CN205785332U - 一体化遥测稻田水分水位监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一体化遥测稻田水分水位监测仪，包括防护壳以及设置在防护壳内的水分传感器、水位传感器、采集模块、通信模块和电源，防护壳内还设有安装骨架，水分传感器、水位传感器、采集模块、通信模块和电源由下至上至依次设置在安装骨架上，防护壳顶部还设有端帽、底部还设有防水堵头，端帽与防护壳顶部密封连接，水分传感器和水位传感器的信号输出端与采集模块的信号输入端电连接，采集模块的信号输出端与通信模块的信号输入端电连接。优点是：实现了稻田水位、温度和土壤水分、温度参数的同时测量，并能计算水稻实际需水；另外，可在户外长期稳定工作，安装与维护较为方便，节约成本，具有可观的市场效益。

Description

一体化遥测稻田水分水位监测仪

技术领域

本实用新型属于水文数据记录装置技术领域，具体涉及一种一体化遥测稻田水分水位监测仪。

背景技术

我国的淡水资源总量虽位居世界第四，但由于时空分布和水土资源组合不均等因素，致使我国是个干旱缺水严重的国家。每年的农业用水量平均占当年总用水量的70％，其中的稻田灌溉用水更是占了农业用水的一半以上。当前国家大力提倡节水灌溉，各地区也陆续开展了智能灌区项目试点，以节约稻田灌溉用水。稻田节水灌溉技术通过将稻田水位和土壤水分的在线监测数据，与稻田灌溉模型相结合，计算出稻田实际需水数量，根据稻田需水量实施精确灌溉，最大限度的节约灌溉用水。

目前稻田水位测量常用技术有：测尺、浮子式水位计、压力水位计等，土壤水分测量常用技术有人工烘干法、介电常数法、中子法等，工程项目上主要采用介电常数法中的频域法FDR或时域法TDR等。为了能够得到稻田的实际需水量，因此需要水位测量和土壤水分测量两种传感器，而这两种传感器需要安装在稻田的不同位置，增加了管理的难度和采购成本。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种能够同时测量稻田水位、土壤水分和温度等参数，并计算稻田实际需水量的一体化稻田水分水位监测仪。

为了达到以上目的，本实用新型提供了以下技术方案:

一体化遥测稻田水分水位监测仪包括：防护壳以及设置在防护壳内的水分传感器、水位传感器、采集模块、通信模块和电源，所述防护壳内还设有安装骨架，所述水分传感器、水位传感器、采集模块、通信模块和电源由下至上至依次设置在安装骨架上，防护壳顶部还设有端帽、底部还设有防水堵头，所述端帽与防护壳顶部密封连接，所述水分传感器和水位传感器的信号输出端与采集模块的信号输入端电连接，所述采集模块的信号输出端与通信模块的信号输入端电连接，所述电源为通信模块、采集模块、水位传感器和水分传感器供电。

进一步的，所述水分传感器包括：第一印制板、第一电极和第一安装架，所述第一印制板设置在第一安装架上端，所述第一电极套设在第一安装架侧面。

进一步的，所述水位传感器包括：第二印制板、第二电极和第二安装架，所述第二印制板设置在第二安装架上端，所述第二电极设置在第二安装架侧面。

进一步的，所述水分传感器为电容式。

进一步的，所述水位传感器为电容式。

进一步的，所述水分传感器和水位传感器内还分别设有测温传感器，所述测温传感器的信号输出端与采集模块的信号输入端电连接。

进一步的，所述防护壳内壁设有密封圈。

进一步的，所述电源为蓄电池和/或太阳能。

进一步的，所述防护壳、安装骨架和端帽采用PVC材料。

本实用新型的有益效果在于：采用了一体化集成设计，测试仪既可同时测量稻田水位、土壤水分、温度等参数，并计算水稻实际需水，实现稻田按需灌溉，最大限度实现稻田节水灌溉，还能实现数据的采集、存储、远传等功能，实现稻田参数自动记录与传送，方便客户使用；同时，采用了优良的防水设计和材料设计，可保证测试仪在户外长期稳定工作，降低维护使用成本；另外，传感器与防护壳的分体设计，以及将所有仪器集成在一个可活动的安装骨架上，可极大方便安装与维护，节省人力物力，具有可观的市场效益。

附图说明

图1为一体化遥测稻田水分水位监测仪的剖面结构示意图。

图2为一体化遥测稻田水分水位监测仪中水分传感器第一印制板的结构示意图。

图3为一体化遥测稻田水分水位监测仪中水分传感器的侧视结构示意图。

图4为一体化遥测稻田水分水位监测仪中水位传感器第二印制板的结构示意图。

图5为一体化遥测稻田水分水位监测仪中水位传感器的侧视结构示意图。

附图标记说明：1-端帽，2-骨架提手，3-蓄电池，4-通信模块，5-防护壳体，6-采集模块，7-水位传感器，8-防护壳，9-水分传感器，10-安装骨架，11-防水堵头，12-第一印制板，13-第一电极，14-第一安装架，15-第二印制板，16-第二电极，17-第二安装架

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

如图1，本实用新型一种一体化稻田水分水位监测仪它主要由防护壳8以及设置在防护壳8内的水分传感器9、水位传感器7、采集模块6、通信模块4和电源组成，其中通信模块4、采集模块6、水位传感器7和水分传感器9由电源供电。防护壳8可以有效保护壳内的仪器，本实施例中，防护壳8采用的筒状设计，但本领域内技术人员也可以采用其他形状的有通孔的柱状如棱柱状等等。

在防护壳8内还设有安装骨架10，水分传感器9、水位传感器7、采集模块6、通信模块4和电源由下至上至依次设置在安装骨架上10，在对某些仪器进行安装或维修时，可直接将安装骨架10从防护壳8中取出来进行有关安装维护工作，方便快捷，节省了人力和时间，另外在安装骨架10的顶端设有一骨架提手2，通过骨架提手2就可方便取出安装骨架10，方便安装与维护。本实施例中，各仪器通过卡扣方式固定在安装骨架10上，但本领域内技术人员也可以采用其他常规的固定方式如螺纹固定等等。

如图2、图3，用于测量土壤水分和温度的水分传感器9由第一印制板12、第一电极13、第一安装架14和测温传感器组成，测温传感器设置在第一印制板12上，第一印制板12设置在第一安装架14上端，第一电极13套设在第一安装架14侧面，在安装中需保证第一电极13能与防护壳8内壁精密接触，以及测温传感器尽可能的靠近防护壳8内壁，这样可提升对土壤水分和温度的测量精度。

在本实施例中，水分传感器9采用筒状结构，第一电极13采用环状设计，第一电极13铜环外直径与本监测仪采用的筒状防护壳8内直径相同，但本领域内技术人员也可以采用其他结构的水分传感器和电极，前提是水分传感器9和第一电极13的结构要与防护壳8结构相适配，从而达到安装中的要求。

如图4、图5，用于测量稻田水位和温度的水位传感器9由第二印制板15、第二电极16、第二安装架17和测温传感器组成，测温传感器设置在第二印制板15上，第二印制板15设置在第二安装架17上端，第二电极17设置在第二安装架17侧面，在安装中同样需保证第二电极16能与防护壳8内壁精密接触，以及测温传感器尽可能的靠近防护壳8内壁，这样可提升对稻田水位和温度的测量精度。

在本实施例中，水位传感器7采用筒状结构，第二电极16采用条状弧形设计，第二电极16外弧直径与本监测仪采用的筒状防护壳8内直径相同，但本领域内技术人员也可以采用其他结构的水分传感器和电极，前提是水位传感器7和第二电极16的结构要与防护壳8结构相适配，从而达到安装中的要求。

在本一体化稻田水分水位监测仪在工作时，水分传感器9和水位传感器7的信号输出端与采集模块6的信号输入端电连接，采集模块6的信号输出端与通信模块4的信号输入端电连接，水分传感器9测量稻田水位和温度，水位传感器7测量土壤水分和温度，采集模块6实时采集水分传感器9和水位传感器7的土壤水分、温度和稻田水位、温度数据，完成存储、通信协议管理等功能，通信模块4再将采集到的水位、水分和温度数据远传至数据中心，最后通过数据中心的数据计算出稻田实际的灌溉需水量。由于本实施例中，水分和水位传感器均采用电容式，电容式水分传感器使用LC电路原理，LC电路能描述振荡频率受到电感(L)与电容(C)变化的影响。由于此传感器采用固定的电感值，因此，频率的变化取决于电容的改变，而电容的改变受到PVC防护管外的土壤水分变化影响，而仪器的振荡频率变化在100-150MHz之间，如果将整体的土壤视为由水、空气及固态土三种物质所组成，其总量通常视为固定，因此当土壤中含水量改变时则会造成空气与水所占的比例改变，由此也影响到最后总电容量的值有所改变，使得传感器所测得的频率也有所不同。为了反应土壤水分与频率的关系，传感器利用了SF归一化频率参数建立与土壤含水量θv之间的指数关系式：

θ_v＝aSF^b (1)

SF定义为

$SF=\frac{F_a-F_s}{F_a-F_w}---\left(2\right)$

Fa为传感器放置于空气中所测得的频率，Fw为传感器放置在水中所测得的频率，Fs则为传感器安装于土壤中所量测得到的频率，a、b为待定参数。

电容式水位传感器的电极由两条弧形铜条所构成，与电容式土壤水分传感器一样，通过传感器上的卡扣与安装骨架的卡槽实现定位，外部为PVC材质所制造而成的套管，传感器使用LC电路原理，LC电路能描述振荡频率受到电感(L)与电容(C)变化的影响。此传感器采采用固定的电感值，当稻田水位变化时，相对应的频率值也就发生变化，仪器的振荡频率变化在100-150MHz之间。为了反应稻田水位与频率的关系，传感器利用了SF归一化频率参数建立与稻田水位H之间的指数关系式：

H＝aSF^b (3)

SF定义为

$SF=\frac{F_a-F_s}{F_a-F_w}---\left(4\right)$

Fa为传感器放置于空气中所测得的频率，Fw为传感器放置在水中所测得的频率，Fs则为传感器安装于稻田中对应水位所量测得到的频率，a、b为待定参数。

除了本实施例中水分传感器9和水位传感器7所采用的电容式，本领域内技术人员也可以采用其他工作原理的传感器，如电阻式等等。

该一体化稻田水分水位监测仪工作时需将其插入稻田的土壤中，如图1，监测仪下端插入稻田土壤中，设有水分传感器9的一段完全没入在稻田土壤下，设有水位传感器7的一段置于稻田水位以下，图1中H为稻田水位。本实施例中，检测仪下端是指设有水分传感器的一端。

由于监测仪将长时间处于户外以及稻田潮湿的环境中，监测仪中的仪器如果被雨水湿汽侵蚀，将会一定程度上影响数据监测和最终的需水量计算，因此该监测仪的防护壳8顶部还设有端帽1，底部还设有防水堵头11，端帽1与防护壳8顶部密封连接，端帽1和防护壳11内均设有密封圈。本实施例中，密封连接方式采用的螺纹密封连接，在密封防护壳8顶部时，旋转端帽1，端帽1会挤压防护壳8内壁的橡胶圈变形，实现防护壳8与端帽1密封效果，但本领域内技术人员也可以采用其他常规的密封连接方式如锥面密封等等。另外，本实施例中，防水堵头11采用三层橡胶结构设计，在密封防护壳8底部时，用专用扳手旋转防水堵头，防水堵头挤压防护壳8内壁的橡胶变形，使橡胶紧密贴合在防护壳8内壁，实现监测仪下端埋在土壤中的防水效果，但本领域内技术人员也可以采用其他常规结构的防水堵头设计，如锥面密封等等。

在本实施例中，防护壳8、安装骨架10和端帽1均采用PVC材料，但本领域内技术人员也可以采用其他能够达到防水效果，并能有较好导热性的材料，如不锈钢等等。

本一体化稻田水分水位监测仪的电源采用蓄电池的方式，但本领域内技术人员也可以采用其他常规的电源供电形式，如太阳能等等。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一体化遥测稻田水分水位监测仪,其特征在于包括：防护壳以及设置在防护壳内的水分传感器、水位传感器、采集模块、通信模块和电源，所述防护壳内还设有安装骨架，所述水分传感器、水位传感器、采集模块、通信模块和电源由下至上至依次设置在安装骨架上，防护壳顶部还设有端帽、底部还设有防水堵头，所述端帽与防护壳顶部密封连接，所述水分传感器和水位传感器的信号输出端与采集模块的信号输入端电连接，所述采集模块的信号输出端与通信模块的信号输入端电连接，所述电源为通信模块、采集模块、水位传感器和水分传感器供电。

2.根据权利要求1所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述水分传感器包括：第一印制板、第一电极和第一安装架，所述第一印制板设置在第一安装架上端，所述第一电极套设在第一安装架侧面。

3.根据权利要求1所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述水位传感器包括：第二印制板、第二电极和第二安装架，所述第二印制板设置在第二安装架上端，所述第二电极设置在第二安装架侧面。

4.根据权利要求2所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述水分传感器为电容式。

5.根据权利要求3所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述水位传感器为电容式。

6.根据权利要求1所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述水分传感器和水位传感器内还分别设有测温传感器，所述测温传感器的信号输出端与采集模块的信号输入端电连接。

7.根据权利要求1所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述防护壳内壁设有密封圈。

8.根据权利要求1所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述电源为蓄电池和/或太阳能。

9.根据权利要求1所述的一体化遥测稻田水分水位监测仪，其特征在于：所述防护壳、安装骨架和端帽采用PVC材料。