CN109507061A - 一种自动室内田间持水量测定装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动室内田间持水量测定装置及测定方法，该测定装置主要包括热风风机、网孔管土壤盒、水箱、污水箱、中心控制器、温湿度传感器等部件，该测定装置可用于自动或者手动测量田间持水量。该测定方法使用本发明公开的自动室内田间持水量测定装置自动或者手动测量田间持水量，所有的工艺可在同一个装置中实现，无需更换装置，省时省力。
Description
技术领域
本发明是一种室内田间持水量测定装置，尤其涉及一种自动室内田间持水量测定装置。
背景技术
田间持水量是水文学的专业名词，它是指土壤中悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量，是土壤不受地下水影响所能保持水量的最大值。田间持水量的形式上包括：吸湿水+膜状水+悬着毛管水。当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的持水量在增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水量长期以来被认为是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是对作物有效的最高的土壤水含量，且被认为是一个常数，常用来作为灌溉上限和计算灌水定额的指标，对农业生产及抗旱有着指导意义。
常用的田间持水量测定方法有田间测定法和室内测定法。田间测定法所得结果可靠，但工作量大，测定时间长，特别是盐碱地区，由于土壤渗透性能很差，田间测定更加困难；室内测定法较田间测定法简便易行，易于广泛采用，其测定数值也较为可靠。目前室内田间持水量测定方法没有自动测量装置，需要通过取样、晾干、研磨、压实、渗透、湿样称重、烘干、干样称重等八道工艺，非常耗时、耗人力。
发明内容
发明目的：本发明公开了一种自动室内田间持水量测定装置及测定方法，该测定装置能够实现自动室内田间持水量的所有工艺步骤，无需进行装置的更换以及实验对象的转移和提取；该测定方法省时省力，且自动化程度高，能够进行反馈调节，测量结果准确。
技术方案：一种自动室内田间持水量测定装置，装置包括热风风机、
热风管、盒盖、网孔管土壤盒、排气阀、输水管、直流水泵、水箱、水箱支架、主盒体、主盒体支撑柱、主盒体支撑柱、污水箱、中心控制器、称重台、排污阀、温湿度压力传感器、水位开关、紧锁旋钮、压实网孔板。
本发明的基座是一个带有称重传感器的称重台，称重台上放置一个活动的污水箱，污水箱可以从外壳中抽出移走，污水箱的重量Msw可以作为固定值和校验值，预先存储在中心控制器中。污水箱的支撑固定外壳嵌入式安装带触摸屏的中心控制器，用于记录实验过程数据和存储历史数据，中心控制器配置16G外置数据卡。污水箱的支撑固定外壳壳体上方为4个主盒体支撑柱，用于放置整个持水量测定的主盒体。主盒体和污水箱之间安装有3个排污阀，用于排放污水。主盒体和盒盖组成密封空间。主盒体顶部2mm处安装一个水位开关，当水位到达节点后接通并输出一组常开、常闭继电器信号。主盒体内部底板上放置4个40mm高的主盒体支撑柱，主盒体支撑柱由直径10mm的柱体和直径40mm、20目的带网孔的圆盘组成，一方面可以支撑网孔管土壤盒，另一方面也方便污水渗漏和热空气传播。网孔管土壤盒由50个均匀布置直径10mm、200目、高度为100mm的网孔柱组成，网孔管土壤盒面积为(长×宽×高)150mm×100mm×100mm，网孔为200目。盒盖和主盒体为翻盖式密封圈密封设计，盒盖由紧锁旋钮实现盒盖与主盒体的密封紧固。盒盖上设计有输水管螺旋孔，用于固定输水管。输水管为软管，连接盒盖输水管螺旋孔和直流水泵。直流水泵入水管直接没入水箱中，直流水泵安装在水箱支架上，水箱支架安装在称重台上。水箱壁挂在水箱支架上，水箱及水的重量不影响称重台称重传感器的称量。排气阀安装在壳体上，可通过排气阀的通流面积调整热空气在主盒体中的停留时间，并使得整个主盒体中的热空气压力保持接近。热风风机固定在主盒体外侧，通过热风管将热风输送至主盒体的底部。本试验装置配便携式电源，也可以用于室外田间持水量检测。
本发明的主盒体内压力PID调试方法如下：
本发明所述的装置在第一次使用或者维修维护后需进行PID参数调试。其调试步骤如下：
步骤1：开启中心控制器，进入主盒体内压力PID调试画面，画面包括压力实时曲线监测和PID参数设置框。
步骤2:设定初始的PID参数，KP＝0.5，KI＝200,KD＝0。
步骤3：设定主盒体内压力初始值，将热风风机的加热调至低档，开启热风风机。
步骤4：查看一个周波的压力曲线，根据经验值修改KP值，将压力曲线调整至震荡波形,记录为KP0。
步骤5：将KP值设定为震荡周期时所记录KP0的0.75，根据经验值修改I值，将压力曲线的第二个波峰的幅值调整至第一个波峰的幅值的1/10～1/4。点击确认，输入管理员密码即可对PID参数进行设定。
本发明还公开了一种自动室内田间持水量测定方法，具体包括如下步骤：
步骤1：取样：从田间取适量的土样，用试验袋包装好，做好标记，并记录下田间的GPS位置信号；
步骤2：试验设备预处理：将水箱充满水；清洗主盒体，并用擦净主盒体；清洗污水箱，并擦净污水箱；清洁网孔管土壤盒，并擦净网孔管土壤盒。
步骤3：进行主盒体内压力PID调节测试；具体实施方法是开启中心控制器，进入主盒体内压力PID调试画面，设定主盒体内压力初始值，将热风风机的加热调至低档，开启热风风机，查看一个周波的压力曲线，如果压力曲线的第二个波峰的幅值为第一个波峰的幅值的1/10～1/4，则认为PID调节测试合格，否则需要进行PID参数调试；
步骤4：调零：开启中心控制器，选择调零按钮，将网孔管土壤盒、污水箱放置进试验装置，盖上盒盖，称重传感器显示自动调整为0，点击确认；
步骤5：加土样：将土壤填入网孔管土壤盒并压实，土壤的高度不超过网孔管土壤盒，采用压实网孔板将土壤固定；将网孔管土壤盒安放进主盒体，盖上盒盖，并锁紧紧锁旋钮；
步骤6：自动测量：选择自动模式，点击【进行按钮】，装置进入自动测量田间持水量模式，自动模式结束后，中心控制器输出测试土壤重量、测试土壤含水量、田间持水量等测量值，并记录存储测试过程与测试结果数据；
步骤6.1：自动模式下，【进行按钮】点击相应后开启时间计数器Tim1；将自动流程标记为土壤样本测重，开启热风风机，关闭排污阀。开启排气阀；将热风风机的加热调至高档，调整排气阀开度，主盒体内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，Pht值可在中心控制器进行修改，默认为150kPa。
步骤6.2：时间计数器Tim1>15min，且温湿度压力传感器测定的湿度Hum1与热风温湿度传感器13测定的湿度Hum2的差值的绝对值|Hum1-Hum2|<ε，则进行步骤6.3，否则在6.2等待；ε初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为0.5％；
步骤6.3：停止热风风机，全开排气阀，记录土壤初始样本重量Met1；
步骤6.4将自动流程标记为土壤浸润，开启直流水泵，检测水位开关信号Hwf是否为1；如果Hwf＝1，则关闭直流水泵；启动时间计数器Tim2，如果时间计数Tim2大于设定值Tswe，则记录浸泡水后的土壤总质量Met2，进行步骤6.5，否则在6.4循环等待；Tswe初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为15min；
步骤6.5：将自动流程标记为土壤渗透。全开排气阀，全开排污阀，启动计数器Tim3，如果时间计数Tim3大于设定值Tsl，则进行步骤6.6，否则在6.5循环等待；Tsl初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为30min；
步骤6.6：将自动流程标记为排除积液；将热风风机的加热调至低档，启动热风风机，主盒体内压力目标值为盒内正压力排液设定值Php，Php值可在中心控制器进行修改，默认为200kPa；启动时间计数器Tim4，如果时间计数Tim4大于设定值Tswp，则进行步骤6.7，否则在6.6循环等待；Tswp初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为0.5min。
步骤6.7：将自动流程标记为干燥土样；启动时间计数器Tim5，开启热风风机，关闭排污阀；开启排气阀；将热风风机的加热调至高档，调整排气阀开度，主盒体内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，Pht值可在中心控制器进行修改，默认为150kPa；
步骤6.8：时间计数器Tim5>15min，且温湿度压力传感器测定的湿度Hum1与热风温湿度传感器13测定的湿度Hum2的差值的绝对值|Hum1-Hum2|<ε，则停止热风风机，全开排气阀，进行步骤6.9，否则在6.8等待；ε初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为0.5％。；
步骤6.9：将自动流程标记为计算试验结果。记录最终土壤样本干燥后的土壤及污水的重量Met3；通知用户取下污水盒，等待用户取下污水盒确认；如用户确认取下污水盒，并点击【污水盒取出确认】，则进行步骤6.10；
步骤6.10：记录污水盒取出后的质量Met4，如计污水盒质量为Met5，则土壤的持水量的质量含水量的计算结果为X＝100(Met2-Met3)/(Met4+Met5)。修正值为：X’＝X(Met4+Met5)/Met1＝100(Met2-Met3)/Met1。用户根据试验实际情况选择计算值或者修正值。
本发明还公开了另一种自动室内田间持水量测定方法，包括如下步骤：
步骤1：取样：从田间取适量的土样，用试验袋包装好，做好标记，并记录下田间的GPS位置信号；
步骤2：试验设备预处理：将水箱充满水；清洗主盒体，并用擦净主盒体；清洗污水箱，并擦净污水箱；清洁网孔管土壤盒，并擦净网孔管土壤盒；
步骤3：行盒内压力PID调节测试：具体实施方法是开启中心控制器，进入盒内压力PID调试画面，设定盒内压力初始值，将热风风机的加热调至低档，开启热风风机，查看一个周波的压力曲线，如果压力曲线的第二个波峰的幅值为第一个波峰的幅值的1/10～1/4，则认为PID调节测试合格，否则需要进行PID参数调试；
步骤4：调零：开启中心控制器，选择调零按钮，选择手动模式，将网孔管土壤盒、污水箱放置进试验装置，盖上盒盖，称重传感器显示自动调整为0，点击确认；
步骤5：加土样：将土壤填入网孔管土壤盒并压实，土壤的高度不超过网孔管土壤盒；将网孔管土壤盒安放进主盒体，盖上盒盖，并锁紧紧锁旋钮；进入参数设置界面，新增一个土壤高度的参数设置页面；
步骤6：分步自动模式下完成样本土壤的田间持水量测量，用户根据参数设置界面的导航信息分步完成样本土壤的田间持水量测量，并在每一步骤详细观察样本土壤的状态，并根据该状态调整相应的设定值，以期获得更为精确的测量结果。步骤6具体步骤如下：
步骤6.1开启时间计数器Tim1。点击【土壤样本测重】，系统自动开启热风风机，关闭排污阀；自动开启排气阀；系统自动将热风风机的加热调至高档；主盒体内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，默认为150kPa，Pht值用户可在中心控制器进行修改；用户通过调整Pht值，通过主盒体外壳透明窗口观察土壤的干燥情况，通过温湿度压力传感器观察温度的变化曲线和压力的变化曲线，一方面土壤在主盒体的波动不能太大，另一方面土壤干燥后不能形成灰尘，观察|Hum1-Hum2|的差值和时间计数器Tim1的计数，根据干燥时间和土壤的干燥程度，确定合适的ε值，并记录干燥后不形成灰尘的Pht值作为Pht的初始设定值；
步骤6.2：手动停止热风风机，手动全开排气阀；记录土壤初始样本重量Met1；
步骤6.3：打开盒盖，将土壤压实网孔板取出，点击【土壤浸润】，开启直流水泵，检测水位开关信号Hwf是否为1；如果Hwf＝1，系统自动关闭直流水泵；系统自动启动时间计数器Tim2，通过观察土壤的浸润情况，观察计数器Tim2选择合适的设定值Tswe，一方面土壤浸润情况良好，另一方面不能出现土壤上浮的情形；
步骤6.4：点击【土壤渗透】，系统自动全开排气阀，全开排污阀，启动计数器Tim3；通过观察窗观察滴水的情况，如果滴水基本肉眼不可见，则通过计数器Tim3记录设定值Tsl；
步骤6.5：打开盒盖，将土壤压实网孔板放回主盒体内，点击【排除积液】；系统自动热风风机的加热调至低档，启动热风风机，主盒体内压力目标值为主盒体内正压力排液设定值Php，Php值可在中心控制器进行修改，默认为200kPa；通过窗口观察积液的清除情况，一方面能将积液通过排污口排出，另外一方面不能出现污泥飞溅的情况；启动时间计数器Tim4，观察积液的排出情况，将积液排除的时间Tim4设定为Tswp；
步骤6.6：点击【干燥土样】，系统将根据步骤6.1的设定值自动完成【干燥土样】；
步骤6.7点击【计算试验结果】，系统自动记录最终土壤样本干燥后的土壤及污水的重量Met3；取下污水盒并确认，记录污水盒取出后的质量Met4，污水盒质量为Met5；系统计算两个持水量测量值，一个为测量值X，一个为修正值X’，X＝100(Met2-Met3)/(Met4+Met5)；X’＝100(Met2-Met3)/Met1。用户根据试验实际情况选择计算值或者修正值；
步骤6.8：用户可以通过输入管理员密码保存该土壤样本高度的设定值，在下次检测时直接调用该设定值；
步骤6.9用户可以多次选择不同高度进行样本的持水量测量，测量结果可以采用算术平均值。
有益效果：本发明自动室内田间持水量测定装置采用网孔管土壤盒增加土壤样本与干燥空气和加湿水之间的接触面积，使得水分或热空气快速渗透被测土样，使得整个试验测量过程绝大部分可以自动完成，极大地减少了试验测量过程的人工，提高了试验检测效率。本试验装置可以用于室外田间持水量检测。本发明自动室内田间持水量测定方法省时省力，测量结果准确，自动化程度较高。
附图说明
图1本发明自动室内田间持水量测定装置的结构示意图；
图2本发明田间持水量测定主流程图；
图3本发明调零流程图；
图4本发明自动测量流程图；
图5本发明土壤样本测重测量流程图；
图6本发明土壤浸润流程图；
图7本发明土壤渗透流程图；
图8本发明排除积液流程图；
图9本发明干燥土样流程图；
图10本发明计算试验结果流程图；
图11本发明盒内压力调节PID框图；
图12本发明PID参数调整流程；
图13为本发明中心控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
图2为田间持水量测定主流程图，其中土壤样本测重、土壤浸润、土壤渗透流、排除积液、干燥土样、计算试验结果可以采用自动模式和手动模式两种具体实施方式。
如图1所示，一种自动室内田间持水量测定装置，装置包括热风风机14、热风管1、盒盖4、网孔管土壤盒3、排气阀6、输水管8、直流水泵9、水箱10、水箱支架12、主盒体11、主盒体支撑柱17、土壤盒支撑柱16、污水箱18、中心控制器19、称重台20、排污阀21、温湿度压力传感器5、水位开关7、紧锁旋钮15、压实网孔板2。
具体的，本发明的基座是一个带有称重传感器的称重台20，称重台20上放置一个活动的污水箱18，污水箱18可以从外壳中抽出移走，污水箱18的重量Msw可以作为固定值和校验值，预先存储在中心控制器19中。污水箱18的支撑固定外壳嵌入式安装带触摸屏的中心控制器19，用于记录实验过程数据和存储历史数据，中心控制器19配置16G外置数据卡。污水箱18的支撑固定外壳壳体上方为4个主盒体支撑柱17，用于放置整个持水量测定的主盒体11。主盒体11和污水箱18之间安装有3个排污阀21，用于排放污水。主盒体11和盒盖4组成密封空间。主盒体11顶部2mm处安装一个水位开关7，当水位到达节点后接通并输出一组常开、常闭继电器信号。主盒体11内部底板上放置4个40mm高的土壤盒支撑柱16，土壤盒支撑柱16由直径10mm的柱体和直径40mm、20目的带网孔的圆盘组成，一方面可以支撑网孔管土壤盒3，另一方面也方便污水渗漏和热空气传播。网孔管土壤盒3由50个均匀布置直径10mm、200目、高度为100mm的网孔柱组成，网孔管土壤盒3面积为(长×宽×高)150mm×100mm×100mm，网孔为200目。盒盖4和主盒体11为翻盖式密封圈密封设计，盒盖4由紧锁旋钮15实现盒盖4与主盒体11的密封紧固。盒盖4上设计有输水管8螺旋孔，用于固定输水管8。输水管8为软管，连接盒盖4输水管8螺旋孔和直流水泵9。直流水泵9入水管直接没入水箱10中，直流水泵9安装在水箱10支架上，水箱支架12安装在称重台20上。水箱10壁挂在水箱支架12上，水箱10及水的重量不影响称重台20称重传感器的称量。排气阀6安装在壳体上，可通过排气阀6的通流面积调整热空气在主盒体11中的停留时间，并使得整个主盒体11中的热空气压力保持接近。热风风机14固定在主盒体11外侧，通过热风管1将热风输送至主盒体11的底部。本试验装置配便携式电源，也可以用于室外田间持水量检测。
如图13所示，中心控制器19采用MCGS TPC7062系列，但不限于本型号控制器，采用Modbus RTU总线中间继电器对直流水泵9、排污阀21进行控制，排气阀21为微型Modbus RTU总线电动调节阀，温湿度压力传感器5、热风温湿度传感器、称重台20的称重传感器均采用Modbus RTU总线传感器，热风风机14采用Modbus RTU总线中间继电器通断热风风机热阻丝的并联电阻方式，调整通过电热阻丝的电流，从而实现热风温度温度的改变。通过MCGS按图2-图10编写相应的控制程序。控制系统实施方式仅公开了一种可实现方式，不违反本发明本质的实施方式，均在权利保护范围内。
如图1所示水箱10可以通过其他容器进行加水操作，也可以单独取下进行加水操作。直流水泵9的入水为皮管，直接浸入水中就可以抽吸水，对土样进行浸润加湿。网孔管土壤盒3是活动式的，可以单独拿出，将土壤样本在盒体外加入。污水箱18是活动式的，可以单独拿出，其重量Met5出厂有设定和校验。Met5也可以在使用过程中进行校验，其实现是在无土壤样本的情况下拿出污水箱18，进行系统自动调零，再放入污水盒进行称重，其称重结果可以在中心控制器19中保存修改，修改污水盒重量需要输入系统管理员密码。
本发明所述的装置在第一次使用或者维修维护后需进行PID参数调试。如图11所示，其调试步骤如下：
步骤1：开启中心控制器19，进入主盒体11内压力PID调试画面，画面包括压力实时曲线监测和PID参数设置框。
步骤2:设定初始的PID参数，KP＝0.5，KI＝200,KD＝0。
步骤3：设定主盒体11内压力初始值，将热风风机14的加热调至低档，开启热风风机14。
步骤4：查看一个周波的压力曲线，根据经验值修改KP值，将压力曲线调整至震荡波形,记录为KP0。
步骤5：将KP值设定为震荡周期时所记录KP0的0.75，根据经验值修改I值，将压力曲线的第二个波峰的幅值调整至第一个波峰的幅值的1/10～1/4。点击确认，输入管理员密码即可对PID参数进行设定。
本发明还公开了一种自动室内田间持水量测定方法，如图2所示，该方法为自动模式，其步骤选择100mm高度，具体包括如下步骤：
步骤1：取样：从田间取适量的土样，用试验袋包装好，做好标记，并记录下田间的GPS位置信号；
步骤2：试验设备预处理：将水箱10充满水；清洗主盒体11，并用擦净主盒体11；清洗污水箱18，并擦净污水箱18；清洁网孔管土壤盒3，并擦净网孔管土壤盒3。
步骤3：进行主盒体11内压力PID调节测试；具体实施方法是开启中心控制器19，进入主盒体11内压力PID调试画面，设定主盒体11内压力初始值，将热风风机14的加热调至低档，开启热风风机14，查看一个周波的压力曲线，如果压力曲线的第二个波峰的幅值为第一个波峰的幅值的1/10～1/4，则认为PID调节测试合格，否则需要依据图12进行PID参数调试；
步骤4：调零：如图3所示，开启中心控制器19，选择调零按钮，将网孔管土壤盒3、污水箱18放置进试验装置，盖上盒盖4，称重传感器显示自动调整为0，点击确认；
步骤5：加土样：将土壤填入网孔管土壤盒3并压实，土壤的高度不超过网孔管土壤盒3，采用压实网孔板2将土壤固定；将网孔管土壤盒3安放进主盒体11，盖上盒盖4，并锁紧紧锁旋钮15；
步骤6：自动测量：如图4所示，选择自动模式，点击【进行按钮】，装置进入自动测量田间持水量模式，自动模式结束后，中心控制器19输出测试土壤重量、测试土壤含水量、田间持水量等测量值，并记录存储测试过程与测试结果数据；
步骤6.1：自动模式下，【进行按钮】点击相应后开启时间计数器Tim1；将自动流程标记为土壤样本测重，如图5所示，开启热风风机14，关闭排污阀21。开启排气阀6；将热风风机14的加热调至高档，调整排气阀6开度，主盒体11内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，Pht值可在中心控制器19进行修改，默认为150kPa。
步骤6.2：时间计数器Tim1>15min，且温湿度压力传感器测定的湿度Hum1与热风温湿度传感器13测定的湿度Hum2的差值的绝对值|Hum1-Hum2|<ε，则进行步骤6.3，否则在6.2等待；ε初始设定值可在中心控制器19进行修改，默认为0.5％；
步骤6.3：停止热风风机14，全开排气阀6，记录土壤初始样本重量Met1；
步骤6.4如图6所示，将自动流程标记为土壤浸润，开启直流水泵9，检测水位开关7信号Hwf是否为1；如果Hwf＝1，则关闭直流水泵9；启动时间计数器Tim2，如果时间计数Tim2大于设定值Tswe，则记录浸泡水后的土壤总质量Met2，进行步骤6.5，否则在6.4循环等待；Tswe初始设定值可在中心控制器19进行修改，默认为15min；
步骤6.5：如图7所示，将自动流程标记为土壤渗透。全开排气阀6，全开排污阀21，启动计数器Tim3，如果时间计数Tim3大于设定值Tsl，则进行步骤6.6，否则在6.5循环等待；Tsl初始设定值可在中心控制器19进行修改，默认为30min；
步骤6.6：如图8所示，将自动流程标记为排除积液；将热风风机14的加热调至低档，启动热风风机14，主盒体11内压力目标值为盒内正压力排液设定值Php，Php值可在中心控制器19进行修改，默认为200kPa；启动时间计数器Tim4，如果时间计数Tim4大于设定值Tswp，则进行步骤6.7，否则在6.6循环等待；Tswp初始设定值可在中心控制器19进行修改，默认为0.5min。
步骤6.7：如图9所示，将自动流程标记为干燥土样；启动时间计数器Tim5，开启热风风机14，关闭排污阀21；开启排气阀6；将热风风机14的加热调至高档，调整排气阀6开度，主盒体11内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，Pht值可在中心控制器19进行修改，默认为150kPa；
步骤6.8：时间计数器Tim5>15min，且温湿度压力传感器5测定的湿度Hum1与热风温湿度传感器13测定的湿度Hum2的差值的绝对值|Hum1-Hum2|<ε，则停止热风风机14，全开排气阀6，进行步骤6.9，否则在6.8等待；ε初始设定值可在中心控制器19进行修改，默认为0.5％。；
步骤6.9：如图10所示，将自动流程标记为计算试验结果。记录最终土壤样本干燥后的土壤及污水的重量Met3；通知用户取下污水盒，等待用户取下污水盒确认；如用户确认取下污水盒，并点击【污水盒取出确认】，则进行步骤6.10；
步骤6.10：记录污水盒取出后的质量Met4，如计污水盒质量为Met5，则土壤的持水量的质量含水量的计算结果为X＝100(Met2-Met3)/(Met4+Met5)。修正值为：X’＝X(Met4+Met5)/Met1＝100(Met2-Met3)/Met1。用户根据试验实际情况选择计算值或者修正值。
实施例2
实施例2公开的一种自动室内田间持水量测定方法为手动模式。手动模式通常是土壤样本的厚度在中心控制器19内没有存储的情形下使用。网孔管土壤盒3四个角、以及每个网孔管都绘制有刻度。
此种自动室内田间持水量测定方法，包括如下步骤：
步骤1：取样：从田间取适量的土样，用试验袋包装好，做好标记，并记录下田间的GPS位置信号；
步骤2：试验设备预处理：将水箱10充满水；清洗主盒体11，并用擦净主盒体11；清洗污水箱18，并擦净污水箱18；清洁网孔管土壤盒3，并擦净网孔管土壤盒3；
步骤3：行盒内压力PID调节测试：具体实施方法是开启中心控制器19，进入盒内压力PID调试画面，设定盒内压力初始值，将热风风机14的加热调至低档，开启热风风机14，查看一个周波的压力曲线，如果压力曲线的第二个波峰的幅值为第一个波峰的幅值的1/10～1/4，则认为PID调节测试合格，否则需要根据图12进行PID参数调试；
步骤4：调零：开启中心控制器19，选择调零按钮，选择手动模式，将网孔管土壤盒3、污水箱18放置进试验装置，盖上盒盖4，称重传感器显示自动调整为0，点击确认；
步骤5：加土样：将土壤填入网孔管土壤盒3并压实，土壤的高度不超过网孔管土壤盒3；将网孔管土壤盒3安放进主盒体11，盖上盒盖4，并锁紧紧锁旋钮15；进入参数设置界面，新增一个土壤高度的参数设置页面；
步骤6：分步自动模式下完成样本土壤的田间持水量测量，用户根据参数设置界面的导航信息分步完成样本土壤的田间持水量测量，并在每一步骤详细观察样本土壤的状态，并根据该状态调整相应的设定值，以期获得更为精确的测量结果。步骤6具体步骤如下：
步骤6.1开启时间计数器Tim1。点击【土壤样本测重】，系统自动开启热风风机14，关闭排污阀21；自动开启排气阀6；系统自动将热风风机14的加热调至高档；主盒体11内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，默认为150kPa，Pht值用户可在中心控制器19进行修改；用户通过调整Pht值，通过主盒体11外壳透明窗口观察土壤的干燥情况，通过温湿度压力传感器5观察温度的变化曲线和压力的变化曲线，一方面土壤在主盒体11的波动不能太大，另一方面土壤干燥后不能形成灰尘，观察|Hum1-Hum2|的差值和时间计数器Tim1的计数，根据干燥时间和土壤的干燥程度，确定合适的ε值，并记录干燥后不形成灰尘的Pht值作为Pht的初始设定值；
步骤6.2：手动停止热风风机14，手动全开排气阀6；记录土壤初始样本重量Met1；
步骤6.3：打开盒盖4，将土壤压实网孔板2取出，点击【土壤浸润】，开启直流水泵9，检测水位开关7信号Hwf是否为1；如果Hwf＝1，系统自动关闭直流水泵9；系统自动启动时间计数器Tim2，通过观察土壤的浸润情况，观察计数器Tim2选择合适的设定值Tswe，一方面土壤浸润情况良好，另一方面不能出现土壤上浮的情形；
步骤6.4：点击【土壤渗透】，系统自动全开排气阀6，全开排污阀21，启动计数器Tim3；通过观察窗观察滴水的情况，如果滴水基本肉眼不可见，则通过计数器Tim3记录设定值Tsl；
步骤6.5：打开盒盖4，将土壤压实网孔板2放回主盒体11内，点击【排除积液】；系统自动热风风机14的加热调至低档，启动热风风机14，主盒体11内压力目标值为主盒体11内正压力排液设定值Php，Php值可在中心控制器19进行修改，默认为200kPa；通过窗口观察积液的清除情况，一方面能将积液通过排污口排出，另外一方面不能出现污泥飞溅的情况；启动时间计数器Tim4，观察积液的排出情况，将积液排除的时间Tim4设定为Tswp；
步骤6.6：点击【干燥土样】，系统将根据步骤6.1的设定值自动完成【干燥土样】；
步骤6.7点击【计算试验结果】，系统自动记录最终土壤样本干燥后的土壤及污水的重量Met3；取下污水盒并确认，记录污水盒取出后的质量Met4，污水盒质量为Met5；系统计算两个持水量测量值，一个为测量值X，一个为修正值X’，X＝100(Met2-Met3)/(Met4+Met5)；X’＝100(Met2-Met3)/Met1。用户根据试验实际情况选择计算值或者修正值；
步骤6.8：用户可以通过输入管理员密码保存该土壤样本高度的设定值，在下次检测时直接调用该设定值；
步骤6.9用户可以多次选择不同高度进行样本的持水量测量，测量结果可以采用算术平均值。
本发明的自动室内田间持水量测定装置的保护方法如下：
1.当温湿度压力传感器5测定的湿度Hum1的信号检测中断3S，发出故障信息，则停止热风风机14。
2.当温湿度压力传感器5测定的湿度Hum1的信号检测高于I级高温，发出告警信息，将热风风机14加热调至低档；高于II级高温，发出报警信息，停止热风风机14。高于III级高温，发出报警信息，关闭总电源。其中I级高温、II级高温、III级高温可在中心控制器19进行修改，默认分别为65℃、75℃、85℃。
3.当温湿度压力传感器5测定的压力Pum1的信号检测中断3S，发出故障信息，则停止热风风机14。
4.当温湿度压力传感器5测定的湿度压力Pum1的信号检测高于I级高压，发出告警信息；高于II级高压，发出报警信息，停止热风风机14。高于III级高压，发出报警信息，关闭总电源。其中I级高压、II级高压、III级高压可在中心控制器19进行修改，默认分别为300kPa、320kPa、350kPa。
5.当热风温湿度传感器13测定的湿度Hum2的信号检测中断3S，发出故障信息，则停止热风风机14。
Claims (9)
1.一种自动室内田间持水量测定装置，包括热风风机(14)、热风管(1)、盒盖(4)、网孔管土壤盒(3)、排气阀(6)、输水管(8)、直流水泵(9)、水箱(10)、主盒体(11)、污水箱(18)、中心控制器(19)、称重台(20)、排污阀(21)、水位开关(7)；其特征在于：
所述称重台(20)上放置一个活动的污水箱(18)，污水箱(18)外壳上安装带触摸屏的中心控制器(19)；污水箱(18)的外壳壳体上方为主盒体(11)；主盒体(11)和污水箱(18)之间安装有排污阀(21)，用于排放污水；主盒体(11)和盒盖(4)组成密封空间；主盒体(11)顶部安装一个水位开关(7)；主盒体(11)内部设置有网孔管土壤盒(3)；水箱(10)与主盒体(11)内部连通；排气阀(6)安装在主盒体(11)壳体上；热风风机(14)固定在主盒体(11)外侧，通过热风管(1)将热风输送至主盒体(11)的底部。
2.根据权利要求1所述的自动室内田间持水量测定装置，其特征在于：所述盒盖(4)上固定有输水管(8)；输水管(8)连接盒盖(4)和直流水泵(9)；直流水泵(9)入水管直接没入水箱(10)中。
3.根据权利要求1所述的自动室内田间持水量测定装置，其特征在于：污水箱(18)的支撑固定外壳壳体上方为主盒体支撑柱(17)，用于放置整个持水量测定的主盒体(11)。
4.根据权利要求1所述的自动室内田间持水量测定装置，其特征在于：主盒体(11)内部底板上放置有主盒体支撑柱(16)用于支撑网孔管土壤盒(3)。
5.根据权利要求1所述的自动室内田间持水量测定装置，其特征在于：盒盖(4)和主盒体(11)为翻盖式密封圈密封，盒盖(4)由紧锁旋钮(15)实现盒盖(4)与主盒体(11)的密封紧固。
6.一种自动室内田间持水量测定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：取样：从田间取适量的土样，用试验袋包装好，做好标记，并记录下田间的GPS位置信号；
步骤2：试验设备预处理：将水箱(10)充满水；清洗主盒体(11)，并用擦净主盒体(11)；清洗污水箱(18)，并擦净污水箱(18)；清洁网孔管土壤盒(3)，并擦净网孔管土壤盒(3)；
步骤3：进行主盒体(11)内压力PID调节测试；具体实施方法是开启中心控制器(19)，进入主盒体(11)内压力PID调试画面，设定主盒体(11)内压力初始值，将热风风机(14)的加热调至低档，开启热风风机(14)，查看一个周波的压力曲线，如果压力曲线的第二个波峰的幅值为第一个波峰的幅值的1/10～1/4，则认为PID调节测试合格，否则需要进行PID参数调试；
步骤4：调零：开启中心控制器(19)，选择调零按钮，将网孔管土壤盒(3)、污水箱(18)放置进试验装置，盖上盒盖，称重传感器显示自动调整为0，点击确认；
步骤5：加土样：将土壤填入网孔管土壤盒(3)并压实，土壤的高度不超过网孔管土壤盒(3)，采用压实网孔板(2)将土壤固定；将网孔管土壤盒(3)安放进主盒体(11)，盖上盒盖(4)，并锁紧紧锁旋钮(15)；
步骤6：自动测量：选择自动模式，点击【进行按钮】，装置进入自动测量田间持水量模式，自动模式结束后，中心控制器(19)输出测试土壤重量、测试土壤含水量、田间持水量等测量值，并记录存储测试过程与测试结果数据。
7.根据权利要求6所述的一种自动室内田间持水量测定方法，其特征在于：所述步骤6具体包括如下步骤：
步骤6.1：自动模式下，【进行按钮】点击相应后开启时间计数器Tim1；将自动流程标记为土壤样本测重，开启热风风机(14)，关闭排污阀(21)；开启排气阀(6)；将热风风机(14)的加热调至高档，调整排气阀(6)开度，主盒体(11)内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，Pht值可在中心控制器进行修改，默认为150kPa；
步骤6.2：时间计数器Tim1>15min，且温湿度压力传感器测定的湿度Hum1与热风温湿度传感器(13)测定的湿度Hum2的差值的绝对值|Hum1-Hum2|<ε，则进行步骤6.3，否则在6.2等待；ε初始设定值可在中心控制器(19)进行修改，默认为0.5％；
步骤6.3：停止热风风机(14)，全开排气阀(6)，记录土壤初始样本重量Met1；
步骤6.4将自动流程标记为土壤浸润，开启直流水泵(9)，检测水位开关(7)信号Hwf是否为1；如果Hwf＝1，则关闭直流水泵(9)；启动时间计数器Tim2，如果时间计数Tim2大于设定值Tswe，则记录浸泡水后的土壤总质量Met2，进行步骤6.5，否则在6.4循环等待；Tswe初始设定值可在中心控制器(19)进行修改，默认为15min；
步骤6.5：将自动流程标记为土壤渗透，全开排气阀(6)，全开排污阀(21)，启动计数器Tim3，如果时间计数Tim3大于设定值Tsl，则进行步骤6.6，否则在6.5循环等待；Tsl初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为30min；
步骤6.6：将自动流程标记为排除积液；将热风风机(14)的加热调至低档，启动热风风机(14)，主盒体(11)内压力目标值为盒内正压力排液设定值Php，Php值可在中心控制器(19)进行修改，默认为200kPa；启动时间计数器Tim4，如果时间计数Tim4大于设定值Tswp，则进行步骤6.7，否则在6.6循环等待；Tswp初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为0.5min；
步骤6.7：将自动流程标记为干燥土样；启动时间计数器Tim5，开启热风风机(14)，关闭排污阀(21)；开启排气阀(6)；将热风风机(14)的加热调至高档，调整排气阀(6)开度，主盒体(11)内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，Pht值可在中心控制器(19)进行修改，默认为150kPa；
步骤6.8：时间计数器Tim5>15min，且温湿度压力传感器(5)测定的湿度Huml与热风温湿度传感器(13)测定的湿度Hum2的差值的绝对值|Hum1-Hum2|<ε，则停止热风风机(14)，全开排气阀(6)，进行步骤6.9，否则在6.8等待；ε初始设定值可在中心控制器进行修改，默认为0.5％；
步骤6.9：将自动流程标记为计算试验结果。记录最终土壤样本干燥后的土壤及污水的重量Met3；通知用户取下污水盒，等待用户取下污水盒确认；如用户确认取下污水盒，并点击【污水盒取出确认】，则进行步骤6.10；
步骤6.10：记录污水盒取出后的质量Met4，如计污水盒质量为Met5，则土壤的持水量的质量含水量的计算结果为X＝100(Met2-Met3)/(Met4+Met5)。修正值为：X’＝X(Met4+Met5)/Met1＝100(Met2-Met3)/Met1，用户根据试验实际情况选择计算值或者修正值。
8.一种自动室内田间持水量测定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：取样：从田间取适量的土样，用试验袋包装好，做好标记，并记录下田间的GPS位置信号；
步骤2：试验设备预处理：将水箱(10)充满水；清洗主盒体(11)，并擦净主盒体(11)；清洗污水箱(18)，并擦净污水箱(18)；清洁网孔管土壤盒(3)，并擦净网孔管土壤盒(3)；
步骤3：进行主盒体(11)内压力PID调节测试：具体实施方法是开启中心控制器(19)，进入主盒体(11)内压力PID调试画面，设定主盒体(11)内压力初始值，将热风风机(14)的加热调至低档，开启热风风机(14)，查看一个周波的压力曲线，如果压力曲线的第二个波峰的幅值为第一个波峰的幅值的1/10～1/4，则认为PID调节测试合格，否则需要进行PID参数调试；
步骤4：调零：开启中心控制器(19)，选择调零按钮，选择手动模式，将网孔管土壤盒(3)、污水箱(18)放置进试验装置，盖上盒盖(4)，称重传感器显示自动调整为0，点击确认；
步骤5：加土样：将土壤填入网孔管土壤盒(3)并压实，土壤的高度不超过网孔管土壤盒(3)；将网孔管土壤盒(3)安放进主盒体(11)，盖上盒盖(4)，并锁紧紧锁旋钮(15)；进入参数设置界面，新增一个土壤高度的参数设置页面；
步骤6：分步自动模式下完成样本土壤的田间持水量测量，用户根据参数设置界面的导航信息分步完成样本土壤的田间持水量测量，并在每一步骤详细观察样本土壤的状态，并根据该状态调整相应的设定值，以期获得更为精确的测量结果。
9.根据权利要求8所述的一种自动室内田间持水量测定方法，其特征在于：所述步骤6具体包括如下步骤：
步骤6.1开启时间计数器Tim1，点击【土壤样本测重】，系统自动开启热风风机(14)，关闭排污阀(21)；自动开启排气阀(6)；系统自动将热风风机(14)的加热调至高档；主盒体(11)内压力目标值为盒内正压力初始设定值Pht，默认为150kPa，Pht值用户可在中心控制器(19)进行修改；用户通过调整Pht值，通过主盒体(11)外壳透明窗口观察土壤的干燥情况，通过温湿度压力传感器(5)观察温度的变化曲线和压力的变化曲线，一方面土壤在主盒体(11)的波动不能太大，另一方面土壤干燥后不能形成灰尘，观察|Hum1-Hum2|的差值和时间计数器Tim1的计数，根据干燥时间和土壤的干燥程度，确定合适的ε值，并记录干燥后不形成灰尘的Pht值作为Pht的初始设定值；
步骤6.2：手动停止热风风机(14)，手动全开排气阀(6)；记录土壤初始样本重量Met1；
步骤6.3：打开盒盖(4)，将土壤压实网孔板(2)取出，点击【土壤浸润】，开启直流水泵(9)，检测水位开关(7)信号Hwf是否为1；如果Hwf＝1，系统自动关闭直流水泵(9)；系统自动启动时间计数器Tim2，通过观察土壤的浸润情况，观察计数器Tim2选择合适的设定值Tswe，一方面土壤浸润情况良好，另一方面不能出现土壤上浮的情形；
步骤6.4：点击【土壤渗透】，系统自动全开排气阀(6)，全开排污阀(21)，启动计数器Tim3；通过观察窗观察滴水的情况，如果滴水基本肉眼不可见，则通过计数器Tim3记录设定值Tsl；
步骤6.5：打开盒盖(4)，将土壤压实网孔板(2)放回主盒体(11)内，点击【排除积液】；系统自动热风风机(14)的加热调至低档，启动热风风机(14)，主盒体(11)内压力目标值为主盒体(11)内正压力排液设定值Php，Php值可在中心控制器(19)进行修改，默认为200kPa；通过窗口观察积液的清除情况，一方面能将积液通过排污口排出，另外一方面不能出现污泥飞溅的情况；启动时间计数器Tim4，观察积液的排出情况，将积液排除的时间Tim4设定为Tswp；
步骤6.6：点击【干燥土样】，系统将根据步骤6.1的设定值自动完成【干燥土样】；
步骤6.7点击【计算试验结果】，系统自动记录最终土壤样本干燥后的土壤及污水的重量Met3；取下污水盒并确认，记录污水盒取出后的质量Met4，污水盒质量为Met5；系统计算两个持水量测量值，一个为测量值X，一个为修正值X’，X＝100(Met2-Met3)/(Met4+Met5)；X’＝100(Met2-Met3)/Met1。用户根据试验实际情况选择计算值或者修正值；
步骤6.8：用户可以通过输入管理员密码保存该土壤样本高度的设定值，在下次检测时直接调用该设定值；
步骤6.9用户可以多次选择不同高度进行样本的持水量测量，测量结果可以采用算术平均值。
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- 2018-12-07 CN CN201811493602.XA patent/CN109507061B/zh active Active
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