文会单独说明。

采用任意一项土壤通气量实验装置的土壤通气量测量方法，它包括以下步骤：

Step1：安装气压传感器，在安装前先在圆孔24外套上一个橡胶垫片11，保Dike铝箔隔热卷材10在橡胶螺母8扭紧时不受磨损；将测量探头3穿过金属筒圆孔24，穿孔完成后先在金属筒内侧的测量探头3上放置橡胶垫片11，以保护金属筒内壁不受磨损，再将外部防护层4通过螺纹6与测量探头3扭紧，然后再将橡胶螺母8扭紧，这样，一个传感器安装便完成了，共安装8个；

Step2：将上部金属筒1和底部金属筒2通过搭扣15机械联结在一起，并用尺子量取实验所需土壤的高度，并用记号笔做记号，同时在金属筒外壁上对每排测量探头进行编号处理，从上至下依次记为1L、1R，2L、2R，3L、3R，4L、4R；

Step3：量取记号处至第一排测量探头(1L、1R)的距离为d1，至第二排测量探头(2L、2R)的距离为d2，依次为d3，d4；

Step4：连接好各处的导线和信号连线，连接好后启动电源，打开数据采集卡、单片机和显示器(31)，观察整个实验装置有无异常现象，若有，找出异常并排除，若无，则说明一切设备正常运行，此时进行“数据预设置”；

Step5：在单片机上进行数据预设置，单片机接受数据采集卡27传送过来的信号，但其信号名称必然是以数据采集卡27上与传感器连线接口处的通道号来命名的，一般情况下编号数字与通道号数字并不一一对应，如编号为1L传感器连接在数据采集卡可能的第4通道等，这时需在单片机上进行重新命名编号，在‘第4通道’那一栏编入“1L”，依次进行操作；待全部编写完成后，需按顺序将每一栏数据进行排列，按照“1L、1R、2L、2R、3L、3R、4L、4R”的顺序升序或降序排列；另外设置运算程序，在计算最终结果中要用到土壤某处的气压值P_i(i＝1,2,3,4)(单位：kPa)与大气压之间的差值△P，因有4处不同深度的传感器，每一深度处就可计算出△P，故本例中有△P1、△P2、△P3和△P4四个△P值，大气压为101.325kPa，则△P＝|P_i－101.325|，(单位：kPa)；由于在同一深度处是左右两个传感器同时测量，一般情况下△P为两者的平均值，此处有两种计算△P的方法；

方法一：先计算各自的气压差值，再求平均数，所测得的气压值分别为P1L、P1R，那么：

△P_1L＝|P_1L－101.325|；

△P_1R＝|P_1R－101.325|；

则△P₁＝(△P_1L+△P_1R)/2，依次计算出△P₂、△P₃和△P₄；

方法二：先求出平均值P₁，再求出平均值的气压差值，即：

P₁＝(P_1L+P_1R)/2，则△P₁＝|P₁－101.325|；

然后依次计算出△P₂、△P₃和△P₄；

此外，还需将通气面积A，测量深度d_i(i＝1,2,3,4)编入到程序里，并记录实验时间△t(单位：s)，土壤通气量Q的理论公式为：

通气量Q随着时间的进行不断变化，直至后来逐渐稳定下来，其稳定值即为该土壤在这一深度处的通气量；k比例常数，成为土壤的通气系数，它是一个无量纲的量，可通过实验来确定；其通气面积A为土壤露出来的面积，即为金属筒横截面圆的面积，di如Step3中所求，△t为从初始开始测量时刻到某一次测量信号被处理运算的时间，如数据采集卡采集频率为10s/次，则第一次测量结果中△t＝10s，第二次测量结果中△t＝20s，依次类推；在单片机上编入相应的运算程序，使得测量出的气压值能够按上述一种或两种方法计算出△P和Q值，至此，数据预设置完成，之后关闭数据采集卡、单片机和显示器，断开电源，进行下一步操作；

Step6：盛装土壤，将实验所用土壤9较缓慢装入盛土容器中，避免因过多过快地装入在土壤内尤其是传感器附近产生缝隙空间，对测量结果产生影响，装入完成后顶面整平，之后让其静置一段时间，如静置4h、9h等，土壤初装入容器时混杂了不少空气在内，其内部固、液、气三相必然要相互作用，需静置一段时间让其稳定下来，静置过后才开始测量；

Step7：测量，接通电源，打开数据采集卡、单片机开关以及显示器，点击单片机上的“开始测量”按键，测量探头开始测量，这显示器31上开始显示各个传感器所测气压值P_i以及△P_i值，先测量片刻时间，然后点击单片机28上的“数据置零”按键，将刚刚测量的数据清零，再次检查仪器设备是否正常，可有效防止异常现象发生；再点击“开始测量”按键，此时开始进入正常工作状态，以这开始时刻起开始计时；因土壤通气量Q要较长时间才能达到稳定，因此需要进行较长时间的测量，如12h，18h，24h，36h等。

Step8：实验结束时，点击单片机上的“结束测量”按键，系统程序会自动分析实验数据，显示该土壤通气量Q值的大小，并将测量结果以关系变化曲线图展示出来，一般的，土壤通气量Q值是先逐渐增大后平稳，其平稳后的值即为该土壤的通气量。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (9)

1.一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：它包括上部金属筒(1)，所述上部金属筒(1)的底部通过搭扣(15)连接有底部金属筒(2)，所述底部金属筒(2)的底部通过金属箍环(20)环抱连接有底部稳定装置(16)，所述上部金属筒(1)的顶部通过搭扣(15)安装有金属支撑环(14)，所述金属支撑环(14)的外壁均布安装有多根螺栓(13)，所述螺栓(13)的顶部支撑安装有用于防雨的玻璃圆盖(12)；所述上部金属筒(1)、底部金属筒(2)和底部稳定装置(16)的侧壁上固定安装有多组对称布置的测量探头(3)，所述测量探头(3)通过信号线与数据处理系统相连；

所述数据处理系统包括电源、控制电路板、数据采集卡和单片机，所述数据采集卡采集测量探头(3)所测得信号后汇集传输至单片机上进行处理，经处理后将结果显示到显示器(31)上；所述显示器(31)通过USB数据线(30)与数据处理系统相连；

所述测量探头(3)外壳由外部防护层(4)和内部防护层(5)组成；所述外部防护层(4)由钢丝防护网和金属圆筒组成，钢丝防护网孔隙微小，金属圆筒刚度大，其上布有较密集的圆孔；所述测量探头(3)为气压测量探头；

所述内部防护层(5)为金属圆筒，其直径小于外部防护层(4)的金属圆筒，所述内部防护层(5)的金属圆筒中性面上侧半圆筒密封、不留孔洞，下侧半圆筒留有较密集孔洞。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：所述测量探头(3)、外部防护层(4)和内部防护层(5)均采用相同角度的倾斜布置，其倾斜角度为2～5°。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：所述上部金属筒(1)和底部金属筒(2)采用轻质、刚度大、且不易吸附气体的圆柱体钢材制成，在其外壁上贴有Dike铝箔隔热卷材(10)。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：所述上部金属筒(1)和底部金属筒(2)相结合的位置采用凹槽和凸棱相配合的结构，在结合面设置有一个橡胶垫圈(17)，其厚度为1.5～2.5mm。

5.根据权利要求1或3或4所述的一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：所述上部金属筒(1)和底部金属筒(2)的高度一致，均为0.3～0.4m；筒外壁左右两边均设有两组对称布置的圆孔(24)，同一高度处的左右两个圆孔的圆心连线穿过金属筒的竖向中心轴线，圆孔(24)的位置分别在金属筒的1/3和2/3高度处。

6.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：测量探头(3)的外部包裹有橡胶保护层(7)，所述橡胶保护层(7)的直径略大于加工在上部金属筒(1)和底部金属筒(2)上圆孔(24)的直径；所述橡胶保护层(7)穿过圆孔(24)并通过橡胶螺母(8)固定在金属筒的侧壁上，所述橡胶螺母(8)固定安装在金属筒的外部，而且在橡胶螺母(8)与金属筒相接触的位置设置有橡胶垫片(11)。

7.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：所述螺栓(13)通过旋动螺栓(18)固定安装在金属支撑环(14)外部的螺纹套上；

金属支撑环(14)的下缘加工有卡槽，所述卡槽与上部金属筒(1)的顶部相配合卡装在一起；

所述玻璃圆盖(12)的材质为透光率高的玻璃，其外径为上部金属筒外径的1.5倍；

所述底部稳定装置(16)的材质为铝合金，刚度较大，两边各自留有一道口，在其外壁上还固定有金属箍环(20)，所述金属箍环(20)通过托扣(19)限位，所述金属箍环(20)的两端通过固定螺栓(21)相连；

所述底部稳定装置(16)向外延伸3个翼缘脚(22)，所述翼缘脚上留有1～2个螺孔(23)。

8.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤通气量的实验装置，其特征在于：所述外部防护层(4)的开口一端内壁上加工有内螺纹(6)，所述内螺纹(6)与加工在测量探头(3)外部的外螺纹(32)相配合，所述测量探头(3)与上部金属筒(1)以及底部金属筒(2)的内壁相接触的位置设置有橡胶垫片(11)；

所述数据采集卡和与单片机之间用RS485总线连接；

所述单片机为AVR单片机。

9.采用权利要求1-8任意一项所述的土壤通气量实验装置的土壤通气量测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：

Step1：安装气压传感器，在安装前先在圆孔(24)外套上一个橡胶垫片(11)，保护Dike铝箔隔热卷材(10)在橡胶螺母(8)扭紧时不受磨损；将测量探头(3)穿过金属筒圆孔(24)，穿孔完成后先在金属筒内侧的测量探头(3)上放置橡胶垫片(11)，以保护金属筒内壁不受磨损，再将外部防护层(4)通过内螺纹(6)与测量探头(3)扭紧，然后再将橡胶螺母(8)扭紧，这样，一个传感器安装便完成了，共安装8个；

Step2：将上部金属筒(1)和底部金属筒(2)通过搭扣(15)机械联结在一起，并用尺子量取实验所需土壤的高度，并用记号笔做记号，同时在金属筒外壁上对每排测量探头进行编号处理，从上至下依次记为1L、1R，2L、2R，3L、3R，4L、4R；

Step3：量取记号处至第一排测量探头的距离为d₁，至第二排测量探头的距离为d₂，至第三排测量探头的距离为d₃，至第四排测量探头的距离为d₄；

Step4：连接好各处的导线和信号连线，连接好后启动电源，打开数据采集卡、单片机和显示器(31)，观察整个实验装置有无异常现象，若有，找出异常并排除，若无，则说明一切设备正常运行，此时进行“数据预设置”；

Step5：在单片机上进行数据预设置，单片机接受数据采集卡(27)传送过来的信号，但其信号名称必然是以数据采集卡(27)上与传感器连线接口处的通道号来命名的，一般情况下编号数字与通道号数字并不一一对应，这时需在单片机上进行重新命名编号，在‘第4通道’那一栏编入“1L”，依次进行操作；待全部编写完成后，需按顺序将每一栏数据进行排列，按照“1L、1R、2L、2R、3L、3R、4L、4R”的顺序升序或降序排列；另外设置运算程序，在计算最终结果中要用到土壤某处的气压值P_i与大气压之间的差值△P，其中i＝1,2,3,4，因有4处不同深度的传感器，每一深度处就可计算出△P，故本例中有△P₁、△P₂、△P₃和△P₄四个△P值，大气压为101.325kPa，则△P＝|P_i－101.325|；由于在同一深度处是左右两个传感器同时测量，△P为两者的平均值，此处有两种计算△P的方法；

方法一：先计算各自的气压差值，再求平均数，所测得的气压值分别为P_1L、P_1R，那么：

△P_1L＝|P_1L－101.325|；

△P_1R＝|P_1R－101.325|；

则△P₁＝(△P_1L+△P_1R)/2，依次计算出△P₂、△P₃和△P₄；

方法二：先求出平均值P₁，再求出平均值的气压差值，即：

P₁＝(P_1L+P_1R)/2，则△P₁＝|P₁－101.325|；

然后依次计算出△P₂、△P₃和△P₄；

此外，还需将通气面积A，测量深度d_i编入到程序里，其中i＝1,2,3,4，并记录实验时间△t，土壤通气量Q的理论公式为：

通气量Q随着时间的进行不断变化，直至后来逐渐稳定下来，其稳定值即为该土壤在这一深度处的通气量；k比例常数，成为土壤的通气系数，它是一个无量纲的量，通过实验来确定；其通气面积A为土壤露出来的面积，即为金属筒横截面圆的面积，di如Step3中所求，△t为从初始开始测量时刻到某一次测量信号被处理运算的时间，则第一次测量结果中△t＝10s，第二次测量结果中△t＝20s，依次类推；在单片机上编入相应的运算程序，使得测量出的气压值能够按上述一种或两种方法计算出△P和Q值，至此，数据预设置完成，之后关闭数据采集卡、单片机和显示器，断开电源，进行下一步操作；

Step6：盛装土壤，将实验所用土壤(9)较缓慢装入盛土容器中，避免因过多过快地装入在土壤内尤其是传感器附近产生缝隙空间，对测量结果产生影响，装入完成后顶面整平，之后让其静置一段时间，土壤初装入容器时混杂了不少空气在内，其内部固、液、气三相必然要相互作用，需静置一段时间让其稳定下来，静置过后才开始测量；

Step7：测量，接通电源，打开数据采集卡、单片机开关以及显示器，点击单片机上的“开始测量”按键，测量探头开始测量，这时显示器(31)上开始显示各个传感器所测气压值P_i以及△P_i值，先测量片刻时间，然后点击单片机(28)上的“数据置零”按键，将刚刚测量的数据清零，再次检查仪器设备是否正常，可有效防止异常现象发生；再点击“开始测量”按键，此时开始进入正常工作状态，以这开始时刻起开始计时；因土壤通气量Q要较长时间才能达到稳定，因此需要进行较长时间的测量；

Step8：实验结束时，点击单片机上的“结束测量”按键，系统程序会自动分析实验数据，显示该土壤通气量Q值的大小，并将测量结果以关系变化曲线图展示出来，土壤通气量Q值是先逐渐增大后平稳，其平稳后的值即为该土壤的通气量。