CN108956357B - 一种灌丛凝结水测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供公开了一种灌丛凝结水测量装置，包括支撑立杆，支撑立杆竖直设置，测试框架安装平台连接于支撑立杆的顶端，测试框架外罩连接于测试框架安装平台上，且测试框架外罩上设有导流栅；传感器安装平台设置于测试框架安装平台上；称重传感器安装于传感器安装平台上；半导体温控元件安装于称重传感器上且二者之间设置有隔热元件；测试面温度传感器设于半导体温控元件上；叶面温度传感器用于测量灌丛的叶面温度；控制器包括温控器、称重电路和电源，测试面温度传感器、叶面温度传感器和半导体温控元件均与温控器电连接，称重传感器与称重电路电连接。该灌丛凝结水测量装置，能够实现准确、实时、连续测量灌丛凝结水量。

Description

一种灌丛凝结水测量装置

技术领域

本发明涉及灌丛凝结水研究技术领域，特别是涉及一种灌丛凝结水测量装置。

背景技术

陆地水循环系统中降雨可分为垂直降雨和水平降雨两种形式。目前对于垂直降雨(雨、雪、雹等)的观测较为成熟规范，也具有较长的历史。而对于水平降雨(如霜、露、雾、雾淞等，也称之为即凝结水)，由于其发生量小、维持时间短、测量困难等原因往往被人们所忽视。但由于水平降水发生频率远远大于垂直降水，其总量较大，对于研究SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)系统中水量及热量平衡具有重要的意义。尤其在旱区生态系统中，凝结水作为一个重要的生态因子，在部分极端情况下是该地区部分动植物可利用的唯一水源，对于维持区域脆弱生态系统具有重要的作用。

在生态系统中灌丛分布约占陆地面积的五分之一，约为目前现有森林面积的二倍，尤其在干旱荒漠地区，灌丛往往可以形成比较稳定的群落，是该类地区生态系统的重要形式，是维持地区生态系统具有重要功能。灌丛可以形成特殊的小气候，影响凝结水的形成，同时凝结水的形成对于灌丛生态系统起到重要的维持作用。

目前对于凝结水的形成机理、测量仪器和植物对于凝结水的生理响应过程的探索尚处于起步阶段，目前的主要研究仍主要集中在对于不同地区凝结水的观测。对于凝结水的观测方法主要分为凝结水持续时间的测定以及凝结水发生时间的测量两个方面。对于凝结水持续时间的观测主要采用全电阻栅极、叶面湿度传感器等方法，将其安置于冠层内部，以连续不断的观测凝结水的发生时间。对于凝结水量的测量是研究凝结水的一项重要驱动力。为此利用玻璃、石膏板、瓷片、吸水纸等各种材料凝结面来测定不同下垫面凝结水的发生量。但是，目前现有的测量方法主要存在以下问题：1.由于凝结水发生时间短，难以实现需要实时、连续测量。2.凝结水发生量非常小，对于测量精度要求非常高。3.测量装置位于户外，易于受到周围环境因素的影响。4.传统测量方传感器标定较为困难，存在较多不确定因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度的灌丛凝结水测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现准确、实时、连续测量灌丛凝结水量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种灌丛凝结水测量装置，包括支撑立杆、测试框架安装平台、测试框架外罩、传感器安装平台、称重传感器、半导体温控元件、测试面温度传感器和控制器，所述支撑立杆竖直设置，且所述支撑立杆的底端用于固定于地面上；所述测试框架安装平台连接于所述支撑立杆的顶端；所述测试框架外罩可拆卸连接于所述测试框架安装平台上，且所述测试框架外罩上设置有多个导流栅；所述传感器安装平台设置于所述测试框架安装平台上且位于所述测试框架外罩内；所述称重传感器安装于所述传感器安装平台上；所述半导体温控元件安装于所述称重传感器上，且所述所述半导体温控元件和所述称重传感器之间设置有隔热元件，所述半导体温控元件的上表面为测试面；所述测试面温度传感器设置于所述半导体温控元件的测试面上；叶面温度传感器，所述叶面温度传感器用于测量灌丛的叶面温度；所述控制器包括温控器、称重电路和电源，所述电源分别与所述温控器和所述称重电路电连接，所述测试面温度传感器、所述叶面温度传感器和所述半导体温控元件均与所述温控器电连接，所述称重传感器与所述称重电路电连接。

优选的，所述测试面温度传感器通过测试面温度传感器连接线与所述温控器电连接，所述半导体温控元件通过半导体温控元件连接线与所述温控器电连接，所述称重传感器通过称重传感器连接线与所述称重电路电连接。

优选的，还包括一绕线立杆，所述绕线立杆竖直固定设置于所述传感器安装平台上，所述绕线立杆用于缠绕固定住所述测试面温度传感器连接线、所述半导体温控元件连接线和所述称重传感器连接线。

优选的，还包括一大气温湿度传感器，所述控制器还包括一温湿度采集器，所述电源与所述温湿度采集器电连接，所述大气温湿度传感器固定连接于所述绕线立杆的顶端并通过大气温湿度传感器连接线与所述温湿度采集器电连接，且所述大气温湿度传感器连接线也缠绕固定于所述绕线立杆上。

优选的，所述传感器安装平台上还设置有一水准仪。

优选的，所述支撑立杆为电动伸缩立杆，且所述支撑立杆的底端固定连接有锚钉。

优选的，所述电源为蓄电池。

优选的，所述测试框架安装平台上开设有连接线过孔，所述连接线过孔用于穿设所述测试面温度传感器连接线、所述半导体温控元件连接线、所述称重传感器连接线和所述大气温湿度传感器连接线。

优选的，所述隔热元件为隔热垫片，所述称重传感器为小量程高精度称重传感器，所述测试面温度传感器为高精度温度传感器，所述叶面温度传感器为微型高精度温度传感器。

优选的，所述称重传感器的底部通过安装螺栓与所述传感器安装平台固定连接，所述半导体温控元件连接线和所述测试面温度传感器连接线均为螺旋形高电导率细导线。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

使用本发明中的灌丛凝结水测量装置时，将该装置置于灌丛中，并使测试框架安装平台位于灌丛中心为宜，将叶面温度传感器放置于灌丛的叶面上，并实时测量灌丛的叶面温度，叶面温度传感器将测量得到的叶片温度数据传输至温控器内，并由温控器控制半导体温控元件的工作状态，半导体温控元件通入电流后，其表面会产生微弱温度效应，电源为正相输入时，测试面温度升高；当输入电源为反相输入时，测试面温度降低，半导体温控元件测试面安装有测试面温度传感器，测试面温度传感器将其测量的半导体温控元件的测试面的温度数据输送至温控器，当半导体温控元件测试面温度与叶面温度传感器所测温度一致时，温控器停止向半导体温控元件通电，称重传感器能够实时测量半导体温控元件上的凝结水的重量，并将凝结水的重量数据输送至称重电路并由称重电路记录凝结水重量数据。温控器同时接收半导体温控元件测试面温度以及外部灌丛植物叶面温度，依据外部叶片温度和半导体温控元件测试面温度差大小及方向值改变温控器输出，调整输出电压极性和电流大小，从而保证半导体温控元件测试面温度与灌丛的真实叶片的温度时刻保持一致，能够模拟真实叶片的凝结水过程；而且，测试框架外罩罩设并插接于测试框架安装平台上，测试框架外罩可以安装或移除，测试框架外罩顶面是平板，侧面设置有导流栅，垂直降雨无法下落于测试框架外罩内的半导体温控元件上，而空气可以通过导流栅进入测试框架外罩内并与半导体温控元件测试面接触而形成凝结水，当测试框架外罩安装到位情况下，测试框架外罩可减弱外界风速对于测量的影响，同时消除垂直性降水对测试的影响，提高凝结水的测量准确度；当拆下测试框架时，则可模拟自然状态下的凝结水形成过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的灌丛凝结水测量装置的应用状态示意图；

图2为本发明提供的灌丛凝结水测量装置的主体部分的结构示意图；

图3为图2中的灌丛凝结水测量装置的主体部分的A-A剖视图；

图4为本发明提供的灌丛凝结水测量装置的控制器的结构示意图；

图中：1-支撑立杆；2-测试框架安装平台；3-传感器安装平台；4-水准仪；5-测试框架外罩；6-导流栅；7-称重传感器；8-隔热元件；9-半导体温控元件；10-测试面温度传感器；11-大气温湿度传感器；12-绕线立杆；13-连接线过孔；14-螺栓；15-半导体温控元件连接线；16-测试面温度传感器连接线；17-称重传感器连接线；18-大气温湿度传感器连接线；19-叶面温度传感器；20-温控器；21-称重电路；22-电源；23-锚钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种高精度的灌丛凝结水测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现准确、实时、连续测量灌丛凝结水量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

于本发明一具体的实施例中，如图1～4所示，本发明提供的灌丛凝结水测量装置，包括支撑立杆1、测试框架安装平台2、测试框架外罩5、传感器安装平台3、称重传感器7、半导体温控元件9、测试面温度传感器10和控制器，支撑立杆1竖直设置，且支撑立杆1的底端用于固定于地面上；测试框架安装平台2连接于支撑立杆1的顶端；测试框架外罩5可拆卸连接于测试框架安装平台2上，且测试框架外罩5上设置有多个导流栅6；传感器安装平台3设置于测试框架安装平台2上且位于测试框架外罩5内；称重传感器7安装于传感器安装平台3上；半导体温控元件9安装于称重传感器7上，且半导体温控元件9和称重传感器7之间设置有隔热元件8，所述半导体温控元件9的上表面为测试面；测试面温度传感器10设置于半导体温控元件9的测试面上；叶面温度传感器19，叶面温度传感器19用于测量灌丛的叶面温度；控制器包括温控器20、称重电路21和电源22，电源22与温控器20和称重电路21电连接，测试面温度传感器10、叶面温度传感器19和半导体温控元件9均与温控器20电连接，称重传感器7与称重电路21电连接。

使用灌丛凝结水测量装置时，将该装置置于灌丛中，并使测试框架安装平台2位于灌丛中心为宜，将叶面温度传感器19放置于灌丛的叶面上，并实时测量灌丛的叶面温度，叶面温度传感器19将测量得到的叶片温度数据传输至温控器20内，并由温控器20控制半导体温控元件9的工作状态，半导体温控元件9通入电流后，其表面会产生微弱温度效应，电源22为正相输入时，测试面温度升高；当电源22为反相输入时，测试面温度降低，半导体温控元件9测试面安装有测试面温度传感器10，测试面温度传感器10将其测量的半导体温控元件9的测试面的温度数据输送至温控器20，当半导体温控元件9测试面温度与叶面温度传感器19所测温度一致时，温控器20停止向半导体温控元件9通电，称重传感器7能够实时测量半导体温控元件9上的凝结水的重量，并将凝结水的重量数据输送至称重电路21并由称重电路21记录凝结水重量数据。温控器20同时接收半导体温控元件9测试面温度以及外部灌丛植物叶面温度，依据外部叶片温度和半导体温控元件9测试面温度差大小及方向值改变温控器20输出，调整输出电压极性和电流大小，从而保证半导体温控元件9测试面温度与灌丛的真实叶片的温度时刻保持一致，能够模拟真实叶片的凝结水过程；而且，测试框架外罩5罩设并插接于测试框架安装平台2上，测试框架外罩5可以安装或移除，测试框架外罩5顶面是平板，侧面设置有导流栅6，垂直降雨无法下落于测试框架外罩5内的半导体温控元件9上，而空气可以通过导流栅6进入测试框架外罩5内并与半导体温控元件9测试面接触而形成凝结水，当测试框架外罩5安装到位情况下，测试框架外罩5可减弱外界风速对于测量的影响，同时消除垂直性降水对测试的影响，提高凝结水的测量准确度；当拆下测试框架外罩5时，则可模拟自然状态下的凝结水形成过程。

于本发明另一具体的实施例中，测试面温度传感器10通过测试面温度传感器连接线16与温控器20电连接，半导体温控元件9通过半导体温控元件连接线15与温控器20电连接，称重传感器7通过称重传感器连接线17与称重电路21电连接。

于本发明另一具体的实施例中，灌丛凝结水测量装置还包括一绕线立杆12，绕线立杆12竖直固定设置于传感器安装平台3上，绕线立杆12用于缠绕固定住测试面温度传感器连接线16、半导体温控元件连接线15和称重传感器连接线17，能够有效防止由于连接线的晃动影响测试数据，进一步保证测试精度。

于本发明另一具体的实施例中，灌丛凝结水测量装置还包括一大气温湿度传感器11，控制器还包括一温湿度采集器，电源22与温湿度采集器电连接，大气温湿度传感器11固定连接于绕线立杆12的顶端并通过大气温湿度传感器连接线18与温湿度采集器电连接，且大气温湿度传感器连接线18也缠绕固定于绕线立杆12上。大气温湿度传感器11可用于测量露点温度，由于大气温湿度传感器11能够测量大气的温度和湿度，大气温湿度传感器11将测得的温度和湿度数据传输至温湿度采集器并由温湿度采集器记录该温度和湿度值，结合称重电路21所记录的凝结水重量，可以初步得到一定湿度和温度的气象环境下的灌丛凝结水量，从而分析得到温度、湿度与灌丛凝结水量的关系。

于本发明另一具体的实施例中，为了检查整个灌丛凝结水测量装置安装是否水平、支撑立杆1是否竖直，并保证不同测试情况下测试结果的一致性。传感器安装平台3上还设置有一水准仪4。

于本发明另一具体的实施例中，为了适应不同灌丛植物的高度特性，支撑立杆1为电动伸缩立杆，且支撑立杆1的底端固定连接有锚钉23，方便将支撑立杆1插入土壤实现稳固地固定。

于本发明另一具体的实施例中，电源22为蓄电池。

于本发明另一具体的实施例中，测试框架安装平台2上开设有连接线过孔13，连接线过孔13用于穿设测试面温度传感器连接线16、半导体温控元件连接线15、称重传感器连接线17和大气温湿度传感器连接线18。

于本发明另一具体的实施例中，隔热元件8为隔热垫片，隔热元件8能够防止半导体温控元件9的热量经称重传感器7散失，保证测量精度。称重传感器7为小量程高精度称重传感器，测试面温度传感器10为高精度温度传感器，叶面温度传感器19为微型高精度温度传感器。

于本发明另一具体的实施例中，称重传感器7的底部通过螺栓14与传感器安装平台3固定连接，为了进一步减小连接线振动对称重电路的影响，半导体温控元件连接线15和测试面温度传感器连接线16均为螺旋形高电导率细导线，且均为硬导线。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种灌丛凝结水测量装置，其特征在于：包括：

支撑立杆，所述支撑立杆竖直设置，且所述支撑立杆的底端用于固定于地面上；

测试框架安装平台，所述测试框架安装平台连接于所述支撑立杆的顶端；

测试框架外罩，所述测试框架外罩可拆卸连接于所述测试框架安装平台上，且所述测试框架外罩上设置有多个导流栅；

传感器安装平台，所述传感器安装平台设置于所述测试框架安装平台上且位于所述测试框架外罩内；

称重传感器，所述称重传感器安装于所述传感器安装平台上；

半导体温控元件，所述半导体温控元件安装于所述称重传感器上，且所述半导体温控元件和所述称重传感器之间设置有隔热元件，所述隔热元件用于防止所述半导体温控元件的热量经所述称重传感器散失，所述半导体温控元件的上表面为测试面；

测试面温度传感器，所述测试面温度传感器设置于所述半导体温控元件的测试面上；

叶面温度传感器，所述叶面温度传感器用于测量灌丛的叶面温度；以及

控制器，所述控制器包括温控器、称重电路和电源，所述电源分别与所述温控器和所述称重电路电连接，所述测试面温度传感器、所述叶面温度传感器和所述半导体温控元件均与所述温控器电连接，所述称重传感器与所述称重电路电连接。

2.根据权利要求1所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：所述测试面温度传感器通过测试面温度传感器连接线与所述温控器电连接，所述半导体温控元件通过半导体温控元件连接线与所述温控器电连接，所述称重传感器通过称重传感器连接线与所述称重电路电连接。

3.根据权利要求2所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：还包括一绕线立杆，所述绕线立杆竖直固定设置于所述传感器安装平台上，所述绕线立杆用于缠绕固定住所述测试面温度传感器连接线、所述半导体温控元件连接线和所述称重传感器连接线。

4.根据权利要求3所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：还包括一大气温湿度传感器，所述控制器还包括一温湿度采集器，所述电源与所述温湿度采集器电连接，所述大气温湿度传感器固定连接于所述绕线立杆的顶端并通过大气温湿度传感器连接线与所述温湿度采集器电连接，且所述大气温湿度传感器连接线也缠绕固定于所述绕线立杆上。

5.根据权利要求1所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：所述传感器安装平台上还设置有一水准仪。

6.根据权利要求1所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：所述支撑立杆为电动伸缩立杆，且所述支撑立杆的底端固定连接有锚钉。

7.根据权利要求1所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：所述电源为蓄电池。

8.根据权利要求4所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：所述测试框架安装平台上开设有连接线过孔，所述连接线过孔用于穿设所述测试面温度传感器连接线、所述半导体温控元件连接线、所述称重传感器连接线和所述大气温湿度传感器连接线。

9.根据权利要求1所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：所述隔热元件为隔热垫片，所述称重传感器为小量程高精度称重传感器，所述测试面温度传感器为高精度温度传感器，所述叶面温度传感器为微型高精度温度传感器。

10.根据权利要求2所述的灌丛凝结水测量装置，其特征在于：所述称重传感器的底部通过安装螺栓与所述传感器安装平台固定连接，所述半导体温控元件连接线和所述测试面温度传感器连接线均为螺旋形高电导率细导线。

Images