CN112255273A - 一种基于热扩散技术监测木质双向液流的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热扩散技术监测木质双向液流的装置，该装置包括：插针式传感器、电源控制器和数据采集系统；所述插针式传感器包含加热探针、第一温度参考探针、第二温度参考探针、第三温度参考探针。所述电源控制器与加热探针连接；所述数据采集系统与加热探针的信号输出端、第一温度参考探针的信号输出端、第二温度参考探针的信号输出端、第三温度参考探针的信号输出端连接；所述第一温度参考探针、加热探针和第二温度参考探针由上至下依次设置，且两两间隔5mm，所述第三温度参考探针位于加热探针下方10cm处，该装置具有安装和原理简单的特点。

Description

一种基于热扩散技术监测木质双向液流的装置
技术领域
本发明属于植物生理生态学领域，具体涉及一种基于热扩散技术监测木质双向液流的装置。
背景技术
一直以来，水分在土壤-植物-大气连续体中的运输被认为是单向的流动，即从植物生理上端向生理下端流动。然而这种液流单向流动的理论框架被越来越多新的研究结果所质疑，比如多雾森林中的树木小枝吸收并转移水分(Goldsmith et al.2013)、根或鞭根相连植物的水分交换和转移等(Fang et al.2019,Mei et al.2019)。这些结果均表明水分在植物体中的流动并非单向。监测水分在植物体中从生理上端到生理下端移动的现象以及转移的速率有助于科研人员更全面和深入地理解植物水分生理现象。目前能够实现双向液流测定的技术主要是基于热脉冲法，然而该方法的测量精度受树木组织损伤的影响较大，尤其在低液流密度时误差较大(Steppe et al.2010)。相比白天的叶片蒸腾拉力，产生负向液流的动力可能主要受生理原因的水势梯度所驱动，该动力可能远远小于叶片蒸腾拉力。因此我们认为负向液流密度主要为低液流密度。热消散式探针基于恒定供热的条件，相比热脉冲方法，在低液流密度条件下具有更高的测量精度，同时对树干组织损伤相对不敏感，其应用条件和测量尺度更大。Granier探针是目前树干液流领域应用最广，结构和原理相对较简单的一种热消散式探针。然而Granier探针只能监测液流密度值的大小，而不能确定液流的方向。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于热扩散技术监测木质双向液流的装置。该装置实现既可监测正向的、高速的液流，亦可准确监测逆向的、低速的液流。另外由于增加了液流方向的判断，将进一步扩大植物水分生理生态学领域的研究深度和广度，揭示更加完整的植物水分生理，有助于深入理解树木单株或林分的水分利用对环境的响应规律及区域水分循环特征，有助于扩大对植物水分和区域水文未知领域的探索。
本发明目的通过如下技术方案实现：一种基于热扩散技术监测木质双向液流的装置，该装置包括：插针式传感器、电源控制器和数据采集系统；所述插针式传感器包含加热探针、第一温度参考探针、第二温度参考探针和第三温度参考探针；所述电源控制器与加热探针中电阻的输出端连接；所述加热探针的热电偶铜镍合金线和第一温度参考探针的热电偶铜镍合金线、第二温度参考探针的热电偶铜镍合金线、第三温度参考探针的热电偶铜镍合金线连接；所述数据采集系统的第一组通道的正极与加热探针的T型热电偶的铜线连接，所述数据采集系统的第一组通道的负极与第一温度参考探针的T型热电偶的铜线连接，所述数据采集系统的第二组通道的正极和数据采集系统的第一组通道的正极连接，所述数据采集系统的第二组通道的负极与第二温度参考探针的T型热电偶感的铜线连接，所述数据采集系统第三组通道的正极和数据采集系统的第二组通道的正极连接，所述数据采集系统第三组通道的负极与第三温度参考探针的T型热电偶的铜线连接；所述第一温度参考探针、加热探针和第二温度参考探针由上至下依次设置，且两两间隔5mm，所述第三温度参考探针位于加热探针下方10cm处。
进一步地，所述加热探针包括T型热电偶感温传感器、6mm的长针头、5mm长的缠绕式有效加热电阻以及外直径为2.35mm的导热铝管；所述长针头为中空结构，T型热电偶感温传感器设置于长针头的中央，有效加热电阻缠绕在长针头的外侧，导热铝管设置于有效加热电阻的外侧。
进一步地，所述电源控制器的输出电流为120毫安。
进一步地，所述第一温度参考探针、第二温度参考探针、第三温度参考探针均包括T型热电偶感温传感器，5mm长针头，外直径为2.38mm、壁厚为0.35mm的导热铝管；所述长针头为中空结构，T型热电偶感温传感器设置于长针头的中央，导热铝管设置于长针头的外侧。
进一步地，该装置的双向液流方向的判断由NVdown和NVup值比较得到，即NVdown-NVup＝θ；当θ＝0，液流为零值；当θ>0，液流方向为自生理下端流向生理上端，记为正液流；当θ<0，液流方向为自生理上端流向生理下端，记为逆液流。
其中，NVdown为所述加热探针与第二温度参考探针之间热电偶的标准化电势差，NVup为所述加热探针与第一温度参考探针之间热电偶的标准化电势差，θ为液流方向判断因子。
进一步地，该装置的液流密度Js为：
Js＝θ*a*119*(VTD-max/VTD-1)1.231 (1)
其中，a为因树种或观测组织而异的校正参数；VTD为加热探针与第三温度参考探针之间热电偶的电势差，VTD-max为一天中VTD最大值；Js>0为正向，即从生理下端向生理上端流动；Js<0为逆向，即从生理上端向生理下端流动；Js＝0表示液流为零。
进一步地，所述加热探针、第一温度参考探针、第二温度参考探针、第三温度参考探针均垂直插入木质茎秆或主根。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在加热探针的上下游5mm处增加了第一温度参考探针和第二温度参考探针，能够充分感知加热探针周围热域因液流方向改变而产生的变形特点，从而解决了Granier探针不能判断液流方向的缺点。本发明装置基于热消散的原理，测量精度对树干组织受损相对不敏感。
附图说明
图1为双向液流监测装置结构示意图；
图2为竹鞭双向液流验证实验设计图；
图3为第一温度参考探针4和第二温度参考探针5分别与加热探针3之间的电势差随液流方向改变的变化图；其中图3(a)为第一温度参考探针、第二温度参考探针分别与加热探针之间的电势差随液流方向改变的变化图；图3(b)为标准化Vdown和Vup随液流方向改变的变化图；
图4为称重法得到的液流密度Js_gravimetric与插针式传感器测得的液流密度Js_TDP+的回归拟合图。
具体实施方式
参见图1，为本发明双向液流监测装置结构示意图，该装置包括：插针式传感器、电源控制器1和数据采集系统2；所述插针式传感器包含加热探针3、第一温度参考探针4、第二温度参考探针5、第三温度参考探针6。所述电源控制器1与加热探针3的电阻连接，电源控制器1的输出电流为120毫安的恒定电流，为加热探针3的电阻恒定供电。所述数据采集系统2的第一组通道的正极与加热探针3的T型热电偶的铜线连接，所述数据采集系统2的第一组通道的负极与第一温度参考探针4的T型热电偶的铜线连接，所述数据采集系统2的第二组通道的正极和数据采集系统2的第一组通道的正极连接，所述数据采集系统2的第二组通道的负极与第二温度参考探针5的T型热电偶感的铜线连接，所述数据采集系统2第三组通道的正极和数据采集系统2的第二组通道的正极连接，所述数据采集系统2第三组通道的负极与第三温度参考探针6的T型热电偶的铜线连接；所述数据采集系统2用于收集加热探针3分别与第一温度参考探针4、第二温度参考探针5、第三温度参考探针6输出的电势差(毫伏)信号。所述第一温度参考探针4、加热探针3和第二温度参考探针5由上至下依次设置，且两两间隔5mm，解决了Granier探针不能判断液流方向的缺点，由于液流方向的判断是通过比较第一温度参考探针4和第二温度参考探针5分别与加热探针3的电势差，为使两个电势差具有可比性，需固定第一温度参考探针4和第二温度参考探针5分别与加热探针3之间的间距。所述第三温度参考探针6位于加热探针3下方10cm处。
所述加热探针3包含T型热电偶感温传感器、6mm长针头、5mm长线圈的有效加热电阻以及外直径为2.35mm的导热铝管。所述长针头为中空结构，T型热电偶感温传感器设置于长针头的中央，有效加热电阻紧密缠绕在长针头的外侧，加热电阻的阻值为10欧姆，所述加热电阻与电源控制器1连接，通过恒定电流对加热电阻进行供热，导热铝管设置于有效加热电阻的外侧。
所述第一温度参考探针4、第二温度参考探针5、第三温度参考探针6均包含T型热电偶感温传感器，5mm长针头，外直径为2.38mm、壁厚为0.35mm的导热铝管。所述长针头为中空结构，T型热电偶感温传感器设置于长针头的中央，导热铝管设置于长针头的外侧。所述加热探针3的T型热电偶感温传感器分别与第一温度参考探针4、第二温度参考探针5、第三温度参考探针6的T型热电偶感温传感器连接，输出所述加热探针3分别与第一温度参考探针4、第二温度参考探针5、第三温度参考探针6之间的电势差，该电势差由数据采集系统2收集并记录。
所述加热探针3、第一温度参考探针4、第二温度参考探针5、第三温度参考探针6均垂直插入木质茎秆或主根。
液流方向的判定方法为比较加热探针3与第一温度参考探针4或第二温度参考探针5之间的温差，温差更小的那根参考探针所在的方向即为液流的下游。判定依据为，处于下游的参考探针会接收到从上游加热探针处带来的热量，从而这一侧的参考探针的温度会高于另一侧的参考探针，从而导致该侧参考探针与加热探针之间的温差更小。
具体地为：该装置的双向液流方向的判断由NVdown和NVup值比较得到，即NVdown-NVup＝θ；当θ＝0，液流为零值；当θ>0，液流方向为自生理下端流向生理上端，记为正液流；当θ<0，液流方向为自生理上端流向生理下端，记为逆液流。
其中，NVdown为所述加热探针3与第二温度参考探针5之间热电偶的标准化电势差，NVup为所述加热探针3与第一温度参考探针4之间热电偶的标准化电势差，θ为液流方向判断因子。
该装置的双向液流密度由公式1计算得到：,
Js＝θ*119*(VTD-max/VTD-1)1.231 (1)
其中，VTD为加热探针3与第三温度参考探针6之间的电势差，VTD-max为一天中VTD最大值；Js>0为正向，即从生理下端向生理上端流动；Js<0为逆向，即从生理上端向生理下端流动；Js＝0表示液流为零。
实施例：基于毛竹竹鞭的室内双向液流探针验证实验
为检验双向液流探针对液流方向改变的敏感性，并进一步验证本发明所述的液流方向判断方法，特设计室内双向液流探针验证实验。实验期间，于当天清晨日出前挖取一根至少包含三个节间的新鲜毛竹竹鞭，两侧横截面用1.49g L-1KCl溶液浸泡过的纱布包裹，纱布外侧再用保鲜膜密封以防失水。将竹鞭迅速带回实验室，浸入盛有KCl溶液的塑料桶中。开始实验时，将两侧裸露的横截面在水下切削平整，将竹鞭两端分别连接在校正装置的二级分支导水管上，如图2。在二级水阀出口下端放置称重传感器，传感器上放置集水器，称重传感器与数据采集系统2相连。在竹鞭上以游标卡尺和马克笔先标定探针安装位置。垂直于竹鞭方向，用电钻(配2.5mm钻头)在标记位置的第一温度参考探针4、第二温度参考探针5和第三温度参考探针6处打出深5mm的小孔，在标记位置的加热探针3处打出深6mm的小孔，将探针的加热探针3、第一温度参考探针4、第二温度参考探针5和第三温度参考探针6分别植入孔中。第一温度参考探针4、加热探针3和第二温度参考探针5两两间隔5mm，所述第三温度参考探针6位于加热探针3下方10cm处。按照本发明的方法将所述将插针式传感器、电源控制器1和数据采集系统2相连。设置电源控制器1供电电流120mA，电压12V。数据采集系统2每分钟记录一次插针式传感器和称重传感器的数据。水箱中加入1.49g L-1KCl溶液，打开左右两侧一级水阀，保持二级水阀关闭，此时竹鞭两侧水压相同，水箱中水柱的起始高度维持在标记的1米处。
首次实验，在保持一级水阀打开的状态下，开启左边二级水阀。在水压作用下，液流从右边一级导水管经过竹鞭流向左边一级导水管，再经左边二级导水管流出被左边的集水器收集并称重和记录。维持该起始状态约30分钟直至加热探针周围的竹鞭组织热场达到稳态。之后更换液方向。先关闭左边二级水阀，再打开右边二级水阀，同时维持该状态约30分钟，再次让热场达到稳态。由于水柱高度的下降，竹鞭两端水压减小而使液流也相应减小，从而获得一定液流梯度及不同液流方向下的插针式传感器的输出电压梯度。本研究在5个竹鞭上进行重复实验，分别标记为rhizome1、rhizome2、rhizome3、rhizome4和rhizome5。
实验结束后，用网格法算出其横截面积，结合两侧液流称重数值，算出离体竹鞭的液流密度值Js_gravimetric。利用数采仪记录的第三温度参考探针6与加热探针3之间的电势差数据，代入Granier初始公式算出离体竹鞭的液流估测值Js_TDP，进而拟合出校正参数a。根据第一温度参考探针4、第二温度参考探针5分别与加热探针3之间的电势差数据及其标准化数值，可以做出Vdown(或NVdown)和Vup(或NVup)随时间变化的曲线并判定液流方向发生变化的时间点，以竹鞭rhizome5为例，绘制液流方向变化判定图，如图3。图3(a)记录了插针式传感器第一温度参考探针4、第二温度参考探针5分别与加热探针3之间的电势差随时间的变化。图3中竖线表示实验中记录的手动转换液流方向的起始时间点。当液流方向改变时(竖线标记)，Vup曲线和Vdown曲线总会结束平稳状态，一条曲线向上移动而另一条曲线向下移动，两条曲线在中间形成交点，交点产生的时间一般比手动调节液流方向的时间晚2～5分钟，之后两条曲线再次回归平稳状态。图3(b)显示的是电势差标准化处理后的值随时间变化的曲线。图3(a)和图3(b)中的方框对比展示了标准化前后第一温度参考探针4、第二温度参考探针5分别与加热探针3之间电势差的相对变化，可以看到标准化数值可以更容易地判断液流方向的改变。
图4显示称重法得到的液流密度Js_gravimetric与插针式传感器测得的液流密度Js_TDP+呈现极显著正相关(P<0.01)，拟合出的直线斜率为0.11，拟合优度R2为0.87。通过该方法，建立了适合本研究区域毛竹根鞭液流观测的双向液流探针校正参数，a＝9.10。

Claims (7)

1.一种基于热扩散技术监测木质双向液流的装置，其特征在于，该装置包括：插针式传感器、电源控制器(1)和数据采集系统(2)；所述插针式传感器包含加热探针(3)、第一温度参考探针(4)、第二温度参考探针(5)和第三温度参考探针(6)；所述电源控制器(1)与加热探针(3)中电阻的输出端连接；所述加热探针(3)的热电偶铜镍合金线和第一温度参考探针(4)的热电偶铜镍合金线、第二温度参考探针(5)的热电偶铜镍合金线、第三温度参考探针(6)的热电偶铜镍合金线连接；所述数据采集系统(2)的第一组通道的正极与加热探针(3)的T型热电偶的铜线连接，所述数据采集系统(2)的第一组通道的负极与第一温度参考探针(4)的T型热电偶的铜线连接，所述数据采集系统(2)的第二组通道的正极和数据采集系统(2)的第一组通道的正极连接，所述数据采集系统(2)的第二组通道的负极与第二温度参考探针(5)的T型热电偶感的铜线连接，所述数据采集系统(2)第三组通道的正极和数据采集系统(2)的第二组通道的正极连接，所述数据采集系统(2)第三组通道的负极与第三温度参考探针(6)的T型热电偶的铜线连接；所述第一温度参考探针(4)、加热探针(3)和第二温度参考探针(5)由上至下依次设置，且两两间隔5mm，所述第三温度参考探针(6)位于加热探针(3)下方10cm处。
2.根据权利要求1所述监测木质双向液流的装置，其特征在于，所述加热探针(3)包括T型热电偶感温传感器、6mm的长针头、5mm长的缠绕式有效加热电阻以及外直径为2.35mm的导热铝管；所述长针头为中空结构，T型热电偶感温传感器设置于长针头的中央，有效加热电阻缠绕在长针头的外侧，导热铝管设置于有效加热电阻的外侧。
3.根据权利要求1所述监测木质双向液流的装置，其特征在于，所述电源控制器(1)的输出电流为120毫安。
4.根据权利要求1所述监测木质双向液流的装置，其特征在于，所述第一温度参考探针(4)、第二温度参考探针(5)、第三温度参考探针(6)均包括T型热电偶感温传感器，5mm长针头，外直径为2.38mm、壁厚为0.35mm的导热铝管；所述长针头为中空结构，T型热电偶感温传感器设置于长针头的中央，导热铝管设置于长针头的外侧。
5.根据权利要求1所述监测木质双向液流的装置，其特征在于，该装置的双向液流方向的判断由NVdown和NVup值比较得到，即NVdown-NVup＝θ；当θ＝0，液流为零值；当θ>0，液流方向为自生理下端流向生理上端，记为正液流；当θ<0，液流方向为自生理上端流向生理下端，记为逆液流。
其中，NVdown为所述加热探针(3)与第二温度参考探针(5)之间热电偶的标准化电势差，NVup为所述加热探针(3)与第一温度参考探针(4)之间热电偶的标准化电势差，θ为液流方向判断因子。
6.根据权利要求5所述监测木质双向液流的装置，其特征在于，该装置的液流密度Js为：
Js＝θ*a*119*(VTD-max/VTD-1)1.231 (1)
其中，a为因树种或观测组织而异的校正参数；VTD为加热探针(3)与第三温度参考探针(6)之间热电偶的电势差，VTD-max为一天中VTD最大值；Js>0为正向，即从生理下端向生理上端流动；Js<0为逆向，即从生理上端向生理下端流动；Js＝0表示液流为零。
7.根据权利要求1-6任一项所述监测木质双向液流的装置，其特征在于，所述加热探针(3)、第一温度参考探针(4)、第二温度参考探针(5)、第三温度参考探针(6)均垂直插入木质茎秆或主根。
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