CN203705381U - 一种测量土壤容重的探头 - Google Patents

Abstract

一种测量土壤容重的探头，包括探针手柄（1），垂直穿过并固定在探针手柄（1）上的第一温度探针（2），加热探针（3）和第二温度探针（4），加热探针（3）内部装有由绝缘电阻丝制作的线性热源和一个位于中部的E型热电偶；第一温度探针（2）和第二温度探针（4）内部中间装有E型热电偶，75Ω的同轴电缆线（5）的中心铜线焊接在加热探针（3）外的钢管上端部位，同轴电缆线（5）外围的网状导电层分成等量两股，分别焊接在第一温度探针（2）和第二温度探针（4）的钢管上方；该探针能提高探头的测量精度。

Description

一种测量土壤容重的探头

技术领域

本实用新型涉及一种土壤测量装置，特别涉及一种测量土壤容重的装置。

背景技术

土壤容重指单位容积土壤中固体的重量，是反映土壤紧实度和孔隙状况的重要物理性状。作物根系在土壤中的分布及其对水分养分的吸收、土壤微生物的活性、土壤中水分和气体的运动和交换过程、土壤机械性能（包括收缩性、耕性和团聚体稳定性等）、污染物在土壤中的迁移和转化以及土壤径流和侵蚀过程等都与土壤容重有密切的关系。测定土壤容重的技术较多，传统测量土壤容重的方法有环刀法，蜡封法等，简便易行且精准度较高。但由于土壤特性的空间变异性，需要较大数目的样品方可得到具有代表性的观测值。同时，田间采样费时费力，对土壤破坏严重，对同一地点不可重复取样测定，难以实现定位观测。γ射线技术测量土壤容重则具有对土壤结构影响轻微、测定迅速、可以进行连续定点测定等优点，但测定时的标定需求以及不可避免的辐射危害限制着其在科研和生产中的广泛应用。20世纪80年代出现的时域反射技术(Time Domain Reflectometry,TDR)实现了土壤含水量和电导率的实时定位监测，在土壤水分空间变异性和溶质运移研究中得到了广泛应用。近年来，随着数据采集技术和计算机技术的发展，热脉冲技术越来越多地被应用于土壤热导率、容积热容量和热扩散系数的测定。与其它技术相比，TDR技术和热脉冲技术具有测定快速、对土壤结构影响轻微和自动化程度高等优点。目前已出现了将热脉冲技术与时域反射技术相结合的热脉冲一时域反射技术(Thermo-TDR)，利用热脉冲技术得到土壤热容量，利用时域反射技术得到同体积土壤上的含水量。实现了同一位置、相同体积土壤上含水量、电导率、温度、容积热容量、热导率和热扩散系数的连续定位测定。

然而，目前的Thermo-TDR探头的探针较细，直径只有1.3毫米，间距较小，约为6毫米，而长度为40毫米，研究表明，容积热容测量中探头间距(r)的误差是影响热脉冲技术测定结果的关键因子，也是该传感器测定土壤容重的误差原因所在。当探头插入土壤时，两根探针间的距离往往会发生一定变化，导致实际（r）值发生变化进而带来容重的测定误差。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种优化的Thermo-TDR探头，该探头可减少容重的测定误差。

为了达到本实用新型的目的所采用测量土壤容重的探头，包括探针手柄1，垂直穿过并固定在探针手柄1上的第一温度探针2，加热探针3和第二温度探针4，所述第一温度探针2，加热探针3和第二温度探针4在基板上的垂直投影在一条直线上，加热探针3处在第一温度探针2和第二温度探针4的中间，所述探针为一端带尖的钢管，加热探针3内部装有由绝缘电阻丝制作的线性热源和一个位于中部的E型热电偶。第一温度探针2和第二温度探针4内部中间装有E型热电偶，在上述各探针内部充满高热导率材料，75Ω的同轴电缆线的中心铜线焊接在加热探针3外的钢管上端部位，同轴电缆外围的网状导电层分成等量两股，分别焊接在第一温度探针2和第二温度探针4的钢管上方。同轴电缆线连接于电缆测试仪，热源和直流电源连接，热电偶则与数据采集仪连接。所述三个探针直径均为2毫米，加热探针3与第一温度探针2以及第二温度探针4之间的距离均为8毫米，探针顶端与探针手柄1的距离均为40毫米。

所述固定钢管所用的探针手柄由环氧树脂组成。

所述绝缘电阻丝直径为75微米，材料为镍铬电阻合金，电阻丝规格为221.9Ωm^-1，电阻丝长度为80毫米。

所述环氧树脂材料为聚氯乙烯。

本实用新型的探针具有以下优点：

1.探针直径加粗，减少了探头插入土壤时探针间距r的变化，消除了实际（r）值发生变化进而带来容重的测定误差的影响；

2.探针采用一端带尖的钢管，减少探头对土壤的扰动且更容易插入土壤；

3.增加探头长度，提高TDR测量含水量的准确性；

4.探头间距相应增大，满足了线性热源的要求。

附图说明

图1为根据本实用新型的测量土壤容重的探头的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的测量土壤容重的探头做进一步说明。如图1所示，本实用新型的测量土壤容重的探头包括探针手柄1，探针手柄1的材料为聚氯乙烯。垂直穿过并固定在探针手柄1上的第一温度探针2，加热探针3和第二温度探针4，所述第一温度探针2，加热探针3和第二温度探针4在基板上的垂直投影在一条直线上，加热探针3处在第一温度探针2和第二温度探针4的中间，探针为一端带尖的钢管，固定钢管所用的探针手柄由环氧树脂组成。

加热探针3内部装有由绝缘电阻丝制作的线性热源6和一个位于中部的E型热电偶7。绝缘电阻丝直径为75微米，材料为镍铬电阻合金，电阻丝规格为221.9Ωm^-1，电阻丝长度为80毫米。制作时，将热电偶和电阻丝放入各个不锈钢管中，热电偶位置均为距手柄底端20mm处，加热电阻丝按照加热针长度形成四折。

第一温度探针2和第二温度探针4内部中间装有E型热电偶，在上述各探针内部充满高热导率材料，75Ω的同轴电缆线5的中心铜线焊接在加热探针3外的钢管上端部位，同轴电缆外围的网状导电层分成等量两股，分别焊接在第一温度探针2和第二温度探针4的钢管上方。同轴电缆线连接于电缆测试仪，热源和直流电源连接，热电偶则与数据采集仪连接。通过对热脉冲技术测定土壤热容量和TDR技术测定土壤含水量的理论分析，改进了原Thermo-TDR探头设计，为了减少探头插入土壤时探针间距r的变化，所述三个探针直径均为2毫米，为满足线性热源的要求，探头间距相应增大，具体而言，加热探针3与第一温度探针2以及第二温度探针4之间的距离均为8毫米，同时，为了提高TDR测量含水量的准确性，增加探头了长度，三个探针顶端与探针手柄之间的距离均为40毫米。

使用该探头的传感器的工作过程为：将该探头匀力插入土壤中，将同轴电缆，热电偶和加热丝引线分别与电缆测试仪、数据采集仪、直流电源（在田间使用时，用12V稳压电池代替）以及继电器相连。数据采集仪在设定时间向中部探针提供8-20秒热脉冲，并记录通过线性热源的电流以及两侧探针的温度变化。加热能量的大小根据土壤含水量调节，将数据采集器中的数据转移到计算机中。通过利用Matlab软件对温度感应针监测得到的温度升高变化进行分析，结合基本的热传导理论，反求计算得出土壤的热特性。同时，利用PCTDR软件直接读取其反射率随距离的变化图像，利用Topp等公式直接得到土壤含水量。最后，利用土壤容积热容量与含水量的关系，进一步得到土壤容重数据。

应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种测量土壤容重的探头，包括探针手柄（1），垂直穿过并固定在探针手柄（1）上的第一温度探针（2），加热探针（3）和第二温度探针（4），所述第一温度探针（2），加热探针（3）和第二温度探针（4）在探针手柄（1）上的垂直投影在一条直线上，加热探针3处在第一温度探针2和第二温度探针4的中间，其特征在于：

所述三个探针（2,3,4）为一端带尖的钢管，加热探针（3）内部装有由绝缘电阻丝制作的线性热源（6）和一个位于钢管中部的E型热电偶（7）；第一温度探针（2）和第二温度探针（4）内部中间装有E型热电偶（7），在上述三个探针（2,3,4）内部充满高热导率材料，75Ω的同轴电缆线（5）的中心铜线焊接在加热探针（3）外的钢管上端部位，同轴电缆线（5）外围的网状导电层分成等量两股，分别焊接在第一温度探针（2）和第二温度探针（4）的钢管上方，同轴电缆线连接于电缆测试仪，线性热源（6）和直流电源连接，E型热电偶（7）与数据采集仪连接；所述三个探针（2,3,4）直径均为2毫米，加热探针（3）与第一温度探针（2）以及第二温度探针（4）之间的距离均为8毫米，所述三个探针（2,3,4）顶端与探针手柄1的距离均为40毫米。

2.根据权利要求1所述的探头，其中所述固定钢管所用的探针手柄（1）由环氧树脂组成。

3.根据权利要求1所述的探头，其中所述绝缘电阻丝直径为75微米，材料为镍铬电阻合金，电阻丝规格为221.9Ωm^-1，电阻丝长度为80毫米。

4.根据权利要求2所述的探头，其中所述环氧树脂材料为聚氯乙烯。