CN216309856U - 土壤水分传感器空气标准频率标定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种土壤水分传感器空气标准频率标定装置，包括支撑箱、标定容器、湿度发生器和控温设备，其中，标定容器设于支撑箱上；湿度发生器与标定容器相接通，用于向标定容器输出恒定湿度的空气；控温设备与标定容器相接通，用于对标定容器进行恒温控制。本实用新型将标定容器放置于支撑箱上，不需要临时支撑，提高了工作效率；使传感器测量的体积含水量值能较好地保持一致性；通过设计合理的标定容器，利用低温恒温加热制冷循环机对标定容器中的空气温度进行由低至高的控制，得到土壤水分传感器空气标准标定频率温度系数；能够实现FDR土壤水分传感器在恒温恒湿条件下的精确空气标准频率标定。

Description

土壤水分传感器空气标准频率标定装置

技术领域

本实用新型涉及FDR土壤水分传感器技术领域，尤其公开了一种土壤水分传感器空气标准频率标定装置。

背景技术

电容式FDR(FrequencyDomainReflectometry，频域反射)土壤水分传感器主要由一对电极(平行排列的金属棒或圆形金属环)组成一个电容，其间的土壤充当电介质，电容与振荡器组成一个调谐电路，用一定频率的正弦曲线信号进行扫描，传感器电容量与两极间被测介质的介电常数成正比关系。由于水的介电常数比一般介质的介电常数要大得多，所以当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大，测量时传感器给出的电容值也随之上升。根据传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系，即可测出土壤体积含水量。利用土壤的介电特性来测量土壤含水量的主要优点是：方便、快速、不扰动土壤，可在同一地点进行多次测量，而且具有更广的工作频率范围，测量水分的范围宽，不受滞后影响，可自动连续地定点监测土壤的动态含水量。

为消除各土壤水分传感器的不一致性，一般并不是直接使用传感器在实际土壤中所测得的频率，而是首先利用在空气介质和水介质中的测得频率F_a和F_w，再由在实际土壤中测得的频率F_s进行归一化处理，得到土壤水分传感器相对频率偏移SF(scaledfrequency)：

公式(1)中，F_a为传感器放置于空气中所测得的频率，F_w为传感器放置在水中所测得的频率，F_s为传感器安装于土壤中所测量得到的频率。

空气标准频率标定按以下方法进行：

整套土壤水分传感器放置在安装套管中，安装套管二端用非金属材料架起离开地面至少20cm高度，人要离开传感器测量范围。将传感器连接配套的采集系统连接或给传感器提供12V直流电压，标定线连接计算机终端和接口控制器。

现有电容式FDR土壤水分传感器在空气标准频率标定存在的不足：

1、空气中标定时整套传感器需要临时支撑，降低了标定工作效率。

2、空气湿度、温度的变化能够导致传感器空气标准频率的变化，从而在不同空气湿度、温度条件下标定的传感器空气标准频率有偏移，导致各传感器测量的体积含水量值未能保持较好的一致性。

3、特别是对于进行组网观测的土壤水分仪，各个站点不同空气温度、湿度，给空气标准频率带来漂移，各站点观测的土壤湿度数据的一致性得不到保障。

因此，现有电容式FDR土壤水分传感器在空气标准频率标定存在的不足，是一件亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种土壤水分传感器空气标准频率标定装置，旨在解决现有电容式FDR土壤水分传感器在空气标准频率标定存在的不足的技术问题。

本实用新型提供一种土壤水分传感器空气标准频率标定装置，包括支撑箱、标定容器、湿度发生器和控温设备，其中，

标定容器设于支撑箱上；

湿度发生器与标定容器相接通，用于向标定容器输出恒定湿度的空气；

控温设备与标定容器相接通，用于对标定容器进行恒温控制。

进一步地，土壤水分传感器空气标准频率标定装置包括温度采集设备、湿度采集设备、土壤水分采集设备和计算机，计算机分别与温度采集设备、湿度采集设备和土壤水分采集设备电连接。

进一步地，温度采集设备包括温度传感器和温度变送器，温度变送器分别与温度传感器和计算机电连接。

进一步地，湿度采集设备包括湿度传感器和湿度采集器，湿度采集器分别与湿度传感器和计算机电连接。

进一步地，土壤水分采集设备包括土壤水分传感器和接口控制器，接口控制器分别与土壤水分传感器和计算机电连接。

进一步地，标定容器包括采用三层同心圆柱体结构，包括外壁、循环水空间、中间壁和标定容器空间，中间壁首尾密封以在其内部形成标定容器空间，中间壁与外壁之间围合以形成循环水空间。

进一步地，温度传感器和湿度传感器设于标定容器空间内，温度传感器和湿度传感器的线缆通过穿线筒引出标定容器外。

进一步地，标定容器空间内设有土壤水分传感器安装杆和土壤水分传感器安装套管，土壤水分传感器安装杆为多个可拆装的塑料固定结构件拼接而成，土壤水分传感器安装套管设于土壤水分传感器安装杆上且土壤水分传感器插入土壤水分传感器安装套管内，外壁上设有与循环水空间相接通的进水接口和出水接口，中间壁上设有与标定容器空间的进气接口。

进一步地，中间壁的两端设有用于密封标定容器空间的容器中间壁密封板，外壁的两端设有用于密封循环水空间的容器外壁密封板。

进一步地，标定容器空间内设有温度传感器固定板，温度传感器和湿度传感器安装于温度传感器固定板的内孔边缘。

本实用新型所取得的有益效果为：

本实用新型提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，采用支撑箱、标定容器、湿度发生器和控温设备，标定容器设于支撑箱上；湿度发生器与标定容器相接通，用于向标定容器输出恒定湿度的空气；控温设备与标定容器相接通，用于对标定容器进行恒温控制。本实用新型提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，将标定容器放置于支撑箱上，不需要临时支撑，提高了工作效率；使用湿度发生器和控温设备，让标定容器工作时保持恒温恒湿状态，使传感器测量的体积含水量值能较好地保持一致性；通过设计合理的标定容器，利用低温恒温加热制冷循环机对标定容器中的空气温度进行由低至高的控制，得到土壤水分传感器空气标准标定频率温度系数；能够实现FDR土壤水分传感器在恒温恒湿条件下的精确空气标准频率标定。

附图说明

图1为本实用新型提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置一实施例的结构示意图；

图2为图1中所示的标定容器一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

10、支撑箱；20、标定容器；30、湿度发生器；40、控温设备；50、计算机；61、温度传感器；62、温度变送器；71、湿度传感器；72、湿度采集器；81、土壤水分传感器；82、接口控制器；21、外壁；22、循环水空间；23、中间壁；24、标定容器空间；25、穿线筒；26、土壤水分传感器安装杆；27、土壤水分传感器安装套管；211、进水接口；212、出水接口；231、进气接口；281、容器中间壁密封板；282、容器外壁密封板；29、温度传感器固定板。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

如图1和图2所示，本实用新型第一实施例提出一种土壤水分传感器空气标准频率标定装置，包括支撑箱10、标定容器20、湿度发生器30和控温设备40，其中，标定容器20设于支撑箱10上；湿度发生器30与标定容器20相接通，用于向标定容器20输出恒定湿度的空气；控温设备40与标定容器20相接通，用于对标定容器20进行恒温控制。在本实施例中，控温设备40优先采用低温恒温加热制冷循环机。

本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，能够方便快速的实现恒温条件下对FDR电容式土壤水分传感器在空气介质标定；或在一定湿度范围内，变温条件下在读取传感器空气介质频率和空气温度的，得到土壤水分传感器空气标准频率温度系数；或在一定温度条件下，在变湿度条件下，得到土壤水分传感器空气标准频率湿度系数。在恒温恒湿条件下对进行标准频率标定，保证了各个传感器土壤体积含水量测量的一致性，消除了因空气温度、湿度的相异导致的额外漂移误差；或可以利用得到的传感器空气标准频率温度、湿度系数对业务土壤含水量观测数据进行订正，实现组网观测各站点的数据同化。

功能实现的基本原理为：利用与标定容器同心的外围圆柱体内的循环水与标定容器内的空气进行热交换，实现标定容器内空气温度的控制；利用湿度发生器输出的恒定湿度的空气，实现标定容器内空气湿度的控制，使之容器内的空气湿度达到设定的恒定值。这样就能够实现空气温度、湿度的独立条件下的土壤水分传感器空气标准频率的标定。

恒温、恒湿条件下的标定：用湿度发生器生成的恒定湿度的空气输出到标定容器内，待容器内的空气湿度达到恒定后，通过低温恒温加热制冷循环机将其温度控制在恒定的值，实现土壤水分传感器在恒温恒湿条件下的标准频率标定。

恒湿，变温条件下的标定：用湿度发生器生成的恒定湿度的空气输出到标定容器内，待容器内的空气湿度达到恒定后，通过低温恒温加热制冷循环机将其温度降至设定的低温，低温恒温加热制冷循环机设定在高温加热，让标定容器内的空气升温，整个过程中同时读取空气温度和土壤水分传感器空气标准频率值。

本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，同现有技术相比，采用支撑箱、标定容器、湿度发生器和控温设备，标定容器设于支撑箱上；湿度发生器与标定容器相接通，用于向标定容器输出恒定湿度的空气；控温设备与标定容器相接通，用于对标定容器进行恒温控制。本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，将标定容器放置于支撑箱上，不需要临时支撑，提高了工作效率；使用湿度发生器和控温设备，让标定容器工作时保持恒温恒湿状态，使传感器测量的体积含水量值能较好地保持一致性；通过设计合理的标定容器，利用低温恒温加热制冷循环机对标定容器中的空气温度进行由低至高的控制，得到土壤水分传感器空气标准标定频率温度系数；能够实现FDR土壤水分传感器在恒温恒湿条件下的精确空气标准频率标定。

进一步地，请见图1和图2，该土壤水分传感器空气标准频率标定装置包括温度采集设备、湿度采集设备、土壤水分采集设备和计算机50，计算机50分别与温度采集设备、湿度采集设备和土壤水分采集设备电连接。其中温度采集设备包括温度传感器61和温度变送器62，温度变送器62分别与温度传感器61和计算机50电连接。湿度采集设备包括湿度传感器71和湿度采集器72，湿度采集器72分别与湿度传感器71和计算机50电连接。土壤水分采集设备包括土壤水分传感器81和接口控制器82，接口控制器82分别与土壤水分传感器81和计算机50电连接。

进一步地，参见图1和图2，本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，标定容器20包括采用三层同心圆柱体结构，包括外壁21、循环水空间22、中间壁23和标定容器空间24，中间壁23首尾密封以在其内部形成标定容器空间24，中间壁23与外壁21之间围合以形成循环水空间22。温度传感器61和湿度传感器71设于标定容器空间24内，温度传感器61和湿度传感器71的线缆通过穿线筒25引出标定容器20外。标定容器空间24内设有土壤水分传感器安装杆26和土壤水分传感器安装套管27，土壤水分传感器安装杆26为多个可拆装的塑料固定结构件拼接而成，土壤水分传感器安装套管27设于土壤水分传感器安装杆26上且土壤水分传感器81插入土壤水分传感器安装套管27内，外壁21上设有与循环水空间22相接通的进水接口211和出水接口212，中间壁23上设有与标定容器空间24的进气接口231。中间壁23的两端设有用于密封标定容器空间24的容器中间壁密封板281，外壁21的两端设有用于密封循环水空间22的容器外壁密封板282。标定容器空间24内设有温度传感器固定板29，温度传感器61和湿度传感器71安装于温度传感器固定板29的内孔边缘。

本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，通过设计合理的标定容器，利用低温恒温加热制冷循环机对标定容器中的空气温度进行由低至高的控制，得到土壤水分传感器空气标准标定频率温度系数；能够实现FDR土壤水分传感器在恒温恒湿条件下的精确空气标准频率标定。

本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，各部分实现及功能：

一)、标定容器20：标定容器20为同心三层圆柱体结构，中央圆柱体为与电容式FDR土壤水分传感器相匹配的土壤水分传感器安装套管27，用来将待标定的整套土壤水分传感器81插入其中；中间圆柱体和土壤水分传感器安装套管之间的空间形成图2所示的标定容器空间24，其间的空气充当土壤水分传感器空气标定介质；中间和外层圆柱体为丙烯酸高分子材料，形成图2所示的循环水空间22，其间的循环水用来对循环水空间22的空气进行温度控制。外层柱体内的循环水不能渗入到，各圆柱体之间均互相隔绝密封循环水空间22的外直径与传感器电磁场横向分布范围相同，使得标准频率不至于测量到循环水空间22中水的部分；整个圆柱体标定容器的长度能够满足一次对业务上整套自动土壤水分仪8个传感器进行标定。业务上用一般安装0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm共8个层次传感器，其中60～70cm和80～90cm处不接土壤水分传感器。

1)、外壁21，圆柱形，丙烯酸高分子材料，具有一定的厚度和强度，能够保证标定容器空间24在长时间满水的状态下不变形，净内直径覆盖土壤水分传感器电磁场99％的感应范围，长度能够满足业务上用，整套8个传感器的纵向感应范围。

2)、循环水空间22，外壁21和中间壁23以及两边的容器中间壁密封板281和容器外壁密封板282之间形成的密封空间，低温恒温加热制冷循环机循环水在此空间内流动，流动的水与标定容器空间24内的空气进行热交换，使标定容器空间的空气温度达到设置值，此空间要求严格密封，保证土壤水分传感器安全的工作环境，循环水空间中的水不能渗入到标定容器空间2中。

3)、中间壁23，圆柱体，丙烯酸高分子材料，具有一定的厚度和强度，能够保证循环水空间在长时间满水的状态下不变形。

4)、标定容器空间24，土壤水分传感器标定空气介质空间，要求净内直径能够覆盖土壤水分传感器电磁场99％的感应范围，长度能够满足业务上用，整套8个传感器的纵向感应范围。

5)、土壤水分传感器安装套管27，圆柱形，其内直径与待标定的电容式FDR土壤传感器直径相同，套管土壤水分传感器27能够刚好插入到此套管中；聚氯乙烯材料，其管壁的均匀程度要求达到一定的水平，保证传感器测量的均匀性，使得土壤水分不因材料的不均匀带来额外的标定误差。

6)、土壤水分传感器安装杆26，可拆装的塑料材质固定结构，各土壤水分传感器81以及接口控制器82的连接总线沿套管布局，每隔10cm有一个连接插槽，顶端的插槽与接口控制器82相连接，每个传感器按照所需要观测的层次放置在相应的位置并与总线插槽相连接。

7)、穿线筒25，将2个温度传感器61和2个湿度传感器71的线缆引出标定容器20，温度传感器61接入到温度变送器62，湿度传感器71接至湿度采集器72，再输出至计算机50，实现自动读取温度、湿度数据。

8)、温度传感器固定板29，圆柱形，其外直径与圆柱体标定容器中间壁内直径相同，与中间壁圆柱体胶连；中央带孔，孔径大于土壤水分传感器安装套管27外径，且留下的空间能够安装下温度传感器61和湿度传感器71的感应部分；具有相当的厚度，能够使得温度传感器61及线缆能够通过槽穿过。土壤水分传感器安装杆26上在60～70cm和80～90cm位置处空缺，在此处安装的温度、湿度传感器其金属探头不会影响到土壤水分传感器的测量，为尽可能测到到标定水箱中间位置的温度，所以温度传感器固定板29安装在60～70cm处的中间位置，即如图2中所示的位置。

9)、温度传感器61，分辨率为+0.1℃，测量范围-5～+80℃，与湿度传感器一起呈90分布在温度传感器固定板29孔边缘。

10)、湿度传感器71，测量量为空气相对湿度，分辨率1％，测量范围5％～100％RH。

11)、土壤水分传感器81，安装于土壤水分传感器安装杆26上。

12)、进水接口211，通过带孔橡胶塞与循环水空间密封连同，将低温恒温加热制冷循环机出水

13)、容器中间壁密封板281，丙烯酸高分子材料，为三层结构，具有一定的厚度和强度，能够保证循环水空间22中长时间满水的状态下不变形，实现与土壤水分传感器安装套管27、中间壁23三者之间的密封粘结。要求粘结牢固可靠，保证循环水空间22内满水情况下能保持长时间不渗水。

14)、接口控制器82，当发出采样命令时，接口控制器读取土壤水分传感器测量的归一化频率。

15)、进气接口231，将湿度发生器30输出的恒定湿度空气输出至标定容器空间24中。

16)、出水接口212，通过带孔橡胶塞与出水筒密封连接，将循环水空间22内的水回流至低温恒温加热制冷循环机，实现循环水空间内的水温控制。

二)、容器外壁密封板282，圆柱形，具有一定的厚度，丙烯酸高分子材料，实现外壁21与土壤水分传感器安装套管27的密闭连接，其与土壤水分传感器安装套管27和外壁21的具体密封连接结构如图2所示。

本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，具体实施过程为：

使用本装置对电容式FDR土壤水分传感器进行空气标准频率标定步骤为：

1、打开进水筒带孔橡胶塞，开启湿度发生器，设定湿度值，将环境温度下的恒定湿度空气输入进标定容器空间24中。

2、蓄电池12V线缆连接土壤水分接口控制器电源接口；标定线连接连接土壤水分传感器接口控制器和计算机串行通信接口；温度变送器输出接入计算机串行通信接口，湿度采集器输出接入计算机串行通信接口；打开标定程序，查看湿度值。

3、当标定容器空间中的空气湿度值恒定时，进水接口211一端连接低温恒温加热制冷循环机，一端插入进水孔橡胶塞；出水接口212一端连接低温恒温加热制冷循环机，一端接入出水孔带孔橡胶塞；进气接口231一端连接湿度发生器，一端接入进气筒密封橡胶塞。

4、开启低温恒温加热制冷循环机，设置温度为0.5℃。

5、从计算机50上读取标定容器中温度传感器读数，并记录下当前环境下的气温值。

6、当标定容器空间24温度达到设定温度时，同时设置标定程序每分钟读取温度数据和土壤水分传感器空气标准频率数据。

7、当标定容器20中的气温达到环境中温度时，低温恒温加热制冷循环机切换为加热模式，标定容器20空气温度升温，

8、标定容器20中的气温达到设定的恒定值后，停止标定工作。

9、将计算机50上读取的气温数据和土壤水分传感器空气标准频率数据以最小二乘法方式进行线性拟合，得到土壤水分传感器的空气标准频率温度系数，所得到的土壤水分传感器空气频率温度系数为-4.9064Hz·℃^-1。

本实施例提供的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，取得的有益效果为：

1、能够在恒定温度和湿度的情况下得到土壤水分传感器精确的空气标准标定频率。

2、实现了电容式FDR土壤水分传感器标定过程的自动化，能够在一定空气湿度情况下得到土壤水分传感器空气标准标定随标定空气温度变化关系，实现了组网观测自动土壤水分仪数据订正同化。

3、在不超出土壤水分传感器分辨率的情况下，标定容器体积合理，实现了装个装置

4、利用低温恒温加热制冷循环机和标定容器的3层同心柱体结构，以较少的成本方便实现了标定气温的控制，且其控制精度要明显高于一般情况下的恒温实验室温控精确度。

5、利用湿度发生器，方便快捷的实现标定空气湿度的控制。

6、利用土壤水分传感器空缺位置，实现了标定容器内温度和湿度自动化测量。

7、套管螺纹结构，使得标定水箱的防水性能和强度增强，能够长时间满水的状态下渗水、漏水。

8、控制标定气温的变化，实现了得到土壤水分传感器空气标准标定频率温度系数。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，包括支撑箱（10）、标定容器（20）、湿度发生器（30）和控温设备（40），其中，

所述标定容器（20）设于所述支撑箱（10）上；

所述湿度发生器（30）与所述标定容器（20）相接通，用于向所述标定容器（20）输出恒定湿度的空气；

所述控温设备（40）与所述标定容器（20）相接通，用于对所述标定容器（20）进行恒温控制。

2.如权利要求1所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述土壤水分传感器空气标准频率标定装置包括温度采集设备、湿度采集设备、土壤水分采集设备和计算机（50），所述计算机（50）分别与所述温度采集设备、所述湿度采集设备和所述土壤水分采集设备电连接。

3.如权利要求2所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述温度采集设备包括温度传感器（61）和温度变送器（62），所述温度变送器（62）分别与所述温度传感器（61）和所述计算机（50）电连接。

4.如权利要求3所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述湿度采集设备包括湿度传感器（71）和湿度采集器（72），所述湿度采集器（72）分别与所述湿度传感器（71）和所述计算机（50）电连接。

5.如权利要求4所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述土壤水分采集设备包括土壤水分传感器（81）和接口控制器（82），所述接口控制器（82）分别与所述土壤水分传感器（81）和所述计算机（50）电连接。

6.如权利要求5所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述标定容器（20）包括采用三层同心圆柱体结构，包括外壁（21）、循环水空间（22）、中间壁（23）和标定容器空间（24），所述中间壁（23）首尾密封以在其内部形成所述标定容器空间（24），所述中间壁（23）与所述外壁（21）之间围合以形成所述循环水空间（22）。

7.如权利要求6所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述温度传感器（61）和所述湿度传感器（71）设于所述标定容器空间（24）内，所述温度传感器（61）和所述湿度传感器（71）的线缆通过穿线筒（25）引出所述标定容器（20）外。

8.如权利要求6所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述标定容器空间（24）内设有土壤水分传感器安装杆（26）和土壤水分传感器安装套管（27），所述土壤水分传感器安装杆（26）为多个可拆装的塑料固定结构件拼接而成，所述土壤水分传感器安装套管（27）设于所述土壤水分传感器安装杆（26）上且所述土壤水分传感器（81）插入所述土壤水分传感器安装套管（27）内，所述外壁（21）上设有与所述循环水空间（22）相接通的进水接口（211）和出水接口（212），所述中间壁（23）上设有与所述标定容器空间（24）的进气接口（231）。

9.如权利要求6所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述中间壁（23）的两端设有用于密封所述标定容器空间（24）的容器中间壁密封板（281），所述外壁（21）的两端设有用于密封所述循环水空间（22）的容器外壁密封板（282）。

10.如权利要求9所述的土壤水分传感器空气标准频率标定装置，其特征在于，所述标定容器空间（24）内设有温度传感器固定板（29），所述温度传感器（61）和所述湿度传感器（71）安装于所述温度传感器固定板（29）的内孔边缘。

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