CN220154326U - 一种土壤热特性参数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种土壤热特性参数测量装置，该装置包括：采集部，包括：加热探针，用于对土壤进行加热；测温探针，设置在所述加热探针的旁侧，用于采集土壤温度监测数据；测定部包括脉冲电流发生电路、电流检测电路、温度测定电路和控制器，通过将控制器、脉冲电流发生电路、电流检测电路和温度测定电路集成为一个测定部，可以完成土壤热特性参数测量过程中的数据采集、脉冲电流控制、温度检测和数据计算并最终输出土壤热特性参数，不需要再额外配备上位机，测量方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及土壤热特性技术领域，尤其涉及一种土壤热特性参数测量装置。
背景技术
土壤热特性是土壤学、土木工程和热力学领域的重要参数。准确获取土壤热特性能为地下管道布设、农田管理和地表能量平衡等提供重要参考信息。
目前测定土壤热特性时，需要将传感器插入到土壤中获取采集的数据后，将采集的数据返回至上位机计算，数据的控制和分析需要上位机进行处理，缺少实现数据采集和控制、分析的集成式产品，每次测量都需要配备上位机进行数据计算分析，使用不方便。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种土壤热特性参数测量装置，以解决现有技术中缺少集成式土壤热特性参数测量装置导致使用不方便的技术问题。
本实用新型提出的技术方案如下：
本实用新型实施例提供了一种土壤热特性参数测量装置，包括：
采集部，包括：加热探针，用于对土壤进行加热；测温探针，设置在所述加热探针的旁侧，用于采集土壤温度监测数据；测定部，包括：脉冲电流发生电路，输入端和控制器连接，输出端和所述加热探针连接，用于为所述加热探针提供脉冲电流；电流检测电路，输入端和所述脉冲电流发生电路连接，输出端和所述控制器连接，用于采集所述加热探针的电流数据并将所述电流数据发送至所述控制器；温度测定电路，输入端和所述测温探针连接，输出端和所述控制器连接，用于接收所述测温探针采集的土壤温度监测数据，根据所述土壤温度监测数据获取土壤温度值，并将所述土壤温度值发送至所述控制器；控制器，用于根据所述电流数据和所述土壤温度值输出土壤热特性参数。
可选地，所述脉冲电流发生电路包括继电器、三极管和光电隔离电路，所述控制器的输出端和所述光电隔离电路的输入端连接，所述光电隔离电路的输出端和所述三极管的基极连接，所述三极管的发射极和所述继电器的控制端连接，所述继电器的输出端和所述加热探针连接。
可选地，所述脉冲电流发生电路还包括指示电路，所述指示电路包括指示灯和第一分压电阻，所述指示灯的正极通过所述第一分压电阻和所述三极管的发射极连接，所述指示灯的负极接地。
可选地，所述电流检测电路包括电流监测芯片、第二分压电阻和滤波电容，所述电流监测芯片的正输入端分别和参考电压和所述第二分压电阻的一端连接，所述第二分压电阻的另一端分别和所述脉冲电流发生电路及所述电流监测芯片的负输入端连接，所述电流监测芯片的输出端和所述控制器连接，所述电流监测芯片的电源端分别和所述电流监测芯片的工作电压及所述滤波电容的一端连接，所述滤波电容的另一端接地。
可选地，所述温度测定电路包括热电偶测量模块，所述热电偶测量模块的输入端和所述测温探针连接，输出端和所述控制器连接。
可选地，所述控制器为树莓派主板。
可选地，所述采集部还包括壳体和固定板，所述固定板设置在所述壳体内，所述加热探针的一端和所述测温探针的一端分别焊接在所述固定板的同一侧，且所述加热探针和所述测温探针相互平行。
可选地，所述测温探针设有两个，两个所述测温探针分别对称设置在所述加热探针的两侧，所述加热探针的内部设有热电偶，所述加热探针的内部设有加热丝。
从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：
本实用新型实施例提供的一种土壤热特性参数测量装置，通过加热探针和测温探针构成的采集部对土壤进行加热并采集土壤温度监测数据，通过将控制器、脉冲电流发生电路、电流检测电路和温度测定电路集成为一个测定部，采集部和测定部共同形成一个集成式的土壤热特性参数测量装置，可以完成土壤热特性参数测量过程中的数据采集、脉冲电流控制、温度检测和数据计算并最终输出土壤热特性参数，不需要再额外配备上位机，测量方便。
附图说明
为了更清楚地表达说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例中土壤热特性参数测量装置的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中采集部的结构示意图
图3为本实用新型实施例中脉冲电流发生电路的结构示意图；
图4为本实用新型实施例中电流检测电路的结构示意图
附图标记：
1-测定部；2-采集部；11-控制器；12-脉冲电流发生电路；13-电流检测电路；14-温度测定电路；21-测温探针；22-加热探针；23-壳体；24-固定板；25-外接延长线；26-加热丝；27-热电偶；121-光电隔离电路；122-指示电路。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例提供了一种土壤热特性参数测量装置，如图1所示，包括：采集部2，包括：加热探针22，用于对土壤进行加热；测温探针21，设置在加热探针22的旁侧，用于采集土壤温度监测数据；测定部1，包括：脉冲电流发生电路12，输入端和控制器11连接，输出端和加热探针22连接，用于为加热探针22提供脉冲电流；电流检测电路13，输入端和脉冲电流发生电路12连接，输出端和控制器11连接，用于采集加热探针22的电流数据并将电流数据发送至控制器11；温度测定电路14，输入端和测温探针21连接，输出端和控制器11连接，用于接收测温探针21采集的土壤温度监测数据，根据土壤温度监测数据获取土壤温度值，并将土壤温度值发送至控制器11；控制器11，用于根据电流数据和土壤温度值输出土壤热特性参数。
具体地，土壤热特性参数包括土壤热容量、土壤热导率和土壤热扩散率，采集部2上设置了加热探针22和测温探针21，测定部1中集成控制器11、脉冲电流发生电路12、电流检测电路13和温度测定电路14。在使用土壤热特性参数测量装置获取土壤热特性参数时，将加热探针22和测温探针21插入到土壤里面，加热探针22和测温探针21的距离为5mm-15mm，本实施例中为8mm。本实用新型实施例中的控制器11采用集成性微型电脑，可以完成设备的控制、数据采集和处理过程。控制器11控制脉冲电流发生电路12输出脉冲电流给加热探针22，加热探针22进而为加热土壤。测温探针21感应土壤温度变化并采集土壤温度监测数据，将土壤温度监测数据发送给温度测定电路14，温度测定电路14根据土壤温度监测数据获取土壤温度值。温度测定电路14根据测温探针21的类型采用市场上现有的温度测量模块，例如测温探针21内置热电偶27，则温度测定电路14为热电偶测量模块，若测温探针21内置热敏电阻，则温度测定电路14为热敏电阻温度测量模块。
控制器11还通过电流检测电路13采集加热探针22的电流数据，根据加热探针22的电流数据和加热探针22的电阻根据欧姆定律计算出对应加热量，进而根据热脉冲测定法测定土壤热特性，将现有的热脉冲测定法测定土壤热特性的计算公式预置在控制器11内，在控制器11获得加热量和土壤温度值将其代入至计算公式中即可输出土壤热容量、土壤热导率和土壤热扩散率三个参数的值。
本实用新型实施例的一种土壤热特性参数测量装置，通过加热探针22和测温探针21构成的采集部2对土壤进行加热并采集土壤温度监测数据，通过将控制器11、脉冲电流发生电路12、电流检测电路13和温度测定电路14集成为一个测定部1，采集部2和测定部1共同形成一个集成式的土壤热特性参数测量装置，可以完成土壤热特性参数测量过程中的数据采集、脉冲电流控制、温度检测和数据计算并最终输出土壤热特性参数，不需要再额外配备上位机，测量方便。
在一实施例中，如图2所示，采集部2还包括壳体23和固定板24，固定板24设置在壳体23内，加热探针22的一端和测温探针21的一端分别焊接在固定板24的同一侧，且加热探针22和测温探针21相互平行。
具体地，壳体23的材料为定型树脂，壳体23和固定板24之间填充树脂固定，测温探针21设有两个，两个测温探针21分别对称设置在加热探针22的两侧，加热探针22的内部设有热电偶27，加热探针22的内部设有加热丝26。加热探针22和测温探针21的长度均为45mm，中间的加热探针22内部的加热丝26为镍铬电阻合金，直径75微米，电阻丝规格为221.9Ωm-1，两边的测温探针21包含中的热电偶27采用T型热电偶，具体地为铜-康铜热电偶，直径小于0.8毫米，加热探针22和测温探针21的外部是不锈钢钢管，采用312钢材制成，加热探针22内部在穿入加热丝26后用高热导率树脂胶水固定。再将各个探针的头部焊接在固定板24上后，将加热丝26也焊接在固定板24上并使加热丝26与外接延长线25连接并焊接固定，加热丝26及外接延长线25均为铜导线，直径为2mm-3mm。本实用新型实施例的加热探针22和测温探针21平行排列，以8mm间距固定焊接在固定板24上，可以避免探针插入土壤时产生偏斜。并且通过将加热丝26和外接延长线25焊接固定在固定板24上，解决了加热丝26接线困难，需要人工手动接线，难以实现工厂化生产的问题。
在一实施例中，控制器11为树莓派主板。树莓派主板为集成性微型电脑，可以完成设备的控制、数据采集和处理过程，树莓派主板具有40个GPIO引脚，通过GPIO系列引脚对脉冲电流发生电路12、电流检测电路13和温度测定电路14进行控制并实现数据采集，利用树莓派主板实现土壤热特性参数测量过程中的数据采集、脉冲电流控制、温度检测和数据计算的高度集成。
在一实施例中，如图3所示，脉冲电流发生电路12包括继电器K1、三极管Q1和光电隔离电路121，控制器11的输出端和光电隔离电路121的输入端连接，光电隔离电路121的输出端和三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极和继电器K1的控制端连接，继电器K1的输出端和加热探针22连接。
具体地，控制器11为树莓派主板，树莓派主板的GPIO19引脚和光电隔离电路121的输入端连接，光电隔离电路121包括电阻R7、电阻R5、电阻R6和光电耦合器U3，光电耦合器U3的第一引脚和V33电压端连接，光电耦合器的第二引脚和GPIO19引脚连接，光电耦合器U3的第三引脚通过电阻R6和三极管Q1的基极连接，光电耦合器U3的第四引脚和三极管Q1的集电极连接并共同连接有V5电压端，三极管Q1的发射极和继电器K1的控制端连接，继电器K1的输出端通过连接器P7和加热探针22连接，当GPIO19引脚输出低电平时，三极管Q1导通，继电器K1打开，连接器P7的1引脚输出12V电压，进而加热探针22开始加热，当GPIO19引脚输出高电平时，三极管Q1关闭，继电器K1关闭，加热探针22停止加热，树莓派主板通过设置GPIO19引脚的输出，为加热探针22提供12s的脉冲电流。
本实用新型实施例的脉冲电流发生电路12，通过树莓派主板和继电器K1、光电隔离电路121的配合，实现脉冲电流输出，光电隔离电路121可以隔绝输入和输出，便于保护电路，继电器K1和光电隔离电路121的设置相对简单，
器件体积小，便于集成，不需要单独设置脉冲电流输出源，简化装置元件数量和成本。
在一实施例中，脉冲电流发生电路12还包括指示电路122，指示电路122包括指示灯LED2和第一分压电阻R8，指示灯LED2的正极通过第一分压电阻R8和三极管K1的发射极连接，指示灯LED2的负极接地。
具体地，当三极管接通后，继电器打开，指示灯LED2变亮，继电器K1关闭后，指示灯LED2灭掉变暗，由此，方便对加热探针22的加热情况进行观察。
在一实施例中，如图4所示，电流检测电路13包括电流监测芯片U4、第二分压电阻R10和滤波电容C14，电流监测芯片U4的正输入端分别和参考电压和第二分压电阻R10的一端连接，第二分压电阻R10的另一端分别和脉冲电流发生电路12及电流监测芯片U4的负输入端连接，电流监测芯片U4的输出端和控制器11连接，电流监测芯片U4的电源端分别和电流监测芯片U4的工作电压及滤波电容C14的一端连接，滤波电容C14的另一端接地。
具体地，电流监测芯片U4采用INA219AIDCNR芯片，其正输入端和负输入端分别IN+引脚和IN-引脚，电源端为VS引脚，参考电压为12V直流电压，电流监测芯片U4的工作电压为33V直流电压，电流监测芯片U4的输出端为SDA引脚和SCL引脚，电流监测芯片U4的IN-引脚通过端点S2和脉冲电流发生电路12中的继电器K1的公共端连接，输出端和控制器11的GPIO2和GPIO3引脚连接，从而检测加热探针22的电流数据。
在一实施例中，温度测定电路包括热电偶测量模块，热电偶测量模块的输入端和测温探针21连接，输出端和控制器11连接。具体地，热电偶测量模块为MCC134热电偶测量模块，MCC134热电偶测量模块是一款24位，用于测量热电偶的4通道HAT附加模块，具有很高的测量精度。通过热电偶测量模块精确采集测温探针21的温度。
本实用新型实施例还提供一种土壤热特性参数测量方法，应用于如本实用新型上述实施例的土壤热特性参数测量装置，该方法包括：
步骤S100：控制脉冲电流发生电路12为加热探针22提供脉冲电流；
步骤S200：接收电流检测电路13采集的电流数据和温度测定电路14测量的土壤温度值；
步骤S300：基于预设热脉冲加热方程及采集的电流数据计算得到预测值，并将测量的土壤温度值和预测值进行拟合，得到并输出测量的土壤温度值和预测值最小时对应的土壤热特性参数。
具体地，预设热脉冲加热方程为基于多个土壤热特性参数和电流数据计算得到土壤温度值的方程，利用最小二乘法对预测值和测量的土壤温度值进行拟合，拟合的过程由MATLAB软件实现，即将土壤热特性参数依次从小到大按照设定梯度增加，并将土壤热特性参数代入到预设热脉冲加热方程得到土壤温度的预测值，将预测值和测量得到的土壤温度值的误差取最小值时对应的预设热脉冲加热方程中的土壤热特性参数进行输出，可以一次性获得预设热脉冲加热方程中全部的土壤热特性参数。
在一实施例中，土壤热特性参数包括土壤热容量、土壤热导率和土壤热扩散率，预设热脉冲加热方程为：
其中，为脉冲加热时t时刻测温探针21处温度的预测值，/>为进行连续加热时t时刻测温探针21处温度的预测值，/>基于柱状导体理论计算得到，/>的计算公式为：
其中，q′表示基于采集的电流数据计算得到的加热量；ωi是N阶Stehfest函数；N表示阶数；a0是加热探针22的半径；β0＝C0/C，为加热探针22的热容量C0和土壤热容量C的比值；Ki表示i阶第二类修正贝塞尔函数；r是加热探针22和测温探针21的间距；κ为土壤热扩散率，i为1至N之间的整数；λ为土壤热导率。
本实用新型实施例通过控制器11(即树莓派主板)控制脉冲电流发生电路12为加热探针22提供12s热脉冲电流，同时通过电流检测电路13检测加热探针22的电流数据I，通过温度测定电路14获取测温探针21处的土壤温度值T，通过欧姆定律由流数据I和加热探针22的整体电阻可以计算得出加热量q′，将这些数据代入利用柱状导体理论分析得到的预设热脉冲加热方程可以计算测温探针21处温度的预测值。然后利用树莓派主板对测量的土壤温度值和预测值进行拟合计算，得到土壤热容量、土壤热导率和土壤热扩散率并一次性输出。本实用新型实施例的土壤热特性参数测量方法可以一次性测量的带三个土壤热特性参数，并且，常见计算热特性的公式将实验设置简化，将加热探针22看做无半径无热容量的良好导体，没有集成热容量等参数，得到的结果可类比性差，而本实用新型实施例基于柱状导体理论原理计算的预设热脉冲加热方程将加热探针22的热容量值和半径值考虑在内，增加了土壤热特性的测定精度。
需要理解的，本发明实施例中土壤热特性参数测量装置除了应用本发明实施例的土壤热特性参数测量方法，还可应用现有的土壤热特性参数测量方法，即通过预设公式分别计算出每个土壤热特性的值。
以上，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种土壤热特性参数测量装置，其特征在于，包括：
采集部，包括：
加热探针，用于对土壤进行加热；
测温探针，设置在所述加热探针的旁侧，用于采集土壤温度监测数据；
测定部，包括：
脉冲电流发生电路，输入端和控制器连接，输出端和所述加热探针连接，用于为所述加热探针提供脉冲电流；
电流检测电路，输入端和所述脉冲电流发生电路连接，输出端和所述控制器连接，用于采集所述加热探针的电流数据并将所述电流数据发送至所述控制器；
温度测定电路，输入端和所述测温探针连接，输出端和所述控制器连接，用于接收所述测温探针采集的土壤温度监测数据，根据所述土壤温度监测数据获取土壤温度值，并将所述土壤温度值发送至所述控制器；
控制器，用于根据所述电流数据和所述土壤温度值输出土壤热特性参数。
2.根据权利要求1所述的土壤热特性参数测量装置，其特征在于，所述脉冲电流发生电路包括继电器、三极管和光电隔离电路，所述控制器的输出端和所述光电隔离电路的输入端连接，所述光电隔离电路的输出端和所述三极管的基极连接，所述三极管的发射极和所述继电器的控制端连接，所述继电器的输出端和所述加热探针连接。
3.根据权利要求2所述的土壤热特性参数测量装置，其特征在于，所述脉冲电流发生电路还包括指示电路，所述指示电路包括指示灯和第一分压电阻，所述指示灯的正极通过所述第一分压电阻和所述三极管的发射极连接，所述指示灯的负极接地。
4.根据权利要求1所述的土壤热特性参数测量装置，其特征在于，所述电流检测电路包括电流监测芯片、第二分压电阻和滤波电容，所述电流监测芯片的正输入端分别和参考电压和所述第二分压电阻的一端连接，所述第二分压电阻的另一端分别和所述脉冲电流发生电路及所述电流监测芯片的负输入端连接，所述电流监测芯片的输出端和所述控制器连接，所述电流监测芯片的电源端分别和所述电流监测芯片的工作电压及所述滤波电容的一端连接，所述滤波电容的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的土壤热特性参数测量装置，其特征在于，所述温度测定电路包括热电偶测量模块，所述热电偶测量模块的输入端和所述测温探针连接，输出端和所述控制器连接。
6.根据权利要求1所述的土壤热特性参数测量装置，其特征在于，所述控制器为树莓派主板。
7.根据权利要求1所述的土壤热特性参数测量装置，其特征在于，所述采集部还包括壳体和固定板，所述固定板设置在所述壳体内，所述加热探针的一端和所述测温探针的一端分别焊接在所述固定板的同一侧，且所述加热探针和所述测温探针相互平行。
8.根据权利要求1所述的土壤热特性参数测量装置，其特征在于，所述测温探针设有两个，两个所述测温探针分别对称设置在所述加热探针的两侧，所述加热探针的内部设有热电偶，所述加热探针的内部设有加热丝。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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