CN1441250A - 测量基质水势的装置 - Google Patents

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Abstract

用参照体测量物质中的基质水势，参照体是由纤维束组成，纤维束是由单一纤维通过挤压，纺织或旋绕而作成的。在纤维直径给定的情况下，纤维束的孔隙度(孔隙体积和孔洞直径)也给定，不因水分和机械作用影响而改变。因此，用这种纤维束做成的参照体具有稳定的含水量和水势之间的关系。通过测定参照体中的含水量将可测量和参照体有接触的物质的基质水势。

Description

测量基质水势的装置
技术领域
本发明是一个关于测量物质中基质水势的装置。
背景技术
物质(譬如土壤)中的水分会受到各种外力作用，这种力表现为物质和水分之间的压力或者张力。如果是压力，则取正值，反之为负值。基质水势是物质和水分相互作用力的其中之一。它相当于在等温，等压的情况下，从物质中提取单位水及其溶解物到一个给定的高度所需要的能量。
DE11151 A1公开了一种可用于测量基质水势的仪器。此仪器主要是由一个管状的不透气的测量室组成。使用前测量室灌满水。插入土壤以后，受土壤基质水势作用，水通过可透水的外壁部分外渗。水分的损失使小室内部产生可测的负压，这个负压值便是土壤中的基质水势。
DE-OS 16 73 046中公开了一种可用于测量土壤湿度的装置。此仪器具有一个可插入土壤的测量室，室中含有电极，电极通过已知孔隙度的电介质间隔。电极之间的电容量通过相应的电路测出，其大小取决于使用的电介质的种类。由于土壤中的水分向电介质中渗入，使得决定电介质电容的介电常数发生改变。这个可测的电容的变化被看为一种反应土壤湿度的参数。在测量室中优先使用的电介质是陶瓷。
在DE-OS 2004 142中公开了一个测量土壤湿度的装置。此装置用石英沙作为电介质，测量电容器的电极置于其中。电容量的测量特别是由一个内部棒式电极和一个绕其旋转的螺旋式第二电极来完成的。棒式电极置于粉末状电介质中。建议优先使用的电介质是氧化铝粉末或石英沙粉末。
EP0232 566 A1公开了一个测量湿度张力的装置。此装置利用一个电容式传感器测量一种由细球状，直径小于100μm的颗粒组成的，和土壤接触的材料的介电常数，此介电常数和湿度张力的关系已知。通过测量此材料的介电性能便可测量湿度张力。
DE196 29 745 C2和US005898310A公开了一个测量土壤基质水势的方法。一个具有两个埋入电介质的电极的测量室插入被测土壤。此电介质中含水量和基质水势的关系预先已知。通过测量电介质中的含水量即可测得土壤中的基质水势。
论文“A new soil matric potential sensor based on time domainreflectometry＂(Dani Or and Jon M.Wraith：Water Resources Research，Vol.35，No.11，Pages 3399-3407，November 1999)介绍了一个装置。此装置通过用TDR传感器测量处于土壤中的多孔陶瓷的含水量来测定土壤中的基质水势。
专业人员知道，基质水势在农林业，在环境监测，在灌溉控制以及建筑保护中有比土壤含水量更重要的意义。土壤中水分对植物的有效性，在土壤及其他物质中水分的运动，不是取决于其中的含水量，而是从根本上取决于基质水势。基质水势提供判断物质干旱程度的直接标准。
不管土壤性质如何，大部分植物在基质水势小于-1500kPa的情况下几乎没有生存的可能。但是，如果只知道土壤的含水量为10％，就无法判断，植物是受旱还是受涝。因为其他土壤性质，如颗粒大小，比重等等，也影响土壤水分对植物的有效性。
DE196 29 745 C2中描述的装置和“A new soil matric potential sensorbased on time domain reflectometry＂(Dani Or and Jon M.Wraith：WaterResources Research，Vol.35，No.11，Pages 3399-3407，November 1999)中介绍的仪器有一个共同的出发点：处在土壤中的参照体的基质水势和土壤中的基质水势相同。测得参照体中的基质水势，便测得土壤的基质水势。因为在参照体中，基质水势和含水量之间有一固定关系，所以，通过测量参照体中的含水量，便可测得土壤的基质水势。
在DE196 29 745 C2和US005898310A中公开的装置中，没有具体给出参照体的结构。实践表明，参照体的结构对测量仪器的质量有决定性的影响。并不是每个结构都可行。多孔陶瓷中的孔洞不是全部畅通(有底孔)，互相连接不良。用多孔陶瓷作为参照体，如果水分从外面渗入，有可能将空气封闭在孔洞中，形成气泡。在失水过程中，由于孔洞直径不一，会产生水线断裂。因此，用多孔陶瓷作为参照体测量基质水势，反应慢，滞后严重。
用不同直径的小圆球做的参照体有孔径和孔隙体积不稳定的缺点。因为水分运动会改变参照体中小圆球之间的相互位置，由此造成孔隙体积和孔径的变化。因此，小圆球做的参照体中的含水量和水势之间没有长期稳定的关系。用这种参照体制作的仪器不能稳定工作。
发明内容
本发明的任务是，给出一中具有长期稳定的水势和含水量之间的关系的，能够快速对测量对象的基质水势作出反应的参照体。
本发明的任务是通过以下方式完成的，参照体是由纤维，特别是具有圆截面的纤维构成。多个单根纤维通过挤压，纺织或缠绕成束。这种纤维束的孔隙度(孔径，孔隙体积)不因水势或其他外力作用而改变，其含水量和基质水势的关系稳定。而且，所有的孔全部畅通，互相连接，气泡不会因水分进入而被封闭其中。
本发明给定的装置具有稳定的孔隙度(孔隙的体积及孔径大小)，从而也具有稳定的含水量和基质水势之间的关系。所有孔隙互相连接，端头不封闭。用这种材料做成的参照体对外部水势变化反应灵敏，工作稳定。
附图说明
以下按照插图给出此发明，及其优先制作的方式。插图的标题：
图1：简图：按本发明用棒式电极测量参照体中含水量的可能性之一；及放大图：按本发明参照体的结构可能性之一
图2：简图：按本发明用棒式和圆筒式电极测量参照体中含水量的可能性之一
图3：简图：按本发明用板式电极测量参照体中含水量的可能性之一
图4：简图：按本发明用测量体积或膨胀压力来测量参照体中含水量的可能性之一
图5：简图：按本发明用光学原理来测量参照体中含水量的可能性之一
具体实施方式
图1简示本发明一种可能的结构。此装置由一个参照体(1)和一个测量参照体中含水量的装置(2)以及一个收集和处理测量数据的单元(4)，其中单元(4)通过有线或无线方式(5)与测量装置(2)连接。
参照体(1)由纤维束(图2：11，12)组成。纤维束由单一的纤维通过挤压，纺织或缠绕固定在一起。同一纤维束中的单一纤维(13，14)具有相同直径，表面互相接触。不同纤维束中的单一纤维的直径可以不同。单一纤维之间形成孔隙(15，16)，这种孔隙可以吸收水分，具有稳定开放的结构。
单一纤维做成束并互相平行有一定优点，因为这样形成的孔隙最小，最稳定。如果单一纤维不互相平行，必须严格固定，以保证在水的影响下参照体的结构长期稳定。
单一纤维(13，14)特别是由亲水性材料构成，可以是玻璃，塑料，金属或陶瓷。
为了提高参照体的吸水能力，单一纤维可以是中空的。孔洞的截面可以是圆形，也可以是其他形状。
参照体外置一个具有透水能力的网(3)，以避免参照体受损害。如果参照体中的含水量是用电磁方法测量，用金属网有好处，这样可以屏蔽电磁波，将含水量的测量只限制在测参照体中，避免外部水分的干扰。
通过组合具有不同单一纤维直径的纤维束(11，12)可以构成具有不同孔隙度(孔隙的体积和孔隙的直径)的参照体。从而做成具有不同含水量和基质水势关系的参照体。通过这种方式，可个性适用不同测量范围和测量精度的要求。
参照体中的含水量的测定，可以用不同方法和装置来实现。用电磁波，中子射线，电导率，膨胀压力，体积，核磁共振，重力，光反射，热容量等方法和参数测量含水量是众所周知的。
电磁波在物质中的传输受物质的含水量影响。一系列测量含水量的方法都是按照这个原理工作的。譬如Time Domain Reflectometry(TDR)，Frequency Domain Reflectometry(FDR)，以及测量介电常数。这些方法所用的频率从无线广播到远红外不等。
用电磁波，中子射线，电导率测量参照体中的含水量，可以按照图1，2，和3给出的结构设置。其中电极数量和形式可根据测量技术要求而设置。
参照体中含水量的变化会引起参照体的体积变化。所以，参照体中的含水量也可以通过测量参照体的压力或体积来实现。图4给出在这中情况下的一中可能的设置方式。将参照体(1)装入不变形，最少一部分外壁可透水的容器(82)。参照体的体积变化通过传递装置(84，81)直截传到压力传感器(83)。压力传感器(83)记录参照体的体积变化，并将测量结果通过传输系统(5)送入数据存贮器。在压力传感器的位置上也可以装上位移传感器，这样便可通过测量体积变化而测量参照体中含水量的变化。
此外，参照体中的含水量的变化也可以通过光学方法来测量。图5是一种可能的设置方式。光束(7)照射参照体(1)，反射光束(8)回到测光原件。
测量参照体中含水量的方法很多。即便这儿没有给出，对一般专业人员来说不成问题，将这儿给出的参照体同含水量测量装置结合起来，用以测定基质水势。

Claims (10)

1.利用测含水量的装置和参照体测量物质的基质水势的装置，在其中的参照体中含水量和基质水势的关系已知，参照体和测量目标接触，参照体允许水分进入，其特征是，参照体最少有一段是由无孔纤维组成。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征是：参照体至少由三根互相密切接触，端面圆形的纤维组成。
3.按照权利要求1，2所述的装置，其特征是：纤维丝互相平行。
4.按照权利要求1到3所述的装置，其特征是：纤维是由亲水材料构成，优先考虑的材料是玻璃或塑料。
5.按照权利要求1到4所述的装置，其特征是：纤维丝的直径小于80微米(μm)。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征是：参照体中的含水量通过使用电磁波(Time Domain Reflectometry(TDR)，Frequency DomainReflectometry(FDR))测定的。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征是：参照体中的含水量是通过测量参照体的电导系数而测定的。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征是：参照体中的含水量是通过测量参照体的膨胀压力或体积变化而测定的。
9.按照权利要求1所述的装置，其特征是：参照体中的含水量是通过测量中子射线在参照体中的衰减率而测定的。
10.按照权利要求1所述的装置，其特征是：参照体中的含水量是通过参照体表面的反光性能而测定的。
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