CN114556088A - 土壤水收集与分析系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种系统，用于在系统的一次使用中收集和化学分析从土壤中提取的水样，以测量一种或多种目标分析物，例如农业上有益于提高作物产量和质量的土壤养分水平。该系统包括样本收集探测器(20)，其包括过滤介质(26)，其被布置成在嵌入土壤时接触土壤并从土壤中采集水样，并且可操作地联接到样本处理子系统(180)，从而共同形成取样站(190)。子系统(180)被配置为接收和分析水样。可编程探测器控制器(60)在原位引导样本收集、处理和化学分析的操作。分散在整个现场的取样探测器的网络阵列(110)可以例如通过云计算(102)与至少一个远程电子装置进行无线通信。取样探测器(200)的模块化版本允许在各种土壤深度进行定制取样。

Description

土壤水收集与分析系统及相关方法

技术领域

本公开总体上涉及用于土壤分析的系统，并且更具体地涉及用于执行定量土壤分析的此类系统和相关设备和方法。

背景技术

土壤分析和测试是农业技术的一个重要方面。测试结果提供有关农业土壤化学成分和特性的有价值信息(例如氮、磷、钾等的含量)，以便可以将各种改良剂添加到土壤中，以最大限度地提高作物生产的质量和产量。通常处理样本以量化特定分析物(即目标物质或化学成分)的存在，然后可用于确定农田各个区域所需的土壤改良剂和肥料的数量和类型。

需要改进土壤测试和分析。

发明内容

本公开在一个非限制性应用中提供了可能与农业目的相关的用于收集和分析土壤孔隙水样以确定土壤中的植物养分或其他参数水平/浓度的系统和相关设备和方法/过程。土壤水收集和分析系统可以将土壤孔隙水提取/收集、处理和化学分析功能整合到一个统一的设备平台中，该平台是便携式的，可以远程部署在农田中。土壤水收集和分析系统通过采集或提取包含特定目标分析物(例如氮、钾等)的土壤水样，将样本与一种或多种专门选择的试剂组合以引起与目标分析物的化学反应，并分析根据收集的样本中存在的试剂和分析物之间的相互作用在水-试剂混合物中产生的性质变化(例如颜色、pH或其他方面/参数)，这将指示存在的分析物水平。可以使用任何合适的分析技术和设备来确定存在的分析物的水平或量。非限制性示例包括色度法、离子选择电极(ISE)和离子交换树脂。该系统可以被配置和操作以分析土壤的任何种类的分析物或参数(例如氮、磷、钾、pH、温度等的水平)。

在各种实施例中，用于收集水样的系统的一些组成部分可以被配置为半永久或永久固定并直接植入农田的土壤中，也可以是安装在农田土壤中的移动农用车辆(例如拖、推或自行式)的可移动系统的一部分。对于在土壤中的固定植入，提供了蒸渗仪型土壤水样收集探测器(本申请也简称为“样本探测器”)。样本探测器可以具有细长的大致管状主体，该主体包括用于与土壤直接接触的过滤介质和用于收集已过滤水样(滤液)的内部空腔。在一些实施例中，探测器可以具有圆形、锥形或其他易于植入形状的末端。

样本探测器流体地并可操作地联接到土壤水收集和分析系统的样本处理子系统部分。样本处理子系统可以安装在原位设施封闭件中，该设施封闭件容纳处理和化学地分析从样本探测器收集的滤液以确定土壤养分或其他相关参数(例如pH值等)水平所需的有源设备、电子装置、流体组件和其他设备。设施封闭件可以与田里的探测器紧密联接，例如与其相邻和/或物理联接到土壤取样点处的探测器。因此，在这样的实施方式中，样本探测器和样本处理子系统的组合可以限定为和配置为用作远程全功能土壤水分析实验室或站。取样站可用于收集和全面分析来自农田的土壤水样。可选地，取样站可以将收集的数据和分析结果向外传送到基于远程可编程处理器的中央控制系统，该中央控制系统充当土壤分析数据和存储的储存库。该土壤水取样站或单元可以容纳探测器控制器，该探测器控制器包括一个或多个可编程微处理器。控制器可以通过适当的软件或程序指令进行配置，以控制取样站的整个操作。探测器控制器可以包括通信接口，该通信接口可通信地链接(例如无线)到一个或多个远程电子装置，用于数据共用和/或控制信号交换。相应地，实施在这样一个取样站中的土壤水收集与分析系统可以完全自动收集和分析土壤水分样本以检测分析物的存在和水平。

在一些实施例中，可以在整个农田的各种空间分离的位置植入包括多个取样站的取样网络，每个取样站都包括土壤水样收集探测器和样本处理子系统的组合。每个取样站可以通过云(即云计算)或其他无线通信手段可通信地链接到一个或多个远程电子装置；其中至少一个可以作为基于处理器的中央控制系统以与取样站交换数据和控制信号。在一些实施例中，成为中央或主控制器的中央控制系统设备可以被配置为引导和控制这些远程取样站的操作。每个取样站可以配置为分析相同或不同的分析物(例如氮)，中央控制系统可以使用这些分析物来生成农田不同区域的水分和化学概况，以指示每个区域的特定养分水平。该信息使最终用户(例如农民)能够了解哪些地区缺乏各种土壤养分，以便可以更好地提前计划使用合适类型和数量的土壤改良剂/肥料。控制系统可以被配置为同时实时并行地处理和分析从多个土壤水取样站接收到的数据，从而节省分析时间并允许用户一次看到所有土壤养分水平的快照。

在一些实施例中，样本探测器可以是模块化类型的取样探测器系统，包括一个或多个伸展构件和一个或多个取样模块，每个取样模块都包括过滤介质。取样模块和伸展构件可以可拆卸地连接在一起，以形成模块化取样探测器的各种配置和长度，用于使用同一模块化单元在单个预定土壤深度处或在多个不同深度处收集土壤水样。模块化系统可以包括在模块化样本探测器的不同部分和附件之间的接头处的防旋转联接器。在一个实施例中，防旋转联接器可以包括由互补配置的外花键联接器和内花键联接器形成的花键接口，其提供了用于将探测器可旋转地植入土壤中的抗扭矩连接总成，该总成克服了土壤赋予探测器的阻力。模块化探测器取样系统有利于允许用户或制造商使用优选共用一个共同的防旋转安装接口的多个可互换且可拆卸地联接组件轻易地定制土壤中的水收集深度。

尽管本发明的土壤水分析系统在本申请中可以参考植物养分的量化和土壤的相关参数进行描述，但该系统明确地不限于其仅适用于与农业相关的用途。因此，土壤水分析系统可以很容易适用于量化其他类型的化学特征(例如重金属、砷、铅等)，这些化学特征与各种用于诸如采矿、石油、发电厂废物池监测、垃圾填埋场之类的行业的土壤污染物的地下水和土壤孔隙水常规监测应用相关。

在一个方面，一种用于收集和分析土壤水样的系统包括：样本探测器，其包括过滤介质，该过滤介质被布置成当嵌入土壤中时与土壤接触，所述样本探测器被配置用于从土壤中收集水样；样本处理子系统，其位于样本探测器的近侧，该处理系统可操作地联接到样本探测器并被配置为提取和分析水样中的至少一种分析物。该样本处理子系统可以包括基于处理器的可编程探测器控制器；该探测器控制器被配置为引导子系统的操作。

根据另一方面，一种用于收集土壤水样的模块化取样探测器包括：至少一个取样模块，包括过滤器，该过滤器被布置成当嵌入土壤中时与土壤接触，所述取样模块被配置并且可操作以从土壤中提取和过滤水样；至少一个伸展构件，其在第一接头处与至少一个取样模块连接。该第一接头可以是防旋转花键接头，包括在至少一个伸展构件或至少一个取样模块上的外花键联接器，以及在至少一个伸展构件或至少一个取样模块中的另一个上的内花键联接器。

一种组装和使用模块化土壤取样探测器的方法，包括：提供至少一个取样模块，所述取样模块为第一取样模块；将第一取样模块联接到作为第一伸展构件的至少一个伸展构件，该第一取样模块和第一伸展构件共同形成取样探测器。该方法还可以包括将第二取样模块联接到第一伸展构件，该第二取样模块与第一取样模块相同。该方法还可以包括将第一取样模块联接到第二伸展构件。将第一取样模块联接到第一伸展构件的步骤还可以包括将设置在第一取样模块或第一伸展构件上的外花键突起可滑动地插入设置在第一取样模块或第一伸展构件中的另一个上的内花键槽中。第一取样模块可以通过第一联接构件可拆卸地联接到第一伸展构件，该第一联接构件具有第一组花键，其可滑动地接合形成在第一伸展构件上的配对第一组花键槽。

根据另一方面，一种用于收集和分析土壤水样的系统包括：取样探测器，其被配置为嵌入土壤中；至少一个芯吸构件，包括被布置成接触土壤并采集水样的第一部分，以及位于探测器内的第二部分，该芯吸构件由芯吸材料形成，其被配置成通过毛细作用从土壤中提取和输送采集到的水；水样分析装置，其被配置为测量存在于由芯吸构件采集到的水样中的分析物。

根据另一方面，一种用于收集和分析土壤水样的系统包括：取样探测器，其被配置为嵌入土壤中；取样窗，设置在取样探测器上并与取样探测器外的土壤直接接触；水样分析装置，其被配置为通过取样窗口向土壤发射紫外光并测量来自土壤的紫外光的反射率，以测量存在于土壤孔隙水中的分析物。

根据另一方面，一种用于收集和分析土壤水样的系统包括：取样探测器，其被配置为嵌入土壤中；可旋转转盘，其设置在取样探测器内部，该转盘包括多个沿周向布置的颜色指示色块；样本收集装置，配置并被布置成从土壤中收集水样并润湿颜色指示色块；其中所述色块可操作以在土壤水样中存在分析物的情况下改变颜色。

附图说明

从详细描述和附图中将更充分地理解本公开，其中相似的要素被类似地标记并且在附图中：

图1是根据本公开的一个实施例的土壤水取样系统的示意图，该土壤水取样系统包括水取样探测器和相关样本处理子系统，该样本处理子系统包括用于向探测器施加负压的真空装置的第一实施例；

图2是嵌入土壤中用于采集孔隙水的取样探测器的侧视图；

图3是示出用于向探测器施加负压的真空装置的第二实施方式的侧视图；

图4是用于共用土壤水分分析数据和交换命令信号以操作取样系统的各个部分的基于云的网络通信系统的示意图；

图5是用于将样本探测器嵌入土壤中并在探测器和土壤之间建立紧密接触以提取水样的方法的第一实施例的侧视图；

图6是用于将样本探测器嵌入土壤中并在探测器和土壤之间建立紧密接触以提取水样的方法的第二实施例的侧视图；

图7是用于将样本探测器嵌入土壤中并在探测器与土壤之间建立紧密接触以提取水样的方法的第三实施例的侧视图；

图8是用于将样本探测器嵌入土壤中并在探测器和土壤之间建立紧密接触以提取水样的方法的第四实施例的侧视图；

图9是带外螺纹的样本探测器的侧视图；

图10是根据本公开的呈测试盒形式的亲水型取样探测器的第一侧视图；

图11是其透视图；

图12是其第二侧横截面视图；

图13是图10的取样探测器的在其上带有测试垫的盒式带卷轴的一部分的侧视图；

图14是图10的取样探测器的盒式带上的多层复合块或测试垫的侧视图；

图15示出了用于释放图10的取样探测器的浸透测试垫的采集到的水的机械方法；

图16示出了用于释放图10的取样探测器的浸透测试垫的采集到的水的化学方法；

图17是包括用于采集土壤水的模块化取样探测器总成的模块化取样探测器系统的第一透视图；

图18是其第二透视图；

图19是其分解图；

图20是第一纵侧视图；

图21是其第二纵侧视图；

图22是其第三纵侧视图；

图23是其纵侧横截面视图；

图24是从图23截取的详细视图；

图25是从图24截取的第一横向横截面视图；

图26是从图24截取的第二横向横截面视图；

图27是示出内部流体通道的模块化取样探测器一端的放大纵向横截面视图；

图28是图24截取的第三横向横截面视图；

图29是模块化取样探测器的联接构件的横截面透视图；

图30是其一端的替代放大横截面透视图；

图31是从图29截取的横截面；

图32是从图37的纵向探测器截面截取的放大细节，示出了锥形端封闭件与取样探测器的联接；

图33是探测器的端部透视图，示出了端封闭件；

图34是模块化取样探测器的透视图，示出了端封闭件和联接到探测器的流歧管壳体；

图35是其第一侧视图；

图36是其第二侧视图；

图37是其纵向横截面视图；

图38是流歧管壳体的横向横截面视图；

图39是从图37截取的横向横截面视图，示出了流歧管壳体和探测器之间的联接细节；

图40是从图37截取的放大细节；

图41是示出端封闭件和取样模块之间的联接细节的侧面纵向横截面视图；

图42是流歧管壳体的第一透视图；

图43是流歧管壳体的第二透视图，示出了内花键联接细节；

图44是锥形端封闭件的第一透视图；

图45是示出第一种花键联接端的第二透视图；

图46是示出第二种花键联接端的第三透视图；

图47示出了图10的测试盒的动力取样带驱动器的替代实施例，该测试盒被配置为与包括可移除保护覆盖膜的取样带一起使用；

图48示出了用于获取土壤样本的具有独立水源的土壤取样站的第一实施例；

图49示出了用于获取土壤样本的具有独立水源的土壤取样站的第二实施例；和

图50示出了用于获得土壤样本的具有独立水源的土壤取样站的第三实施例。

所有附图都是示意性的，不一定按比例绘制。除非另有明确说明，否则在一个图中编号出现但在其他图中未编号出现的组件是相同的。除非另有明确说明，否则本申请对出现在具有相同整数但具有不同字母后缀的多个图中的整数编号的引用应理解为对所有这些图的总体引用。

具体实施方式

本发明的特征和益处在本申请中通过参考示例性(“示例”)实施例来说明和描述。示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。因此，本公开明确不应限于说明可单独存在或以其他特征组合存在的特征的一些可能的非限制性组合那样的示例性实施例。

在本申请所公开的实施例的描述中，任何对方向或定向的引用仅是为了方便描述，而并非以任何方式限制本发明的范围。诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“顶”和“底”之类的相对术语及其派生词(例如，“水平地”、“朝下”、“朝上”等)应被解释为指的是如随后描述的或如讨论中的附图中所示的定向。这些相对术语仅是为了便于描述，并不要求该设备以特定定向配置或操作。除非另有明确说明，否则诸如“附接”、“固定”、“连接”、“联接”、“互连”之类的术语是指这样一种关系，其中结构直接或通过中间结构以及可移动的或刚性的附件或关系间接地相互固定或附接。

在整个申请书中使用时，本申请公开的任何范围都用作描述范围内的每个值的简写。范围内的任何值都可以选择作为范围的终点。此外，本申请引用的所有参考文献均以全文引用的方式并入本申请。如果本公开中的定义与引用的参考文献的定义发生冲突，则以本公开为准。

真空式取样系统

图1是土壤水分析系统的示意流程图，该系统包括土壤水样收集蒸渗仪或探测器20的第一实施例和相关紧密联接的样本处理子系统180。值得注意的是，样本处理子系统180安装在农田中，靠近并优选邻近采集水样的探测器20。这种组合有利于限定并提供完整的具有原位提取、处理和分析水样并实时量化目标分析物(例如土壤养分)的能力的土壤水分析取样站190。下面依次进一步描述该系统及其组件。

在一个非限制性实施例中，样本探测器20可以具有细长的管状壳体或主体，包括探测器纵向轴线LA、顶端21、底端22和在端部之间轴向延伸的周向延伸的侧壁23。该侧壁可以在其长度的至少一部分或在一些构造中的大部分长度上具有至少部分实心的结构。顶端21除了如本申请进一步描述的流导管穿过其中外，可以是封闭和密封的。所述主体可以由任何合适的金属或非金属材料形成，非金属材料包括聚合材料(例如PVC、聚乙烯等)，如果使用金属材料，最好使用耐腐蚀金属(例如铝或不锈钢)。探测器主体被配置用于植入地表G下方的土壤S中。

内部空腔24在探测器的顶端21和底端22之间轴向延伸，用于从相邻土壤中收集水。在一个形成圆形横截面形状的非限制性实施例中，限定空腔的探测器侧壁23可以是圆柱形的。然而，在其他可能的实施例中，侧壁可以具有其他非多边形或多边形横截面形状(例如正方形、矩形、六边形、八边形等)。探测器20的底端22可以具有任何合适的形状。在一些实施例中，底端20可以是平的或直的(即，垂直于探测器纵轴LA)，如图24所示。在其他实施例中，底端22可以成形为便于插入土壤中，例如如图所示的圆形、圆锥形或尖刺形等。

探测器20还包括多孔过滤器或介质26，其被配置成用于将水从土壤中吸入探测器内部以便于收集和分析。在一个实施例中，多孔介质可以包括安装到探测器底端22的多孔尖端25。如图所示，尖端25可以从底端沿探测器的侧面向上延伸一段距离。在图17-30所示的其他实施例中，如本申请进一步描述的那样，多孔过滤器220形式的多孔介质26可以形成部分或完整的圆柱形段，其形成探测器20的侧壁25的一部分。在这样的实施例中，探测器20的底端22可以具有实心无孔平坦的、锥形的或其他形状的结构。

多孔介质可以由具有合适的孔或开口尺寸的任何合适的材料形成，或者被选择成防止将土壤颗粒吸入探测器，但允许水流过介质。合适的多孔过滤器或介质包括例如但不限于多孔陶瓷、烧结金属、聚合物、聚合物膜或纤维膜、筛网等)。本发明不受所使用的多孔介质类型的限制。在其他可能的实施例中，多孔介质可以包括将多孔介质固定到探测器的侧壁23的在顶端21和底端22之间的一个开口部分或多个开口部分，以将水横向吸入探测器。

与样本探测器20相关联的土壤水样处理子系统180还包括容纳收集的土壤水样的收集室30、包括混合室33的混合器33-1、一个或多个试剂室34、样本分析室35、真空泵32和用于测量水样中分析物的浓度/水平的土壤水样分析装置36。多孔介质26、收集室30、混合室33、分析室35和试剂室34可以通过合适的流导管31(例如管材)流体地联接在一起(为了描绘清楚起见，图1中没有对所有管材进行编号)。可以使用任何合适的刚性或柔性非金属或金属管材，例如聚乙烯、PTFE(聚四氟乙烯)等。收集室30与多孔介质26和混合室33流体地联接。每个试剂室与混合室流体地联接。分析室35又与混合室流体地联接。使用一个或多个阀39控制和定时水和试剂向混合室38的流动。

混合室38包括电机驱动的混合叶片总成38。叶片总成操作以混合土壤水样和试剂以引发可以被检测到的化学反应并且由此由样本分析装置测量分析物浓度。在考虑的其他实施例中，“混合室”也可以是通过例如磁力搅拌棒、循环泵、振动器或只是简单的扰动而混合或移动溶液的任何设备或方法。

真空泵32可以是电机驱动的并且通过流导管31流体地联接到混合室38。泵32被配置成可操作以通过多孔介质26抽真空，用于将水从周围土壤吸入探测器。然后，泵通过延伸穿过探测器主体的流导管31将水样从介质吸入混合室，如图所示。任何合适的市售真空泵均可用于该应用。

可以提供合适的电源50并将其电联接到真空泵32、混合室38、样本分析装置36和与探测器20相关联的其他需要电源的组件。电源50可以是用于将样本探测器远程放置在农田中的可充电电池单元。在一些实施例中，可使用包括太阳能电池板或传感器的可再充电太阳能电池单元，用于通过阳光对电池进行再充电。考虑到一个或多个探测器远程放置在田地中，这可能是特别有利的。

在一个实施例中，样本分析装置36可以是包括吸光度测量色度计的电子装置，该色度计在特定波长下操作以检测特定的目标分析物，例如但不限于用于在约525nm下检测硝酸盐指示剂或用于在210nm下检测硝酸盐本身等。应当理解，在该示例中，在525nm或210nm下对硝酸盐的色度分析和检测仅针对特定的硝酸盐还原反应。其他分析物可能需要装置36以专用于检测类似的其他分析物的其他波长操作。样本分析装置36可与分析室35协作地操作，分析室35可以是放置在LED(发光二极管)发射二极管41和LED接收二极管42之间的透明容器。当反应后的水和试剂混合物流过该设备时，测量混合物对特定波长光的吸光度，以量化水样中分析物的浓度。这种色度计是市售的。

可以在与探测器20分开的设施封闭件40(在图1中由虚线框示意性地表示)安装收集室30、混合室33、一个或多个试剂室34、样本分析室35、真空泵32、土壤水样分析装置36、电源50和包括阀和管材的其他相关附件。壳体可以具有任何适合探测器安装位置的构造。在各种结构中，设施封闭件可以直接安装在探测器上方或顶部(例如参见图2)，也可以安装在另一个与探测器相邻的位置。在一些实施例中，也如图2所示，探测器20的顶端21可以定位在壳体内部。

现在将简要描述使用图1的系统收集和分析土壤水样的方法或过程。首先，将样本探测器20植入待测土壤中，使得多孔介质26在收集水样的所需深度处与周围土壤紧密接触。然后通过操作真空泵32来抽真空。水样(参见定向水流箭头27)被横向/水平地通过多孔介质26吸入探测器腔24，然后平行于纵向轴线LA从探测器24的底部到顶部垂直向上。在其他可能的过滤介质布置中，可以沿其他方向或定向(例如垂直或倾斜于轴线LA)通过介质抽吸水。然后收集到的水通过流导管31沉积到混合室30中。然后停止真空泵32的操作。

通过打开先前关闭的混合室入口阀39，提取的土壤水样接下来通过重力从收集室30向下流到混合室38。在所考虑的替代实施例中，可以省略收集室30，并且可以将提取的土壤水样直接沉积到混合室38中。接下来，通过打开试剂阀39将试剂室34流体地连接到混合室以将试剂引入样本中。然后关闭混合室入口阀和试剂阀。操作混合器以使叶片总成38彻底混合试剂和水样。这会引起化学反应，从而改变所得水-试剂混合物的颜色。然后打开先前关闭的混合室出口阀39，使水-试剂混合物流过清晰的分析室并通过排放管线37从设施封闭件40向外流出。如果需要打破在混合室33中产生的任何真空，则可以可选地打开混合室入口阀。当水样流过色度计(样本分析装置36)时，分析物(例如硝酸盐等)被测量以确定其在样本中的浓度，该浓度指示在周围土壤中分析物的浓度或水平。

值得注意的是，保持在试剂室34中的试剂量可能超过处理单个土壤水样所需的量。因此，试剂室的单个试剂装料或填充可能能够处理多个样本。在这种实施方式中，可以操作试剂阀以仅按每次引起与要分析的分析物的化学反应所需的量来对混合室33中的水样进行定量。

在一些实施例中，上述取样和分析过程可以通过提供包括探测器控制系统的“智能”探测器来完全自动化，该探测器控制系统包括可编程探测器控制器60，该可编程探测器控制器60通过无线和/或有线通信链路63可操作地并可通信地联接到样本处理子系统180的前述组件来以上述方式控制它们的操作和操作顺序。控制器60因此而为探测器取样系统提供用户可配置的控制系统。单独通信系统链接到每个组件(例如阀、泵、腔室、混合器、样本分析装置等，为了避免过度混乱而在图1中未示出)。基于控制器60的控制系统还可以被容纳在设施封闭件40内，该设施封闭件40可以至少部分地与天气和环境隔离以保护电子装置。

可编程探测器控制器60包括可编程处理器，其可以是一个或多个处理器或微处理器、片上系统(集成电路)、一个或多个微控制器、ASIC(专用集成电路)或其组合。探测器控制器60包括用于执行可编程控制逻辑或软件指令的处理逻辑，该软件指令包括由控制器执行以控制取样系统的操作的一个或多个程序。

探测器控制器还可以包括输入/输出通信接口或模块61，其被配置用于无线和/或有线通信，用于对处理器进行编程并通过基于外部处理器的个人电子装置(例如计算机、手机、平板电脑、笔记本电脑等)交换取样结果或其他数据。因此，通信模块61可以被配置为通过无线和/或有线协议向一个或多个用户的个人电子装置发送和接收通信和数据。这允许一个或多个用户可操作地联接到探测器控制器60，用于上传软件以配置和控制探测器控制器60的操作，并用于下载与土壤水取样相关的测量、分析和其他数据或结果。在一些实施例中，如本申请别处进一步描述的那样，用户的个人电子装置101因此可以通过运行适当配置的软件充当基于处理器的主控制系统。个人电子装置101可以直接(例如，通过Wi-Fi、近场通信(NRC)、

联接式有线联接件或插孔等)或者经由因特网(例如通过云计算，其中个人电子装置和探测器控制器60又可通信地经由“云”102链接)可通信地联接或链接到探测器控制器60，如本申请进一步描述的那样(例如参见图4)。

探测器控制器60还包括非临时有形计算机可读介质62，其可操作地联接和存取控制器60。计算机或机器可存取和可读介质可以包括任何合适的易失性存储器和非易失性存储器或可操作并可通信地联接到控制器处理器的设备。可以使用易失性或非易失性存储器的任何组合和类型，包括但不限于随机存取存储器(RAM)及其各种类型(例如铁电RAM、DRAM等)、只读存储器(ROM)和其各种类型的硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)、闪存、SD卡、USB驱动器或可以由可操作地连接到介质的处理器进行写和/或读的其他合适的存储器和设备。因此，非易失性存储器可以是任何永久或可移动类型的存储器。易失性存储器和非易失性存储器都用于保存处理后的样本的数据或结果，用于存储程序(程序指令或软件)，并且存储与旋转机器101的操作或处理样本等相关的操作参数。易失性存储器和非易失性存储器都可以用于存储程序指令或软件。

计算机或机器可存取和可读的非暂时性介质62(例如存储器)包含可执行的计算机程序或软件指令，它们在由探测器控制器60执行时使系统执行本公开的操作或方法，包括测量土壤水样的性质和测试土壤水样。尽管在示例性实施例中将机器可存取和可读的非暂时性介质62(例如，存储器)示出为单个介质，但该术语应理解为包括存储一组或多组控制逻辑或指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。本领域技术人员完全可以提供和配置具有所有必需附件的控制器，以提供用于操作探测器取样系统和以本申请公开的方式处理土壤水样的全功能控制系统。

探测器控制器60还可以包括GPS模块64，其允许控制器知道其在农田中植入的精确地理坐标并将其位置传送到由用户的个人电子装置实施的中央控制系统100。控制系统100因此可以如本申请进一步描述的那样充当保持跟踪部署在农田中的多个探测器20的位置的集线器。

值得注意的是，探测器控制系统包括本领域已知的形成功能齐全且可编程的探测器控制系统所必需的所有其他常用附件和辅助设备。

在一些实施例中，可以提供一个或多个温度传感器66和压力传感器65，它们可通信地联接到可编程探测器控制器60。温度传感器66用于测量收集到的土壤样本的实时实际温度并将测量的温度传送到控制器。温度传感器66可以位于系统中的任何合适的点以测量水温。在一个非限制性示例中，温度传感器66可以被布置成测量在通往收集室30的入口流导管31中收集到的水的温度。可以使用任何合适类型的市售温度传感器(例如热敏电阻、RTD等)。

压力传感器65被布置成测量在由真空泵32产生的负压(真空)下通过探测器20从土壤中提取的收集到的水样的压力。压力传感器65优选位于收集室30上游的探测器或入口流导管31中。可以使用任何合适的市售压力传感器。

图3示出了图1的基本系统的节能版本，其延长了探测器系统的板载电池寿命。在这个节能系统中，真空泵被一个附加的低功耗要求的小型水泵73和一个气动文丘里喷射泵71的组合所取代。喷射泵仅运行足够短的时间以在探测器内部产生初始负压或真空以在取样循环开始时开始水通过多孔介质26流入。然后终止喷射泵的操作。可以是加压空气袋或罐的高压空气源70通过入口流导管31流体地联接到文丘里喷射泵71的空气入口端口。在一些实施例中，气罐以安装在设施封闭件40上、内部或附近。真空流导管31流体联接到探测器介质26的内部空腔24和喷射泵71的入口以在多孔介质上抽真空。单独的进水流导管31流体联接到多孔介质26和水泵73的吸入口或入口。

在操作中，与气罐流体地联接的排气阀39打开，从而建立通过喷射泵71的高压空气流。流经文丘里形状喷射泵的狭窄喉部的高压空气的原动力对探测器内部空腔24抽真空，这导致水从周围土壤向内通过多孔介质26流入探测器空腔中。然后关闭排气阀39。接下来，可以启动水泵73来将抽取的水从探测器20抽取并泵送到收集室30中。然后可以停止泵并且通过重力将水转移到混合器33-1的混合室33以通过图1的系统添加试剂、混合和进一步处理以便进行分析。样本分析系统和相关的分析过程的其余部分与本申请先前关于图1描述的相同。任何合适的市售风险喷射泵均可用于该申请。

在所设想的其他实施例中，可以省略水泵73，而可以使用高压空气源70来代替对探测器腔24加压并迫使探测器20中收集到的水通过水提取流导管31进入收集室30。在这样的系统中，高压空气源70具有双重功能，即在探测器20中建立初始真空以诱导土壤水的向内流动，然后迫使收集到的水向上进入收集室30。

图4是网络数据通信系统110的一个实施例的系统图，该网络数据通信系统110用于在一个或多个远程个人电子装置与使用上述云计算的取样站190阵列之间建立双向无线通信。每个取样站190包括至少一个探测器20和样本处理子系统180。“云”102充当通信集线器，其将每个个人电子装置101可通信地并可操作地联接或链接到每个探测器20中的探测器控制器60(还参见示出探测器控制器的图1)。在这种情况下，云托管并运行适当配置的土壤分析程序和其他软件(例如应用程序)，这些软件被配置为在部署在农田的每个探测器20和用户的个人电子装置101之间通信和交换信息、操作指令/程序和数据；其中一个可以作为中央控制器。云102提供必要的硬件基础设施(例如服务器、数据库、通信硬件等)，以建立到探测器和个人电子装置的通信链路，从探测器接收数据(包括实时实际土壤样本分析结果和其他信息(例如压力和温度测量数据)，将收集到的由探测器传送的当前和历史数据存储在其数据库中，个人电子装置可以存取该数据库。探测器和基站可以通过蜂窝或卫星通信协议和/或本地无线/有线通信网络与云102通信。因此，个人电子装置101可用于配置每个探测器20的探测器控制器60，并从靠近或远离部署探测器的农田的远程位置控制探测器的操作。

在一个实施例中，运行在云系统上的土壤分析软件可以被配置为，使用由探测器20产生并传送到云系统的所有土壤分析数据(例如养分水平等)，以各种格式将土壤水样分析结果提供给用户的个人电子装置。例如，可以在用户的个人电子装置显示屏上给用户生成并呈现农田的彩色地图，以不同的颜色示出农田的各个区域中目标分析物的浓度或水平(例如硝酸盐等养分水平)。替代地，可以以表格格式或彩色地图和表格数据的组合形式呈现整个农田的样本分析结果。

在其他实施例中，每个探测器控制器60可以通过无线局域网可操作地并可通信地联接或链接到中央控制器。在这样的探测器20的网络阵列中，用户的个人电子装置(即，手机、膝上型电脑、笔记本电脑、台式机等)可以通过执行计算机应用程序或软件来配置以交互和控制探测器的操作。

现在回到探测器，探测器20的至少多孔介质26与将要从中提取水用于分析的周围土壤S之间的紧密且优选保形的接触对于优化将水吸入探测器中是合乎需要的。在一些实施例中，探测器20可以被放置、驱动或以其他方式直接插入原始土壤中，使得探测器产生穿过土壤的其自己的路径和开口。这确保了与土壤的紧密接触。在图5所示的由于土壤的密度/组成和/或为了保护探测器在植入过程中免受损坏而不可能或不希望与土壤紧密接触的其他可能的实施例中，可以首先在土壤中产生(例如，钻孔，通过钉或撬棒打孔等)直径D1略小于探测器最大外径D2的导向孔80。当探测器下一次垂直插入导向孔时，将在探测器和土壤之间形成紧密的保形接触。

图6中示出了在探测器20和土壤S之间产生紧密接触的替代方法。在本实施例中，在土壤中形成直径D3大于探测器直径D2的插入孔83。这在探测器和孔83的侧面之间产生环形间隙或空隙84。然后用具有高基质势的亲水性吸水介质82(又名雪泥粉末)填充该空隙。可商购获得的合适材料的示例包括硅粉、膨润土、超吸收性聚合物(SAP)(即水凝胶)，或能够产生有助于从围绕探测器20的孔中吸取和采集水的毛细管或芯吸作用的其他吸水材料。SAP(水凝胶)在暴露于水时会形成凝胶，从而形成一种高吸收性介质，它能够吸收其重量数倍的水。水凝胶通过与水分子形成氢键来吸水。在操作中，水从土壤中被吸入吸水介质中(吸水介质与探测器暴露的多孔介质和孔83的侧面都紧密接触)，然后又通过多孔介质26吸入探测器以便于处理和分析。

在其他实施例中，环形空隙84可以替代地优选在探测器20初始安装和插入土壤S中时直接用来自可用水源的水填充。这在图7中示出并在探测器周围形成原生土壤浆液。在图8所示的一个有点相关的实施例中，来自合适的原位水源(例如水罐、容器等)的水可以被注入并通过探测器和多孔介质26回流以与探测器孔83周围的土壤混合，从而也形成原生土壤浆探测器周围。在一些实施例中，可提供加压水泵85或其他水压源以使水通过探测器回流以注入到环形空隙84中。在一些实施例中可以提供单独的注水流导管31。值得注意的是，在可能发生类似干旱的状况导致天然土壤孔隙水分/水不足的情况下，向孔或探测器周围的土壤中添加或注入水也可能有助于表征土壤的养分或其他特性，以便通过探测器提取进行分析。

图48-50示出了土壤水取样探测器的附加实施例，该探测器被配置用于解决上述自然可利用的土壤孔隙水不足以进行取样的问题。这些图中的每一个都示出了取样站形式的取样探测器系统，取样站配备了自己的现场水源，以促进人工润湿和浸透土壤以提取土壤水样。这些自润湿探测器系统各自包括类似于本申请先前描述的探测器20的取样探测器350，但还包括水系统，该水系统包括水容器或水罐351，水容器或水罐351充满取样水以浸透和润湿探测器周围的土壤。如图所示，水罐351优选地位于地面之上；但在一些实施例中，水罐的一部分可能会穿透土壤。探测器350各自包括探测器纵向轴线LA，以及限定顶端360、底端361和在端部之间轴向延伸的周向延伸侧壁362的细长主体。在端部之间形成轴向延伸的内部空腔353。每个探测器350包括一个横向开口的取样窗352，该取样窗352装有前面所述的多孔介质26，该取样窗与探测器的开口空腔253连通，用于向探测器内部施加真空以通过多孔介质从周围土壤中提取水。在此之前结合探测器20描述的任何真空装置和滤液提取设备可用于获得土壤水样并将样本/滤液转移到处理子系统180以供分析。每个探测器350的大部分长度插入土壤S，并且在所示的一些实施例中除了其顶端部分用于连接到设施封闭件40外，将几乎所有长度插入土壤S，该设施封闭件40容纳样本收集和分析设施，其实施在如本申请先前所述的每个取样站190的样本处理子系统180中(例如参见图1)。

公开了几种用于浸透取样窗口352附近的土壤的方法。因为只有靠近窗口352的土壤区域中的土壤需要浸透以从土壤中浸出或释放分析物(例如养分)以进行收集和分析，所以优选有针对性的水输送系统以最小化每个取样站所需的水罐351的体积容量和尺寸。

参考图48，自润湿取样探测器350的第一实施例包括水分配管354，其与水罐351流体联接并沿着探测器350的外表面向下延伸。在一些实施例中，分配管354可以通过诸如拉链、夹子之类合适的附接联接件附接到探测器以用于支撑。分配管354的底端终止于靠近取样窗口352的点处，并且优选正好在窗口上方。水将通过重力向下流过土壤一小段距离以润湿邻近取样窗口的土壤区域，该区域可通过将真空施加到探测器350的内部空腔353而被吸入探测器350。

图49描绘了具有与如上所述的图48相同元件的第二实施例。分配管354具有在土壤或地表土壤-空气界面附近终止的构造，例如刚好在土壤/地表G上方、在表面G处或刚好在表面G下方。水罐351和管354周向布置在取样窗口352上方，使得水通过土壤向下流向窗口。在该实施例中，水将通过重力从靠近土壤或地表G的点向下流过土壤，并且使土壤一直浸透到至少取样窗口。水罐351和分配管354定位在探测器的外部，靠近其外表面，如上面在图48所讨论过那样。

然而，在图50所示的实施例中，分配管354通过内部空腔353在探测器350内部布线。如图所示，管354的底端通过排水口穿过探测器的侧壁，以将水直接分配在取样窗口352上方并靠近取样窗口352。这种布置保护分配管354免受外部环境影响。尽管水罐351示出在探测器350的正上方和顶部，但是应当理解，在一些实施例中，水罐可以位于探测器附近，使得分配管354横向延伸到探测器的空腔353并进入探测器的空腔353。可以使用任一种布置。

前述的水分配管354可由任何合适的刚性、半刚性或柔性类型的非化学反应导管材料(例如塑料或金属)制成。

从水罐351分配水可以由流体联接到分配管354的控制阀355控制。可以由探测器控制器60经由本申请先前描述的通信链路63自动控制分配水的阀355的打开和关闭。因此，当干燥天气条件盛行时，用户可以与每个探测器控制器60远程通信，以通过打开阀355来分配水，持续时间足以使土壤浸透并获得水样。在其他实施例中，可以通过手动操作控制阀355来控制水的流动。

图9示出了具有外螺纹主体的螺旋型样本探测器90。探测器90包括围绕探测器主体的外圆周延伸的凸起螺旋螺纹91。螺纹91的外径D4大于探测器圆柱形基部的直径D2。如图所示，螺旋螺纹91在探测器主体的顶端21和底端22之间沿探测器纵向轴线LA轴向延伸。在一些实施例中，只有将被植入土壤中的探测器的下部可以包括螺纹。在一些实施例中，螺纹91可以在螺纹沟底之间具有凸起的轴向伸长的平坦地带93，而不是尖锐的螺纹，以增加与土壤的表面接触并保持在土壤中。在一些实施例中，螺纹可以在探测器的下部多孔介质尖端25上方终止。

代替将螺纹探测器90线性地推、落或以其他方式插入土壤中，该探测器可以旋转，从而将探测器轴向/线性平移到期望的取样深度。螺纹探测器90有利于消除对首次在土壤中形成导向器或插入孔的需要，并允许在达到使用寿命后或终止土壤取样时从土壤中轻松取出探测器。此外，螺纹设计创造了更大的接地表面积，增强了探测器和土壤之间的紧密接触，从而更好地将水引入探测器。探测器阶梯状侧面轮廓进一步有利于降低地表水由于这种地表水必须沿着探测器外部向下流向所必须采取的迂回路径而在探测器周围的孔中垂直流入的可能性，从而产生比直线路径的流动阻力更大的流动阻力。替代地，在一些安装中，如果需要方便螺纹探测器90的植入，可以可选地类似于以上关于图5描述的那样，首先在土壤中形成比探测器主体更小的直径的导向孔。这对于某些重土壤类型(例如粘土)可能特别有用。

亲水型取样系统

根据本公开的另一方面，可在水取样探测器中使用能够吸水的吸水亲水材料代替真空以从土壤中提取水分以进行养分或其他土壤参数分析。在一个实施例中，亲水材料可以是水凝胶，例如超吸收性聚合物(SAP)，在本领域中也称为“雪泥粉末”。SAP充当芯，其通过毛细管类型的芯吸作用将周围土壤中的水分吸入取样探测器。SAP可以安装到植入的样本探测器上，并与土壤直接接触或通过中间亲水填充介质82(例如膨润土等)，与土壤中的孔隙水间接流体连通而间接接触地暴露，该中间亲水填充介质在其孔中围绕探测器(如图6所示并且如之前所述)。

图10-14示出了使用SAP的亲水性土壤水取样系统的第一实施例。最初参考图10，该系统包括水取样探测器150，其在材料的配置和构造上可以与本申请先前描述的探测器20相似，但没有多孔介质26。探测器150具有管状本体，包括顶端156、底端157、在端部之间延伸的侧壁158和内部空腔159。管状主体可具有任何合适的构造或轮廓，例如具有相应横截面的圆柱形、长方体等。

为了在每个探测器150处远程执行土壤水样的原位化学分析，SAP材料可以与一种或多种选择的试剂预先组合以在收集到的水中存在目标分析物(例如养分物)时引起可检测的颜色变化，然后可以在收集点进行分析。在一个实施例中，SAP和一种或多种试剂可以被压缩并形成吸收块或材料块，当暴露于探测器周围的土壤时可操作以吸收水。在压力下压缩形成块状之前，试剂和SAP都可以是粉末状。

在本实施例中，压缩的SAP可以具有测试垫160的形式，每个测试垫160具有通常刚性或半刚性的块状结构，具有由水凝胶或SAP与一种或多种试剂的组合形成的复合组合物。每个测试垫160至少包括包含SAP和第一试剂的第一层162。在需要多于一种试剂来在分析物存在时用于水的可检测的颜色变化的一些实施例中，可以添加第二SAP和试剂层163或更多SAP和试剂层。例如，第一试剂可以是对氨基苯磺酸，第二试剂可以是用于硝酸盐检测和测量的α-萘胺。在这样的实施例中，第一层162和第二层163可以通过任何合适的方式相互堆叠和固定，包括在压力机中被压缩在一起以形成单个多层复合块或测试垫160(在图14中最佳示出)。

因为探测器150打算在整个生长过程中保持植入并可操作，所以探测器优选应该能够以最少的人工干预和注意执行多个样本收集和分析。在一个实施例中，探测器150可以包括输送机构，该输送机构被配置为在每次执行样本运行时将多个新的SAP测试垫暴露于土壤及其孔隙水。在一个实施例中，输送机构可以是可更换并可拆卸的取样盒151，其被配置用于固定在探测器150主体的空腔159内(在图12中最佳示出)。另外参考图11-14，盒151在结构和操作上可以类似于音乐/录像带盒或微型盒。盒151包括限定内部空间的刚性矩形长方体壳体165、一对卷轴164和在壳体内部围绕卷轴缠绕的可移动柔性基层。当然可以使用其他构造的盒壳体。作为一个非限制性示例，基层可以优选为疏水性聚合物取样带161；然而，也可以使用其他柔性材料。SAP测试垫160以间隔开的增量刚性地固定和联接到带161。测试垫160的厚度(垂直于带测量)优选在轮廓上尽可能低，但足以吸取并保持足够的水以与试剂适当地反应。

可以提供电动带驱动器167来操作盒151并依次推进测试垫160以进行取样。具体参考图10和12，带驱动器167包括一对间隔开的轴，包括由驱动器壳体167-1内的轴承169支撑的惰轴166b和驱动轴166a。驱动轴166a联接到带驱动器167的电驱动马达168，该驱动马达168可操作以旋转轴以推进取样带161和测试垫160。如图所示，马达168可以位于驱动器壳体167-1的内部。马达168通过通信链路63可操作且可通信地联接或链接到探测器控制器60。探测器控制器60因此可以使用适当的配置软件或指令来配置以控制取样盒151的操作，包括推进带和测试垫以在暴露于含有目标分析物(例如植物养分物)的水之后对反应过的测试垫进行取样和分析)。

当如图10所示那样部署时，可以从取样盒151拉出基带161的一部分或一圈。该圈围绕固定在亲水性取样探测器150的内部空腔159内的一对或更多自由旋转的引导轴154引导。引导轴154定位成在其上固定带161和测试垫160并将其通过打开的窗口暴露于土壤并且优选屏蔽样本收集窗口155。打开/多孔屏蔽防止土壤通过窗口进入探测器150内部。基带161位于窗口155附近，使得一系列测试垫160可以循环到窗口并经过窗口，以便与土壤紧密接触来吸收水分。

为了确保测试垫160和土壤通过屏蔽的窗口155紧密接触，探测器150还可以包括活塞153，活塞153包括线性可移动柱塞153a，该柱塞153a作用在面向可移动带161的与窗口155相对的表面的内侧上。活塞153可操作以移动柱塞153a以抵靠屏蔽窗口接合、推动和向外移位带161。这将测试垫160放置在带161的面向相对表面的外侧上，与周围的土壤紧密接触以从中提取水(例如参见图10)。在一个非限制性实施例中，活塞总成153可以是电机驱动的。

探测器150还包括样本分析装置152，其可以类似于本申请先前描述的装置36。在利用测试垫160中的颜色变化来检测分析物的存在和浓度的本实施例中，样本分析装置150可以是色度计。分析装置150优选位于带161近侧且相邻，在其已暴露于土壤水并改变颜色之后可检测和测量测试垫160中的分析物的位置上。这可以处于带环的如图12所示的返回侧，而不处于环的进给侧。

现在将参考图10-14简要描述在用于采集与分析土壤水样的过程或方法中的探测器150的操作。该过程从已经如图10所示那样定位的带161环开始。然而，柱塞153a可以处于第一向内缩回位置，或者完全脱离带161，或者轻微接合带161。可编程探测器控制器60通过操作驱动电机168使取样带161沿第一方向前进。带161被旋转以将未使用的测试垫160定位在与屏蔽的取样窗口155相邻的位置。活塞153由探测器控制器60操作以将柱塞153a向外移动到延伸位置。柱塞153a的远端邻接地接合取样带161，迫使它和测试垫160向外通过屏蔽取样窗口155与土壤紧密接触。测试垫160保持在该紧密接触位置，直到足够量的土壤水被用于测试的垫的SAP-试剂组合物吸收。在一些实施例中，探测器控制器60可以在预定时间段内激活定时器，该时间段足以确保测试垫被来自土壤的水浸透。一旦定时器到期，或用于确保测试垫被水样浸透的其他方式，柱塞153a可缩回。然后使取样带161前进以将浸透过的测试垫160定位在色度计(样本分析装置152)附近。通过色度计分析测试垫中的颜色变化以测量分析物的浓度。色度计通过通信链路63(有线或无线)将测量结果传送到探测器控制器60。

在一个实施例中，测试垫160可以在取样带161上以选择的间隔间隔开，使得新的测试垫被定位为邻近(但与探测器屏蔽的取样窗口155隔开)并且每次取样带准备好进行下一次测试推进以将浸透的测试垫放置在样本分析装置152附近。在一个实施例中，活塞柱塞153a可以保持缩回以防止新垫浸透直到下一个计划的土壤水提取取样周期。可以根据预编程到探测器控制器60中的取样计划按需和/或以规则的时间间隔(例如，每天、每周等)执行取样。当控制器60启动取样周期时，活塞柱塞再次移动到伸展位置，以与上述相同的方式提取水样。

在一些实施例中，可以在取样带161上提供薄保护膜161-1，取样带161可释放地粘附到测试垫160材料上并放置在测试垫160材料上。这种覆盖膜在需要时保护测试垫或条带。图47示出了用于取样盒151的动力带驱动器167的一个示例实施例和布置，该取样盒151被配置为与保护膜161-1一起使用。保护膜161-1通过膜引导轴161-3自动地从基带161和测试垫160剥离，以在测试垫暴露于被测试的土壤水样之前暴露测试垫。然后将膜161-1卷起并缠绕在单独使用过的膜收集轮161-2上，而基带161沿其带路径继续，如本申请先前所述(参见定向膜路径箭头和基带161路径箭头)。该薄膜161-1保护敏感的测试材料免受氧气和湿气的影响，同时将盒子安装在土壤表面下方的探测器中。

在取样盒151的相关替代实施例中，没有试剂的纯SAP测试垫160可以与取样盒115一起以与上述相同的方式用于简单地从土壤中提取水样。然后可以将采集到的水从浸透的测试垫中释放出来，以通过与SAP分开的测试部件(例如色度计、测试条等)来分析分析物。这种用于释放和提取由亲水测试垫160采集到的水的手段例如可以包括但不限于机械和化学方法。图15示出了机械方法的一个非限制性示例，包括在浸透的SAP测试垫160上施加机械压力或力以释放水，例如通过在一对机械压缩构件170之间压缩垫。采集到的水被释放到化学分析装置171，例如用于分析分析物的测试条。替代地，可将释放的水收集在诸如收集室30之类的容器中，以便在图1的系统等中进行进一步处理和分析。图16示出了一种化学方法的非限制性示例，其可以通过添加化学试剂(例如酸等)破坏SAP材料和水分子之间形成的氢键，从而改变浸透SAP测试垫160的pH值，由此将水释放至测试条或收集容器中以供进一步处理和分析。可以使用其他方法。值得注意的是，这些水释放方法和纯SAP测试垫可以在一些替代取样探测器中在没有取样盒151的情况下使用。

模块化土壤水取样探测器系统

图17-45描绘了用于从土壤中提取水以分析和测定分析物浓度或水平(例如植物养分)的模块化取样探测器系统的各个方面。模块化系统包括模块化取样探测器，其允许用户或制造商使用共用公共安装接口的多个可互换和可拆卸联接组件轻松定制土壤中的水收集深度。因此，这有利于提供一种可扩展的取样设备，该设备允许根据需要调整取样探测器的长度和收集深度。模块化取样探测器可以由用户或制造商通过可拆卸联接组件进行定制配置，以调整探测器的长度并在一个或多个土壤深度处(同时或顺序)采集水样，以生成更完整的土壤养分水平深度剖面。

在一个非限制性实施例中，用于采集土壤水的模块化取样探测器200可以大致是线性细长的刚性结构，其包括至少一个探测器取样模块202，以及至少一个伸展构件204，该伸展构件204通过至少一个联接件206可拆卸地联接到取样模块。在要在几个高度处收集水样的一些实施例中，多个模块、伸展构件和联接器可以根据需要可拆卸地联接在一起。取样模块202可以是相同的，具有相同的构造和轴向长度。收集深度由伸展构件确定，伸展构件可以具有相同的构造，但长度可以不同。作为示例，在一些实施例中可以提供两个取样模块202以收集土壤中不同位置(例如10"和18")处的土壤水样。当然可以使用其他深度和数量的模块。模块202、伸展构件204和联接构件206可以可拆卸地联接在一起，以允许按照需要在现场定制和/或重复使用和重新配置取样探测器的长度和集水深度以用于后续部署。

值得注意的是，在农田中紧邻和邻近模块化取样探测器200的取样站(在它们之间形成可操作的联接(类似于探测器20))处安装设施封闭件40，其容纳样本收集和分析设施，该设施实施在本申请先前描述的取样站190的样本处理子系统180中(例如参见图1)。为简洁起见，设施封闭件40未在图17-45中示出，图17-45仅孤立地描绘了模块化取样探测器200。因此应当理解，设施封闭件40包括设置在取样站中的模块化取样探测器200；模块化取样探测器可操作地联接到壳体40中的样本处理子系统180，替代非模块化取样探测器20。

模块化取样探测器200具有竖直细长的管状主体，该管状主体被配置用于植入和嵌入农田的土壤中。尖刺形锥形端件290在一个实施例中，主体可以是大致圆柱形的；然而，可以使用其他形状，包括多边形构造。取样探测器200限定探测器纵向轴线LA和伸展构件204和取样模块202沿其同轴对齐和延伸的轴向。

伸展构件204可以具有细长的管状主体，该细长的管状主体被配置为联接到取样模块202和/或联接在取样模块202之间。在一些实施例中，每个伸展构件包括相同构造的相对的联接端205、沿探测器纵向轴线LA在端之间纵向延伸的圆柱形侧壁208、外表面208和限定从一端通向另一端205的内部通道203的内表面201。通道203形成内部空间，用于将真空和滤液(即通过取样模块的过滤介质抽取的收集的土壤水)通过单元200内部地输送到地面以进行进一步分析。当如图所示提供圆柱形侧壁时，通道203可以具有圆形横截面形状。也可以使用具有各种非多边形和多边形横截面形状的其他侧壁构造。在一些实施例中，侧壁208可以用扩大的径向深度螺旋螺纹209向外穿过，以更好地接合土壤并最小化沿伸展构件204的外表面向下渗出的地表水/径流的迁移，这可能不利地歪斜测量采集到的土壤水样中实际分析物浓度的准确性。螺纹209可以通过螺纹之间的平坦地带209-1在轴向上相对较宽地间隔开，以改进土壤的抓持和保持。伸展构件204的联接端部205可以是无螺纹的。

取样模块202各自包括联接组件，包括多孔过滤器220、过滤器支撑套筒221、联接构件206之一和环形密封件222。下面将进一步描述每个组件。

多孔过滤器220可以具有限定纵向内部空腔224的环形中空圆柱体，该纵向内部空腔224从一端225延伸到相对端225。在一个实施例中，过滤器主体在结构上可以是刚性的，以承受从土壤中提取水样而施加的内部真空压力而不塌陷。过滤器220可以具有与伸展构件204的外径D5大致相等的外径D6，以便与伸展构件的外表面大致齐平，如在图17和图24中最佳地看到的那样(不包括伸展构件的任何径向突起，例如螺旋螺纹209)。可以使用任何合适的多孔介质，例如本申请先前描述的那些(例如多孔陶瓷、烧结金属、聚合物、聚合物或纤维膜、筛网等)。

联接构件206被配置为完全插入通过过滤器220的内部空腔224。每个联接构件206可具有细长的管状且大致圆柱形的主体234，其包括第一外花键联接端230、相对的第二平联接端231和在端部之间延伸并穿过端部的纵向贯穿通道233。联接端230包括多个周向隔开的外部轴向延伸和径向突出的花键突起320，从而限定了“外”花键联接端，该“外”花键联接端形成本申请前面描述的在联接构件和取样模块202之间的花键接口或接头的一部分。花键突起320被可滑动地接纳在形成在伸展构件204的联接端205的插口中的互补构造和配对内部轴向花键槽321中，从而限定“内”花键联接端(例如参见图19)。因此在每个伸展构件204和联接构件206之间提供了花键接口和联接。这在联接构件206和伸展构件204之间产生了更可靠和更牢固的旋转锁定，其当模块化取样探测器200被旋转并拧入土壤时抵抗扭转力，而不单独依赖横向安装螺钉235，这将在下面进一步描述。由花键接口提供的这种优异的抗扭矩性可能是一个重要的考虑因素，尤其是当相对长的取样探测器200用于从土壤内相对较深的地方提取土壤水样时。然而，值得注意的是，在花键突起和通道互锁以防止这些部分之间的轴向分离之后，安装紧固件235提供了将联接构件206纵向锁定到伸展构件204的重要功能。然而，在替代实施例中，可以可选地省略花键。至少一对配对花键突起和通道320、321优选地设置在每个花键接口处。在所示的非限制性实施例中，示出6对以最大化在探测器旋转进入土壤时对由来自地面的阻力施加到样本探测器总成的扭转力矩的阻力。

联接构件206的主体234具有比过滤器220和过滤器支撑套筒221长的轴向长度(沿探测器纵向轴线LA测量)，如图24和图32中最佳所示。这允许联接构件完全穿过并越过端部套筒221和过滤器220，使得联接构件的轴向突出端部230、231可以部分地容纳在外伸展构件204的通道203内以固定到其上。图24示出了以前述方式联接在两个伸展构件204之间的联接构件206；在过滤器220的相对两侧各有一个伸展构件。图32示出了联接在一个伸展构件和可拆卸锥形端件290之间的联接构件。

如上所述，每个联接构件206的联接端230、231可以通过一个或多个横向定向的安装紧固件(例如螺纹安装螺钉235)紧固到伸展构件204的对应联接端205并且纵向锁定到伸展构件204的对应联接端205。伸展构件204的相对联接端205和联接构件206的联接端230、231可以各自包括成对组的配对径向定向和横向安装孔239，它们可以旋转地和同心地彼此对齐，用于从其中插过螺纹安装螺钉235。伸展构件204的外表面在每个孔穿透位置处可以具有平坦部239-1(即平坦表面)，使得安装螺钉235的头部可以在完全拧紧时与伸展构件形成平坦且紧密的邻接。在一些实施例中，安装孔239中的孔239可以是内螺纹，以与螺钉235可靠接合。然而，在其他实施例中可以使用其他类型的优选可拆卸的机械紧固机构来将联接构件和伸展构件纵向锁定在一起，例如但不限于使用联接构件206和伸展构件204之间的可旋转螺纹端部连接、无螺纹销、它们的组合，或其他类型的紧固部件。因此，所使用的纵向锁定机构的类型不限制本发明。

继续总体上参考图17-45，每个联接构件206包括环形安装法兰232。法兰232位于花键联接端230附近但从端部向内隔开，如图19和24。这允许联接构件206的端部230插入到一个伸展构件204的通道203中。法兰232从联接构件206的主体234径向向外突出并且可以具有大致等于伸展构件204的外径D5的直径。这确保了模块化取样探测器总成顺利植入土壤中。

安装法兰232特别地被配置成接合并支撑过滤器220的一端和取样模块202的过滤器支撑套筒221的一端(最佳地示出在图24中)。在一个实施例中，法兰232的面向过滤器220的一侧包括围绕法兰周向延伸的外环形保持唇缘237。唇缘237与过滤器的一端邻接并使其就位。保持唇缘237和过滤器220端部之间的接口可以由环形密封件222之一密封。在一个实施例中，密封件222可以是弹性O形环。

联接构件206的安装法兰232还可以包括设置在环形保持唇缘237内侧的周向延伸的环形凹槽236。凹槽236容纳并接合过滤器支撑套筒221的一端240。凹槽236由位于凹槽236和保持唇缘237之间的周向延伸的环形过滤器支撑突起238限定。支撑突起238沿朝向过滤器220的方向轴向且垂直于法兰延伸(最佳地在图24中示出)。突起238和径向突出的保持唇缘237的交叉点共同形成直角或肩部，其支撑过滤器220的一端225并使其就位。

继续参考图24，过滤器支撑套筒221还被配置为从与联接构件206相反的端部插入过滤器220的空腔224中。套筒221大致在过滤器220的整个长度上延伸，但不像上面描述的联接构件206那样轴向突出超过其端部。每个过滤器支撑套筒221可具有细长的管状且大致圆柱形的主体243，包括与第二外花键联接端243相对的第一平联接端240，其包括多个前述花键突起320、侧壁241和在端部之间并通过端部延伸的纵向贯穿通道260。外花键联接端243被配置成使内花键容纳联接端205与伸展构件204(例如参见图19)或锥形端件290型的花键槽321(例如参见图45)接合，锥形端件290型具有带有花键槽的内花键容纳联接端291。

参考图19、24和28，内联接构件206插入外过滤器支撑套筒221的纵向贯穿通道260中。可以在联接构件和过滤器支撑套筒之间提供键合接头。这允许联接构件和过滤器支撑套筒之间的相对纵向运动以允许联接构件从套筒的端部240滑入贯穿通道260，但是将联接构件旋转地锁定到过滤器支撑套筒以防止套筒和联接构件之间的扭转。键合接头可以包括一对径向相对的纵向键281，每个纵向键从联接构件206的外表面径向向外突出。每个键281被可滑动地接纳在一对互补构造且直径相对的纵向键槽280中的一个中，该纵向键槽280凹入贯穿通道260内的过滤器支撑套筒221的内表面中(最佳地在图28中示出)。在一些实施例中，键280和键槽281可以分别延伸联接构件206和过滤器支撑套筒221的大部分轴向长度以实现最佳旋转锁定。

除了将联接构件206旋转锁定到过滤器支撑套筒221之外，前述键合接头还有利于确保联接构件206和过滤器支撑套筒221的流体端口261、262在组装在一起以完成将取样模块202的收集环223流体联接到真空和滤液流导管250、251的流通道264时自动同心和径向对齐。

为了保持和支撑过滤器220的与联接构件206的端部接合环形法兰232相对的端部225，每个过滤器支撑套筒221包括环形安装法兰242。法兰242从套筒的主体243径向向外突出并且具有大致等于伸展构件204的外径D5的直径。法兰242特别地被配置成接合并支撑过滤器220的与联接构件206的法兰232相对的另一端225。在一个实施例中，法兰242的面向过滤器220的一侧包括环形向外的保持肩部243，其围绕法兰周向地延伸。如图所示，直角肩部243邻接接合过滤器的另一端并使其就位。肩部237和过滤器220的另一端225之间的接口可以由另一个环形密封件222密封，该环形密封件可以是弹性O形环。

当组装时，过滤器220被支撑并分别夹在联接构件206的相对安装法兰232、242和过滤器支撑套筒221之间。该法兰被配置成以与过滤器支撑套筒221的外表面径向间隔开的方式支撑过滤器220，如图24所示。这在过滤器和支撑套筒221之间形成滤液收集环223，用于收集通过过滤介质从周围土壤中提取的水样。环223的轴向长度延伸过滤器220的大部分长度(沿纵向轴线LA测量)。如本申请进一步描述的，通过经由滤液流导管施加抽吸或真空压力，水样或可替代地“滤液”(在通过过滤器220之后)可以直接从收集环223中抽取。还可以提供真空流导管以直接在滤液收集环223上产生负压，用于将周围土壤孔隙水通过过滤器220吸入环223以由滤液流导管抽取。

值得注意的是，每个取样模块202的滤液收集环223都与其他收集环流体隔离，以防止在土壤中不同高度或深度收集的土壤水样混合。

如图24和32所示，组装的取样模块202是紧凑的嵌套总成，包括最外面的外部过滤器220、其中的过滤器支撑套筒221和其中的最里面的联接构件206。联接构件和过滤器支撑套筒至少部分地嵌套在过滤器内。因此，联接构件206具有略小于伸展构件204的内径D1和过滤器支撑套筒221的内径D3的外径D2，以便以最小的配对间隙嵌套在内部，从而避免部件之间的过度径向游隙。在一些实施例中，直径D1和D3可以大致相等。过滤器支撑套筒221的外径D7比过滤器220的内径D4小了明显的量，以在它们之间形成明显的环形径向间隙。径向间隙形成具有足够体积的水收集环223以起到收集滤液的作用，并允许将抽吸或真空压力施加到环上以通过过滤器220从土壤中提取水并如本申请前面所述那样将环中所收集得到的滤液抽取到地面。因此，形成收集环223的径向间隙的尺寸显著大于在联接构件206、过滤器支撑套筒221和伸展构件204之间提供的明显更小且紧密配合间隙，其直接允许这些部件被组装/紧密地嵌套在一起，但不适合收集和提取任何大量滤液来处理样本。

为了提取土壤水样并将过滤后的水(滤液)从每个取样模块202转移到地表，以便在其中具有样本处理子系统180的原位设施封闭件40中进行处理和化学分析，提供多个流导管。流导管可以包括一个或多个抽吸或真空流导管250和滤液流导管251，它们可以由管道或优选由小直径管状件形成。每个取样模块202具有一对专用的流导管250、251；每一个都与其他流导管流体隔离，以保持在不同土壤深度收集到的水样被隔离，以进行单独的处理和分析。在一些实施例中，真空流导管250可以在比滤液流导管251更高的高度处联接到每个取样模块202的水收集环223(例如参见图32)确保滤液从环中完全排出。流导管在内部通过模块化取样探测器200到达地面，用于直接或间接流体联接到设施封闭件40内的样本处理子系统180组件(例如参见图1)。真空流导管250可以流体联接到真空装置(例如，本申请前面描述的真空泵32或文丘里泵71)。滤液流导管251可以流体联接到样本/滤液转移装置，该装置可以是样本泵73或真空泵上游的收集室30(例如参见图1和2)。在模块化取样探测器200中提供两个或更多个取样模块的情况下，来自较低高度取样模块202的流导管250、251在内部通过较高高度的取样模块到达设施封闭件40。

来自每个取样模块202的一对真空和滤液流导管250、251可以流体联接到适当配置的流歧管壳体300。在一个非限制性实施例中，壳体300可以被配置为联接到最上面的伸展构件204的联接端205，如图19和34所示。图38-40和42-43单独且更详细地示出了歧管壳体300。

现在参考图19、34-40和42-43，歧管壳体300具有大致中空的盒状主体，该主体包括顶端303、底端302和在端部之间延伸的侧壁304，这些端部共同限定开放的内部管腔206，用于在其中容纳和引导流导管250、251。在一个示例实施例中，主体的横截面可以是大致U形的；然而，可以使用任何合适形状(包括长方体或各种其他棱柱形状)的壳体主体。

歧管壳体300的联接端302可以包括向下突出的花键联接延伸部301，其被配置成联接到最上面的伸展构件204的配对花键联接端205，壳体可以可拆卸地固定到该配对花键联接端205上。联接延伸部301具有大致双壁管状中空体，该中空体包括限定内部空腔309A的外管307和设置在空腔内的内花键管308(最佳地示出在图43中)。内花键管308与外管307同心对齐并且具有较小的直径，在它们之间形成环形间隙309C，该环形间隙309C被配置为容纳伸展构件204的联接端(例如参见图39和40)。花键管308包括在此之前描述的多个径向花键突起320，它们被可滑动地接纳在伸展构件204的内部花键槽321中。这延续了用于将联接构件206、过滤器支撑套筒221和锥形端件290联接到伸展构件的同样方便的普通花键安装接口。内花键管308进一步限定用于将流导管250、251引导到歧管壳体300的腔室306中的中心通道309B。外管和内管307、308都可以包括本申请前述类型的横向开口的安装孔239，其与伸展构件204的类似安装孔239同心对齐，以容纳穿过其中的螺纹安装螺钉235，用于将组件纵向锁定在一起(例如参见图39和40)。

歧管壳体300还包括多个管配件310。提供一个管配件并且专用于每个流导管250、251。配件310可以具有两个管联接端312(一个在内部腔室306内部，一个在壳体外部)，每个配置用于形成到流导管的防漏连接。壳体300可以具有平坦的配件安装壁315，以便于将管配件310安装到歧管壳体。在一个实施例中，安装壁315可以平行于探测器纵向轴线LA定向，使得流导管通过壳体进行90度弯曲以联接到安装在模块化取样附近的设施封闭件40中的样本处理系统180探测器200。可以使用其他布置和定向。在一个实施例中，配件310可以是直的和外螺纹的。配件310延伸穿过壁315并突出超过壁315一段距离，以在内侧和外侧容纳螺纹螺母311。可以从腔室306内部和外部拧紧螺母以将管配件锁定到歧管壳体300上。壳体可由任何合适的金属或非金属(例如聚合物)材料制成。

为了在过滤器220的内部空腔224中抽真空或从过滤器220的内部空腔224收集滤液样本，需要从联接构件206的贯穿通道233进入滤液收集环223以联接到流导管250、251。这需要真空流导管和滤液流导管穿过位于过滤器220内部的联接构件206和过滤器支撑套筒221的主体或侧壁。在一个实施例中，联接构件206包括一对径向定向的流端口262(一个用于真空，一个用于滤液提取)并且过滤器支撑套筒221类似地包括一对流端口262。端口261、262布置在联接构件206和套筒221上，使得它们可以同心且可旋转地彼此对齐，以共同形成通向收集环223的连续流通道。流端口261、262可定位成从环223的相对纵向端部抽真空和滤液。

为了按一定角度从联接构件206和过滤器支撑套筒221的径向定向流端口261、262(垂直于探测器纵向轴线LA)过渡到轴向方向以便向上引导流导管250、251通过模块化探测器单元200(平行于轴线LA)，联接构件206可以包括一对流突起263(例如参见图27和29-30)。一个流突起可用于向水收集环223施加真空，以通过过滤器220将土壤水从土壤向内抽吸到环，另一个可用于向环施加抽吸压力，以将收集的滤液转移至表面以在样本处理系统180中进行分析。每个流突起可以是轴向细长的并且从联接构件206的主体234的内表面径向向内在贯穿通道233内侧延伸。由流突起263添加的额外材料允许联接构件的流端口261在每个突起内形成完整的内部有角流通道264，其相对于探测器纵向轴线LA将方向从轴向改变到横向。在一个实施例中，如图27所示，可提供90度流通道264以将流动方向从径向改变为轴向。在这种布置中，流通道264共同包括由径向流端口261组成的径向部分和轴向部分265。图27中所示的流通道264是其他流突起263内的流通道配置的代表。在其他实施例中可以使用相对于纵向轴线LA在大约并且包括45度到89度之间的其他角定向。在一些实施例中，真空和滤液流导管250、251可以直接联接到流通道264。

如图31最佳所示，联接构件206中的两个流突起263中的每一个在角度和周向上彼此偏移，以简化将流导管250、251从联接构件的开口端230到突起和它们各自的流通道264的管道联接(也参见图32)。

模块化样本探测器200可以具有适当的底端封闭件以密封探测器的底部。端部封闭件的一个非限制性示例是锥形端件或封闭件290，如图17-46所示。图44-46单独和更详细地示出了端封闭件。端封闭件包括花键联接端291、相对的穿透端292和在其间延伸的侧壁295。穿透端292可以是尖刺或锥形的形式，以便有利于在模块化取样探测器200在植入期间旋转并推进穿过土壤时穿透土壤。联接端291可以包括与本申请先前描述的伸展构件204的螺纹设计中使用的相同的外螺纹209。

提供了两个花键联接端选项，其选择取决于端封闭件290是要固定到伸展构件204的端部(如图19所示)还是要固定到取样模块202(如图32所示)。图45示出了“内”花键联接端291，其带有具有花键槽321的插口，用于附接至“外”花键联接端243，该“外”花键联接端243具有过滤器支撑套筒221的花键突起320(例如参见图32)或联接构件206的“外”花键联接端230。图46示出了内部“外”花键联接端291，其具有与歧管壳体300的联接端301相同的构造(例如参见图43)，用于附接到伸展构件204的“内”花键联接端205。伸展构件204的端部205将在端封闭件290的内部“外”花键联接端291内滑动，以将其内部花键突起320以与图40所示类似的方式插入伸展构件的花键槽321中，其中图40示出了附接到伸展构件的歧管壳体300。端封闭件290可以由与伸展构件204相同或不同的材料形成，其可以是金属的或非金属的，如本申请先前所述。

值得注意的是，在联接构件206、伸展构件204、过滤器支撑套筒221、端封闭件290和歧管壳体300的端部之间使用的防旋转花键接头可以具有形成在这些组件中与本申请图示和描述的组件相对的一个上的外花键突起和内花键槽。尽管所示实施例示出了一种非限制性的优选布置，但在其他布置中，花键突起和通道因此可以替代地形成在其他实施例中的前述组件的其他相对的组件上。因此，本发明不限于哪一个组件具有花键突起以及哪一个组件在接头处的端部具有花键容纳通道。

一种用于组装模块化取样探测器200的方法可以包括以下步骤。可以首先组装包括取样模块202的子总成，其在一种非限制性方法中包括将过滤器支撑套筒221插入/滑动到过滤器220中以及将联接构件206插入/滑动到过滤器支撑套筒中的步骤，如图24所示。替代地，可以首先将联接构件206插入/滑动到过滤器220中，然后将过滤器支撑套筒221在联接构件和过滤器之间插入/滑动。可以使用任一组装步骤顺序。

在任一顺序中，过滤器支撑套筒221的安装法兰242与过滤器220的第一端225邻接接合，并且联接构件206的安装法兰232与过滤器220的第二端225邻接接合，从而将过滤器圈套在法兰之间并形成水样收集环223。然后可以将联接构件206的外花键联接端230插入伸展构件204的内花键联接端205的插口内(图24中所示的右侧)。该步骤包括将联接构件206的花键突起320轴向插入伸展构件204的花键槽3321中。联接构件206或过滤器总成可以旋转以对准联接构件和伸展构件204中的配对横向安装孔239。然后可以将安装螺钉235(在所示实施例中为3个)穿过同心对齐的成对的孔239以将联接构件206锁定到外伸展构件204。

在一些实施例中，过滤器220、联接构件206和过滤器支撑套筒221的尺寸可以协同设计以产生紧密的零件间间隙以在组件之间形成摩擦配合，使得过滤器总成保持在一起并且在未安装到伸展构件204时是自支撑的。这允许预先组装过滤器总成并储存以便在需要时构建定制的模块化取样探测器200，以满足预期的特定取样场景。

从广义上讲，在已经提供并可用的预组装取样模块202的情况下，一种组装模块化取样探测器的方法包括：提供取样模块202，该模块包括一个过滤器，该过滤器被布置成当嵌入土壤中时与土壤接触；以及将所述取样模块的第一端联接到细长伸展构件204的第一端，其中所述取样模块和伸展构件共同形成适于在单个土壤深度处收集土壤水样的完整取样探测器。联接步骤可包括将形成在取样模块或伸展构件的第一端上的花键突起滑动地插入形成在取样模块或伸展构件的另一个的第一端上的花键槽中。

取决于正在组装的模块化取样探测器200的构造和长度，可以将附加的伸展构件204以与上述相同的方式固定到联接构件206的另一联接端231(图24中所示的左侧)。任何数量的伸展构件204和取样模块202都可以以这种方式组装以定制用于预期的特定土壤水取样方案的模块化取样探测器200。在所示的非限制性实施例中，模块化取样探测器200包括两个取样模块202和两个伸展构件204，其可用于在土壤中的两个不同深度处收集土壤水样。显然，可以选择伸展构件的长度以将取样模块202放置在期望的收集深度处。

一旦组装好所需的探测器配置和数量的取样模块202，就可以将锥形端封闭件290联接到探测器200的底部，并且可以将歧管壳体300使用此处之前描述的花键联接接口联接到探测器的顶端。在上述组装顺序期间的方便时间，可以将真空和滤液流导管250、251安装并被布置成穿过探测器200内部，并通过它们的端部流体在底部处联接到流突起263，而在顶部处联接到歧管壳体300内的管配件310的内管连接端312。然后将流导管250、251联接到配件310的外管联接端312和样本处理系统180的配件连接件，以完成取样探测器200与系统的流体联接。

值得注意的是，前述组装方法的步骤在生产完整的模块化取样探测器200的其他组装方法中可能顺序会变化。

可用于模块化取样探测器200的前述组件的代表性结构材料如下。不直接与收集的滤液接触的伸展构件206和端封闭件290可以由任何合适的非金属(包括聚合物，例如聚丙烯、聚乙烯(LDPE-低密度，HOPE-高密度))或金属材料(机加工/铸造金属)形成，具体取决于价格点和制造的可行性。优选地，与水样-滤液接触的材料优选是无腐蚀的和化学惰性的，以避免污染从土壤中提取的收集到的水样。因此，诸如过滤器支撑套筒221和联接构件206之类的取样模块202的组件可以由诸如聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯之类的注塑聚合物形成。内部真空和滤液流导管可以由化学插入的任何合适的刚性、半刚性或柔性非金属和金属材料形成，例如但不限于刚性不锈钢管道/管状件或柔性聚合物管状件，例如PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)等。惟一的限制是与土壤或取样水接触的所有材料最好是化学惰性的，因此限制了大多数内部取样模块组件和流导管使用大多数金属材料或环境变化材料(如尼龙)。使用上述标准为上述部件选择合适的材料完全在本领域技术人员的知识范围内。

现在将简要描述用于操作模块化土壤水取样系统的方法。在模块化取样系统的操作中，首先由真空装置通过真空流导管250将真空施加到取样模块202的水收集环223，例如通过以本申请前面所述的方式取决于用于真空源而启动真空泵32(例如参见图1)或喷射泵71(例如参见如图3)。环内的压力将小于探测器外部的水压，从而将可用的孔隙水通过过滤介质220吸入并过滤到环中，以在该过程中的此时收集水样-滤液。真空装置在探测器上产生真空后，在几个小时或长达10小时(取决于土壤类型)的过程中，土壤孔隙水和探测器的内部滤液收集环223之间的压力梯度使孔隙水流向水力传导率较高的区域。这在高粘土或有机质土壤中很重要，因为截留的水和养分不容易离开土壤。

在收集和过滤水样后，通过适当的阀和使用歧管壳体，可以使用真空泵32或喷射泵71施加负压或真空到滤液收集环223，以提取滤液以供以本申请先前描述的方式在样本处理子系统180中进行处理和分析。

图51-54描绘了被配置用于获得和分析土壤水样中的分析物的土壤水取样探测器的附加实施例。每个实施例中的不同方法用于收集样本和/或分析样本。每个实施例中的取样探测器可以具有相同的总体构造或形状，但在样本收集和分析装置方面存在差异，如下文进一步指出的。

参考图51-54，每个探测器400包括探测器纵向轴线LA，以及限定顶端402、底端404和在端部之间轴向延伸的周向延伸的侧壁406的大致细长主体。在一些实施例中，侧壁406可以是圆柱形的，具有圆形横截面；然而，可以使用具有多边形构造和横截面形状的其他形状的侧壁。底端404可以是锥形的以便于嵌入土壤S中。轴向延伸的内部空腔405形成在端部之间。每个探测器350大部分长度插入土壤S中，在所示的一些实施例中几乎所有长度都插入土壤S中，除了其顶端部分用于联接到设施封闭件40，该设施封闭件40容纳如本申请先前所述那样实施在每个取样站190的样本处理子系统180中的样本收集和分析设施(例如参见如图1)。

图51和52描绘了包括用于从土壤中收集孔隙水样的至少一个芯吸构件410的取样探测器400。芯吸构件410包括外部411和内部412。外部411与土壤S直接接触，用于通过毛细作用从土壤中吸引和吸取孔隙水。外部411可以通过任何合适的固定构件414固定到侧壁406，该固定构件例如可以是但不限于夹子(例如参见如图51)，线缆扎带(例如参见如图52)，或其他合适的方式。可以以轴向隔开的间隔设置多个固定构件。优选地，在一些实施例中，选择固定构件以保持当探测器插入土壤中时，芯吸构件410完好无损并在取样探测器400的外部就位。在一些实施例中，一个或多个纵向延伸的外部通道415可以可选地凹入探测器主体的侧壁406中，以使芯吸构件410紧邻其中，以防止在将探测器400插入土壤中时被移出。通道415可与任何合适的固定构件414(例如参见图55)结合使用。

在一种布置中，每个芯吸构件410可以竖直定向并且沿着取样探测器400的纵向轴线LA的方向延伸。芯吸构件可以通过取样探测器的侧壁406中的进入孔413进入探测器的空腔405。芯吸构件的内部412可以在探测器内部竖直延伸一段长度。

在图51中，示出了一对芯吸构件410，其在靠近样本收集容器420或在样本收集容器420内部的其底端处终止于腔405内。容器420通过毛细作用收集通过芯吸构件传输的土壤孔隙水，该毛细作用滴落或以其他方式沉积在容器中。在一些实施例中，收集容器可以设置在取样探测器400的下半部。可以使用任何合适的形状或尺寸的容器。在一个非限制性实施例中，用于测量存在于容器420内的收集的孔隙水中的分析物的吸光度或浓度的水样分析装置424可以包括UV(紫外光)检测。

紫外光检测装置可以包括紫外光发射器或辐射器421，其通过容器420的一侧照射光谱的UV端的光束，容器420优选是透明的或半透明的。位于容器另一侧的紫外光接收器或检测器422测量吸光度以确定水样中分析物的浓度。紫外光检测装置可操作且可通信地联接到可编程探测器控制器60，该可编程探测器控制器60位于取样探测器400头部的设施封闭件40内(也参见图1)。紫外光可以在100-400nm的波长范围内。目标分析物将决定所使用的紫外光的波长。例如，对于硝酸盐的检测，可以使用UVC波长范围(100-280nm)，在用于测量吸光度或反射率的一个非限制性实施方案中优选约210-270nm。本申请先前描述的其他类型的水样分析装置可用于测量水样中的分析物。一个这样的例子是使用一着色试剂(例如液体或薄膜形式)预先灌注容器的内部，该着色试剂在试剂存在时改变水样的颜色。然后通过检测装置测量样本的吸光度或颜色强度以确定分析物的浓度。用于测量分析物浓度的其他示例包括但不限于采用位于取样探测器400内部的一次性化学指示装置(测试条、交换树脂等)并测量UV反射率的颜色测量技术。

图52示出了单个芯吸构件410和包括发射器421和检测器422的UV检测型水样分析装置424。在这个实施例中，紫外光检测装置被配置和被布置成测量直接离开芯吸构件410的UV反射率。该应用可使用具有矩形横截面形状的横向加宽或扁平型芯，以在芯上提供更多横向加宽的表面积，来更好地反射由检测器422拾取的紫外光。发射器和检测器421、422都可以安装在单个电路板423上，该电路板423位于与芯吸构件410的内部412相对的芯底端上方的某处。当它沿着并通过芯吸构件流动时，紫外光检测装置测量润湿芯吸构件410的反射率和伴随的吸光度。因此，在该实施例中不需要样本收集容器。样本水可以从芯吸构件的底部滴落并直接在底部收集在取样探测器400内。紫外光检测装置可操作且可通信地联接到可编程探测器控制器60，该可编程探测器控制器60位于取样探测器400头部的设施封闭件40内(也参见图1)。

芯吸构件410可以由任何合适类型的芯吸材料形成并且可以具有任何合适的横截面形状，包括多边形或非多边形形状(例如，圆形、矩形、正方形等)。也可以使用诸如由亲水性聚醚砜(PES)或其他芯吸型膜材料形成的膜型芯。所选择的芯吸构件材料优选使用毛细作用来输送流体，例如土壤孔隙水样。所选择的芯吸材料的类型和芯吸构件410的设计可用于控制由芯吸构件收集的样本水的液体体积容量和流体传导流速。可以使用亲水型和疏水型芯吸材料。可用于芯吸构件410的合适材料的一些非限制性示例包括但不限于棉、毡、玻璃纤维、热塑性材料、多孔塑料(例如，聚乙烯、聚丙烯等)、多孔陶瓷和合成材料纤维(例如人造丝、聚酯、粘胶纤维等)。芯吸构件410的材料、尺寸和形状不限制本发明。

图53示出了取样探测器400的实施例，其通过位于探测器侧壁406中的透明取样窗口430直接测量土壤中的目标分析物。在一种实施方式中可以使用包括发射器421和检测器422的UV检测型水样分析装置424。土壤S与窗口430直接接触。紫外光通过窗口430透射到与取样探测器400相邻的湿润土壤中。检测器422以与上述相同的方式测量反射率以确定土壤中存在的分析物的浓度。紫外光检测装置可操作地并可通信地联接到位于取样探测器400头部处的设施封闭件40内的可编程探测器控制器60(也参见图1)。

图54示出了取样探测器400的实施例，其通过包括颜色指示转盘440的水样分析装置424测量土壤水样中的目标分析物。转盘440包括围绕转盘的主体周向间隔开的多个颜色指示条或色块441。用变色剂或试剂对色块441进行预处理，以在被含有特定目标分析物(例如硝酸盐、钾、磷酸盐等)的土壤孔隙水样润湿时改变颜色。转盘驱动电机442以编程到可编程探测器控制器60中的预定速度围绕旋转轴RA旋转转盘，该可编程探测器控制器60形成可操作地联接到转盘和水样分析装置424的样本处理子系统的一部分。如图所示，在一些实施例中，旋转轴RA可以是垂直定向的，然而，在其他实施例中，旋转轴可以是水平的处于或垂直与水平之间的一定角度处。

分析装置424被配置为在转盘440连续旋转时读取和测量色块441的颜色强度。颜色强度与分析物的特定浓度相关。可以使用任何合适的市售颜色检测装置，例如但不限于数字色度计或分光光度计或其他装置。转盘440承载的色块441可以通过本申请公开的任何水样收集装置(例如参见图47-52)用土壤水样进行湿润，这些水样收集装置被配置为将收集的孔隙水引导到色块上。在非限制性示例中，示出了多孔过滤器或介质26，其通过取样探测器400侧面的开口(例如侧壁406)与土壤直接接触。介质26可以由芯吸材料(例如上面描述的在土壤中吸取和吸收孔隙水的那些)制成(参见定向水流箭头27)。转盘440可以与介质26直接接触，使得当转盘旋转时颜色指示色块441被介质26中的水润湿。一个多孔介质26可以是如图所示的转盘的一侧，并且颜色检测分析装置424可以在另一侧(与装置相邻或相对侧)上。

尽管前面的描述和附图代表了一些示例系统，但是应当理解，在不背离所附权利要求的精神和范围以及等效物范围的情况下，可以在其中做出各种添加、修改和替换。特别地，本领域技术人员将清楚，本发明可以在不背离其精神或基本特征的情况下，以其他形式、结构、布置、比例、尺寸以及其他元素、材料和组件来实施。此外，可以对本申请所述的方法/过程进行多种变化。本领域的技术人员将进一步理解，本发明可以与结构、布置、比例、尺寸、材料和组件的许多修改一起使用，并且以其他方式用于本发明的特别适用于不背离本发明的原理的特定环境和操作要求的实践中。因此，当前公开的实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，并且不限于上述描述或实施例。相反，所附权利要求应被广义地解释为包括本发明的其他变体和实施例，其可由本领域技术人员在不背离本发明等价物的范围和范畴的情况下作出。

Claims (60)

1.一种用于收集和分析土壤水样的系统，包括：

样本探测器，其包括过滤介质，该过滤介质被布置成在嵌入土壤中时接触土壤，所述样本探测器被配置用于从土壤中收集水样；

样本处理子系统，其位于所述样本探测器的近侧，所述处理系统可操作地联接到所述样本探测器并被配置为提取和分析水样中的至少一种分析物。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述样本处理子系统包括基于处理器的探测器控制器，所述探测器控制器被配置为引导所述子系统的操作。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述探测器控制器被配置为与限定中央控制器的远程电子装置通信。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述样本处理子系统包括：真空装置，其用于在所述样本探测器中产生真空以从土壤提取水样；以及水样分析装置，其用于测量分析物在水样中的浓度。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述水样分析装置选自由色度计、离子选择电极和离子交换树脂组成的组。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括用于收集样本的带。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述带还包括收集样本的测试垫。

8.根据权利要求7所述的系统，还包括至少覆盖所述测试垫的可移除膜。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其中所述带可移动地设置在盒中。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述盒包括能操作以分配所述带的带驱动机构。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述带缠绕在惰轴和可操作地联接到所述驱动机构的驱动轴上，所述驱动机构能操作以将连续长度的带从所述驱动轴进给到所述惰轴。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中当所述驱动机构被操作时，所述带的有效测试部分围绕布置在所述取样探测器内部的一对引导轴被可移动地引导。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述有效测试部分位于所述盒的外部并且定位成通过所述取样探测器的窗口暴露于土壤。

14.根据权利要求6至12中任一项所述的系统，还包括活塞，所述活塞被配置为将所述带移动到所述样本探测器中的窗口中。

15.根据权利要求6至14中任一项所述的系统，还包括色度计，所述色度计设置为分析所述带上的土壤样本。

16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括：

水系统，其包括位于靠近所述样本探测器的容纳取样水的水罐，所述水系统被配置为润湿所述探测器周围的土壤。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述水系统包括与所述水罐流体地联接的分配管，所述分配管被配置成在邻近所述过滤介质的土壤附近分配取样水。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述分配管布置在所述探测器的外部。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述分配管布置在所述探测器内部。

20.一种用于收集土壤水样的模块化取样探测器，包括：

至少一个取样模块，其包括过滤器，该过滤器被布置成当嵌入土壤中时与土壤接触，所述取样模块被配置并能操作以从土壤提取和过滤水样；以及

至少一个伸展构件，其在第一接头处与所述至少一个取样模块联接。

21.根据权利要求20所述的取样探测器，其中所述第一接头是防旋转花键接头，其包括在所述至少一个伸展构件或所述至少一个取样模块上的外花键联接器，以及在所述至少一个伸展构件或所述至少一个取样模块中的另一个上的内花键联接器。

22.根据权利要求20或21所述的取样探测器，其中所述至少一个伸展构件通过具有第一组花键的第一联接构件可拆卸地联接到所述取样模块，所述第一组花键可滑动地接合形成在所述至少一个伸展构件中的配对的第一组花键槽，并且第一联接构件还具有第一组键，其可滑动地接合形成在过滤器支撑套筒上的配对的第一组键槽，该过滤器支撑套筒支撑过滤器。

23.根据权利要求22所述的取样探测器，其中所述第一组键形成在所述过滤器支撑套筒的贯穿通道中。

24.根据权利要求22或23所述的取样探测器，其中所述过滤器具有中空圆柱形状，其被可滑动地接纳在所述过滤器支撑套筒的管状体上。

25.根据权利要求20或24所述的取样探测器，其中所述过滤器支撑套筒包括第一平联接端和相对的第二外花键联接端，而所述第二外花键联接端包括第二组花键突起。

26.根据权利要求25所述的取样探测器，其中所述过滤器支撑套筒的所述第二组花键突起被配置为可滑动地接合形成在第二伸展构件上的配对的第二组花键槽，所述第二伸展构件在第二接头处联接到所述至少一个取样模块。

27.根据权利要求26所述的取样探测器，还包括锥形端件，所述锥形端件在第三接头处与所述第二伸展构件联接。

28.根据权利要求20-27中任一项所述的取样探测器，还包括在内部延伸穿过所述至少一个取样探测器和所述至少一个伸展构件的真空流导管和滤液流导管。

29.根据权利要求28所述的取样探测器，其中所述真空流导管能操作以在所述过滤器上抽真空以收集土壤水样。

30.根据权利要求28-29中任一项所述的取样探测器，其中所述真空和滤液流导管流体地联接到流歧管壳体，所述流歧管壳体联接到所述至少一个伸展构件。

31.根据权利要求20-30中任一项所述的取样探测器，其中所述至少一个伸展构件具有限定内部通道的管状构造。

32.一种用于组装和使用根据权利要求20所述的模块化土壤取样探测器的方法，所述方法包括：

提供所述至少一个取样模块，所述取样模块是第一取样模块；以及

将所述第一取样模块联接到所述至少一个伸展构件，所述伸展构件是第一伸展构件，所述第一取样模块和第一伸展构件共同形成所述取样探测器。

33.根据权利要求32所述的方法，还包括将第二取样模块联接到所述第一伸展构件，所述第二取样模块与所述第一取样模块相同。

34.根据权利要求32或33所述的方法，还包括将所述第一取样模块联接到第二伸展构件。

35.根据权利要求32所述的方法，其中将所述第一取样模块联接到所述第一伸展构件的步骤还包括将设置在所述第一取样模块或第一伸展构件上的外花键突起可滑动地插入设置在所述第一取样模块或第一伸展构件中的另一个上的内花键槽中。

36.根据权利要求35所述的方法，其中所述第一取样模块通过第一联接构件可拆卸地联接到所述第一伸展构件，该第一联接构件具有第一组花键，其可滑动地接合形成在所述第一伸展构件上的配对的第一组花键槽。

37.根据权利要求36所述的方法，还包括将形成在所述第一联接构件上的键与形成在支撑所述过滤器的过滤器支撑套筒上的配对的键槽可滑动地接合。

38.根据权利要求37所述的方法，还包括将设置在所述过滤器支撑套筒上的外花键可滑动地插入设置在第二伸展构件上的第一组内花键槽中。

39.根据权利要求37或38所述的方法，其中可滑动地接合的步骤在所述过滤器和所述支撑套筒之间形成滤液收集环。

40.根据权利要求39所述的方法，还包括以下步骤：将所述取样探测器植入土壤中，对所述滤液收集环抽真空，以及通过所述过滤器从所述土壤中提取收集在所述滤液收集环中的水样。

41.根据权利要求38所述的方法，还包括通过将所述端件上的外花键与所述第二伸展构件上的第二组内花键槽可滑动地接合，将所述第二伸展构件联接到锥形端件。

42.根据权利要求36-41中任一项所述的方法，还包括通过将所述壳体上的外花键与所述第一伸展构件上的第二组内花键槽可滑动地接合将流歧管壳体联接到所述第一伸展构件。

43.根据权利要求32-42中任一项所述的方法，其中所述第一伸展构件具有管状主体，所述管状主体限定了从一端到另一端开口的内部通道。

44.根据权利要求43所述的方法，还包括通过所述第一伸展构件的内部通道在内部布置真空管和滤液管。

45.一种用于收集和分析土壤水样的系统，包括：

取样探测器，其被配置用于嵌入土壤中；

至少一个芯吸构件，其包括被布置成接触土壤并采集水样的第一部分，以及位于探测器内的第二部分，所述芯吸构件由芯吸材料形成，所述芯吸材料被构造成通过毛细作用从土壤中提取和输送采集到的水；

水样分析装置，其被配置为测量存在于由芯吸构件采集到的水样中的分析物。

46.根据权利要求45所述的系统，还包括位于所述取样探测器d近侧的可编程样本处理子系统，所述处理系统可操作地联接到所述水样分析装置并且被配置为接收由所述水样分析装置发送的所述分析物的浓度测量值。

47.根据权利要求45或46所述的系统，其中所述水样分析装置为紫外光检测装置。

48.根据权利要求47所述的系统，其中所述紫外光检测装置包括：发射器，其被配置为向所述水样发射紫外光；以及检测器，其被配置为通过吸光度或反射率测量所述水样中的分析物。

49.根据权利要求48所述的系统，其中所述紫外光检测装置被配置为使紫外光通过所述水样并通过吸光度测量所述分析物。

50.根据权利要求49所述的系统，还包括样本收集容器，所述样本收集容器设置在所述取样探测器内部，用于收集由所述芯吸构件沉积的水样。

51.根据权利要求48所述的系统，其中所述紫外光检测装置被配置为通过直接离开所述芯吸构件的紫外光的反射率来测量所述分析物。

52.一种用于收集和分析土壤水样的系统，包括：

取样探测器，其被配置用于嵌入土壤中；

取样窗，其设置在取样探测器上并与取样探测器外侧的土壤直接接触；和

水样分析装置，被配置为通过取样窗向土壤发射紫外光并测量来自土壤的紫外光的反射率，以测量存在于土壤的孔隙水中的分析物。

53.根据权利要求52所述的系统，其中所述水样分析装置包括：发射器，所述发射器被配置为通过所述取样窗向所述土壤发射紫外光；以及检测器，所述检测器被配置为通过所述紫外光的直接从孔隙水中的反射率来测量所述孔隙水中的分析物。

54.根据权利要求52或53所述的系统，还包括可编程样本处理子系统，其位于所述取样探测器的近侧，所述处理系统可操作地联接到所述水样分析装置并且被配置为接收由所述水样分析装置发送的所述分析物的浓度测量值。

55.一种用于收集和分析土壤水样的系统，包括：

取样探测器，其被配置用于嵌入土壤中；

可旋转转盘，其设置在取样探测器内部，该转盘包括沿周向布置的多个颜色指示色块；

样本收集装置，其用于从土壤中收集水样并润湿颜色指示色块；

其中所述色块能操作以在土壤水样中存在分析物的情况下改变颜色。

56.根据权利要求55所述的系统，还包括水样分析装置，所述水样分析装置被配置为通过检测所述色块的颜色来测量所述分析物的浓度。

57.根据权利要求56所述的系统，其中所述水样分析装置为数字色度计或数字分光光度计。

58.根据权利要求55-57中任一项所述的系统，还包括马达，其能操作以旋转所述转盘。

59.根据权利要求55-58中任一项所述的系统，还包括可编程样本处理子系统，其位于所述取样探测器的近侧，所述处理系统可操作地联接到水样分析装置并且被配置为接收由水样分析装置发送的分析物的浓度测量值。

60.根据权利要求59所述的系统，其中所述样本处理子系统包括可编程控制器，所述可编程控制器被配置为以预编程的速度旋转所述转盘。

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