CN2674445Y - 一种树木蒸腾速率测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种树木蒸腾速率测定仪。本实用新型要克服现有技术存在的整机成本高和测量精度较低的问题。为克服现有技术存在的问题，本实用新型的技术方案是：一种树木蒸腾速率测定仪，包括温差检测器1、脉冲加热源5和数据采集器2，其特殊之处在于，所述数据采集器2与温差检测器1之间设置有变送单元电路，该变送单元电路由差动放大电路4构成；所述温差检测器1分别与差动放大电路4的正端和数据采集器2的一组模拟信号采集口相接，差动放大电路4的负端与数据采集器2相接，差动放大电路4的输出端与数据采集器2的另一组模拟信号采集口相接。

Description

一种树木蒸腾速率测定仪

所属技术领域：

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种树木蒸腾速率测定仪。

背景技术：

蒸腾速率是反映树木需水和缺水状况的一个基本信息，对其准确实时监测，对确定树木水分供需状况，指导林果灌溉具有十分重要的作用。目前发达国家已开始将植物蒸腾、茎直径变差作为指标来监测植物水分状况，将其与灌溉自动控制系统相联结，研究并试用于先进的灌溉管理系统之中。如以色列开发的植物生理监控系统就应用了这一技术，显示了良好的发展与应用前景。

目前国外对树木蒸腾速率监测技术和仪器方面进行了大量的研究，提出了包括热学法、称重法、气孔计法、风调室法、染色法、同位素示踪法、核磁共振光谱法、磁流体动力学法、激光脉冲法等多种方法。其中热学法是实时监测方法，它是利用安装在植株根、茎部的热源及探测器，通过热信号变化测定茎流的方法，热学测定法又可分为热平衡法、热扩散法和热脉冲法三类。其中以热脉冲(heatprobe)法的研究较为深入，该法是在树木茎枝部安装热脉冲发射器(热源)，定时发射短时热脉冲，加热汁液，热脉冲随树木茎杆液流向上运动，由安装在热源的上方一定距离处的热敏探针T1探测其温度峰值，确定热脉冲到达时间，测定植物液流速度。它的理论分析过程是：

对于热脉冲发射后，在t时间后距热源x(mm)处的温升T(℃)为：

$T=\frac{H}{4\mathrm{\π\ρckt}}\exp \[-\frac{{(x-\mathrm{Vt})}^2}{4\mathrm{kt}}\]---\left(1\right)$

其中H为单位长度热源发出的热能量(J/mm)；ρ、c、k分别为树木茎枝部的密度(mg/mm³)、比热(mJ/mg℃)、热扩散率(mm²/s)，V为植物茎枝部的液流速度(mm/s)。

对上式分析可以得出：当x处的最大温差出现的时间为t_m时，可有下式

V＝(x²-4kt_m)^1/2/t_m                                     (2)

由上式可计算沿树木茎枝的热脉冲速率V

式中：X为加热源与探测器之间的距离；t_m为加热源处热脉冲发射后到热敏探针处热脉冲峰值出现的时间；k为树木茎枝的热脉冲扩散率(mm²/s)，它随树木茎枝体的特性而变，k可在深夜树木茎枝体热脉冲速率近似为零时，即V＝0时测定。

k＝r²/4t_m                                              (3)

利用热脉冲传输速度V可以计算树木茎枝体的液流传输速度V_s

V_s＝ρcV/(ρ₁c₁)                                       (4)

式中ρ、ρ₁分别为树木茎枝体与其液相的密度，(g/mm³)，c，c₁分别为树木茎枝体与其液相的比热(Jmg^-1℃^-1)。它们分别由水和木质部的比热及植株中液相水的密度等确定

树木茎枝体的总的蒸腾速率(ET)可由树木茎枝体横向不同部位的液流传输速度V_s积分确定

$\mathrm{ET}={\∫}_0^R{V}_s\left(2\mathrm{\πr}\right)\mathrm{dr}---\left(5\right)$

式中V_s为树木茎枝体横向不同部位的液流传输速度，r为距树木茎枝体中心的距离，R为树木茎枝体的半径。

综上所述：通过测定热脉冲发射后距热源距离为x处的最大温差出现的时间t_m时可测定树木茎枝的热脉冲速度，进而确定树木茎枝蒸腾量。因此t_m测定的准确性对整个测定的准确性密切相关。

要准确测定t_m值，就应使热源的热脉冲热能大，距热源处的距离小，这样检测处的升温温差大，检测准确。但热源的热脉冲热能过大时，又会对树木茎枝造成损伤，甚至烧坏植株，同时距热源处的距离过小时，也会由于插入树木茎枝时热源与热检测器的距离的误差而使得由式(2)计算的热脉冲速度V值产生较大误差。经过大量的理论分析和实验得出，对树木茎枝直径大于100mm时，热源与热检测器的距离x为15mm最好，热脉冲发射器的热能量也应控制在1000mJ/mm左右。根据文献资料树木茎枝的热脉冲传输速度在0-0.2mm/s之间变化，且大多数条件下在0-0.1mm/s之间变化，(龚道枝等，不同水分状况下桃树根茎液流变化规律研究，农业工程学报，2001(4))，树木茎枝部的密度、比热、热扩散率，ρ、C、k分别在0.6-1.2(mg/mm³)、2.0-2.8(mJ/mg℃)、0.19-0.27(mm²/s)之间变化(Y.Cohen，Determination of sap flow in Douglas-fir treesusing the heat pulsetechnique，Can.J.For.Ree，1985，vol，15)为此由式(1)模拟在，H＝1000mJ/mm，ρ＝0.9(mg/mm³)，C＝2.4(mJ/mg℃)，k＝0.23(mm²/s)时距热源x＝15m处不同热脉冲传输速度的升温温差见图1。这时热检测器处的升温温差在0.3-2.5℃变化。经过计算，对上述热源与热检测器配置下，整个热脉冲最大传输时间为8分钟，但在这一热脉冲测定过程中，由于外界环境温度的变化，树木茎枝的温度变化在0-0.08℃，这对热脉冲传输峰值和热脉冲速率的测定有相当大的影响，为此，在树木茎枝体下方不受热源影响的地方，安装另一个热敏探针T2，通过探测温差(T1-T2)峰值，出现峰值的时差作为t_m值。另外根据大量的理论分析和实验得出，要准确测定树木茎枝部的热脉冲传输速度，对上述热检测器处的升温温差的检测其分辩率应在0.02％(在8分钟内)，(见Y.cohen，Calibrated Heat pulse methedfor determining water uptake in cotton，Agron.J.，1988，80：398-402)，显然这对热检测器的要求很高。

现有的利用热脉冲法原理所制备的传感器由温差检测器和数据采集器组成，温差检测器用来采集数据，送入数据采集器后再进行数据的处理，因微型热敏电阻具有灵敏度高、对后续采集电路要求低的优点，温差检测器中用灵敏度高微型热敏电阻制成，由两个热敏电阻分别安置在距热源15mm左右和在树木茎枝下方不受热源影响的地方，并用一桥式电路作为数据采集的电路，当其温差变化时而产生不平衡压差变化，该数据即被作为采集到的数据送入数据采集器，但在这个过程中，由于微型热敏电阻受其制造工艺的限制，同一批制造的热敏电阻的阻值及温度敏感系数很难做到完全一致，就算经过筛选也只能使其在某一基准温度变化时阻值一致，在其它温度时仍不一致，这样就会造成在果树体两个微型热敏电阻处无温差时，因其电阻值的差异，从而使测量电桥产生较大的电压输出；(热敏电阻的阻值与温度呈下式， $R_t=R_0{e}^{B\left(\right(1/t-1/t_0)},$ 式中R₀为基准温度T₀时的热敏电阻阻值，T为温度，B为反映热敏电阻温度敏感特性的常数，按照有关标准，热敏电阻的R₀的允许误差在±5％，±10％，±20％，B值一般在2000-6000之间取值，对B＝4000的热敏电阻进行分析得出R₀的允许误差在±10％时，电桥输出最大偏差相当于5℃左右的温差变化。在对25℃时筛选的R₀一致，B值的允许偏差为±5％的热敏电阻，工作在-10℃时产生的电桥输出的最大偏差相当于4℃左右的温差变化，而热脉冲信号发出后，在树木茎枝体传播过程中，所产生的温差较小，最不利情况下温差峰值为0.3℃，且要求温差峰值的分辨率为0.02％，其在两个微型热敏电阻上造成的阻值变化很小，故而引起的电桥输出变化也很小，它与未发出热脉冲信号的电桥输出信号相比要小得多，由于这一信号与热脉冲信号发出前的电桥输出信号叠加在一起，使得要确定热脉冲信号在树木茎枝体中传播过程的温差峰值时间十分困难。故在该传感器送出信号后要求后续处理电路模数转换电路量程要较大，分辨率和精度要求高，才能准确测定树木蒸腾速率，用模数转换电路量程小的仪表将产生较大的误差。综上所述，现有技术存在得问题是：1、整机成本很高：在传感器的制造过程要采用灵敏度高、一致性高的微型热敏电阻，并对其进行筛选和匹配，模数转换电路量程要较大，分辨率和精度要求高，造成整个仪器成本很高；2、测量精度较低：由于传感器中微型热敏电阻的特性，决定了测量误差较大，即便用后续处理电路进行处理，也仍然存在较大误差。

发明内容：

本实用新型要克服现有技术存在的整机成本高和测量精度较低的问题。

为克服现有技术存在的问题，本实用新型的技术方案是：一种树木蒸腾速率测定仪，包括温差检测器1、脉冲加热源5和数据采集器2，其特殊之处在于，所述数据采集器2与温差检测器1之间设置有变送单元电路，该变送单元电路由差动放大电路4构成；所述温差检测器1分别与差动放大电路4的正端和数据采集器2的一组模拟信号采集口相接，差动放大电路4的负输入端与数据采集器2相接，差动放大电路4的输出端与数据采集器2的另一组模拟信号采集口相接。

上述变送单元电路中还包括一个双极性数模转换电路3，该数模转换电路3设置于数据采集器与差动放大电路4之间，所述数模转换电路3由D/A转换器、频率信号发生器、脉冲计数电路和时控脉冲选通电路组成，所述数据采集器2的数字I/O口接数模转换电路3中脉冲计数电路的清零端，数据采集器2的另一个数字I/O口接数模转换电路3中时控脉冲选通电路的控制端，时控脉冲选通电路的另一输入端接频率信号发生器，时控脉冲选通电路的输出接脉冲计数电路的信号输入端，脉冲计数电路的输出端接D/A转换器，D/A转换器接差动放大电路4，差动放大电路4的输出与数据采集器2的模拟信号采集口相接。

所述数据采集器是CR10型，数据采集器的C5与脉冲计数电路的清零端相接，数据采集器2的C6与时控脉冲选通电路的控制端相接，差动放大电路4的输出与数据采集器2的HI2、LO2相接，温差检测器1的输出与差动放大电路4的正端和数据采集器2的HI1、LO1相接。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：可以克服由于同批制造的微型热敏电阻的阻值及温度敏感系数不匹配，而造成的测量电压输出与所检测的小电压信号的叠加问题，仅对温差变化造成的小电压信号放大与测量。从而克服了现有技术仪器制造过程要采用灵敏度高、一致性高的微型热敏电阻，并对其进行筛选和匹配，要求后续处理电路模数转换电路量程要较大，分辨率和精度要求高，这样造成仪器成本高，精度较低的缺点。

附图说明：

图1是树木不同茎枝液流速度下的升温温差模拟图；

图2是实施例1的原理框图；

图3是实施例2的原理框图；

图4是实施例2的电路原理图。

具体实施方式：

实施例1：参见图2，一种树木蒸腾速率测定仪，包括温差检测器1、脉冲加热源5和数据采集器2，所述数据采集器2与温差检测器1之间设置有变送单元电路，该变送单元电路由一个差动放大电路4构成；所述温差检测器1分别与差动放大电路4的正输入端和数据采集器2的一组模拟信号采集口相接，差动放大电路4的负输入端与数据采集器2相接，差动放大电路4的输出端与数据采集器2的另一组模拟信号采集口相接。该方案中，数据采集器2选用CR23X、CR21X或CR7，差动放大电路4的负输入端与数据采集器2的模拟信号输出口相接。因CR23X或CR7型的价格较高，因此产品整体价格高，但该方案结构简单。

实施例2：参见图3，一种树木蒸腾速率测定仪，包括温差检测器1、变送单元电路和数据采集器2。所说的变送单元电路设置于温差检测器1和数据采集器2之间，该变送单元电路由一个数模转换电路3和差动放大电路4构成，所述温差检测器1与差动放大电路4的正输入端相接，还与数据采集器2的一组模拟信号采集口相接，数据采集器2经由数模转换电路3与差动放大电路4的负输入端相接，差动放大电路4的输出与数据采集器2的另一组模拟信号采集口相接。该方案中，数据采集器2选用CR10，因CR10价格较低、，因此产品整体价格低，但该方案结构较实施例1复杂。

其工作原理是：中央处理单元通过软件发出指令。第一步在热脉冲发射前，测量由温差检测器中两个热敏电阻阻值不匹配而经电桥转换产生的电压信号，该信号送入数据采集器2，经多次采集测量平均处理后，作为基准信号；该基准信号由数据采集器2经数模转换电路3送出，进入差动放大电路4负输入端。第二步是由数据采集器2发出指令，指示脉冲加热源5发出热脉冲信号，再将温差检测器1测量的电压信号，送入差动放大电路4的正输入端；经差动放大电路4将上述两种信号相减放大后，送入数据采集器2。通过测量热脉冲信号传导过程中温差检测电路的温差，由数据采集器2确定热脉冲信号在树木茎枝体中的传播时间，最终确定树木茎枝液流速度。

参见图4：所说的数据采集器是CR10型，它包括键盘、显示板、计时电路、定时电路、存储电路、通讯电路及多组数字输入/输出端口、脉冲输入/输出端口、模拟信号采集口等。

所说的数模转换电路3由D/A转换器、频率信号发生器、时控脉冲选通电路和脉冲计数电路组成。所说的频率信号发生器包括集成块U4(CD4060)、电容C1、电容C2、晶振Y、电阻R33和电阻R34，可产生6520Hz的频率信号；所说的时控脉冲选通电路包括集成块U5(74HC08)，数据采集器2的数字I/O口C6接时控脉冲选通电路的控制端，时控脉冲选通电路的另一输入端接频率信号发生器，集成块U5的第3脚(输出端)接脉冲计数电路中集成块U3的第1脚，由数据采集器2的C6口的高电平时间控制频率信号的通断，将频率信号发生器的脉冲信号输入脉冲计数电路；所述脉冲计数电路由集成块U2(74HC393)、集成块U3(74HC393)组成，数据采集器2的数字I/O口C5接脉冲计数电路的清零端(集成块U2、集成块U3的MR端)，时控脉冲选通电路的输出端接脉冲计数电路的信号输入端，脉冲计数电路的输出端(集成块U2的Q0-Q3、集成块U3的Q0-Q1)接D/A转换器，D/A转换器接差动放大电路4；所说的D/A转换器包括集成块U1(DAC1020)、集成块U6(LF356)、电位器W1、电阻R31、电阻R32组成，集成块U1的第1脚通过电阻R31接集成块U6的第2脚，集成块U6的第2脚与第6脚间接有电阻R32，集成块U6的第5脚与第1脚间接有电位器W1，集成块U1的第2脚接地，所说的集成块U6的第6脚与差动放大电路4相接，该电路实现D/A转换。

所说的差动放大电路4包括一个仪用放大器U7(AD522)、电阻R41和电位器W2，它分别接温差检测器1的输出端和数据采集器2的模拟信号采集口。所说的数模转换电路3中D/A转换器的集成块U6的第6脚(模拟信号输出端)与仪用放大器U7的第3脚(负输入端)相接，仪用放大器U7的第1脚(正输入端)与温差检测器1中AD522的第7脚(输出端)和数据采集器2的HI1相接，仪用放大器U7的第7脚(输出端)、第12脚与数据采集器2的HI2相接，第9脚(接地端)、第11脚(参考端)与数据采集器2的LO2相接并接地，第4脚通过电位器W2与第6脚相接，第14脚与第2脚间接有电阻R41，温差检测器1中AD522的第9脚、第11脚与数据采集器2的LO1相接并接地。

所说的数据采集器2的数字I/O口C4经驱动电路后与脉冲加热源5相接，发出热脉冲信号。温差检测器1中的供电参考源正端与数据采集器2的EX1相接。

Claims (3)

1、一种树木蒸腾速率测定仪，包括温差检测器(1)、脉冲加热源(5)和数据采集器(2)，其特征在于：所述数据采集器(2)与温差检测器(1)之间设置有变送单元电路，该变送单元电路由差动放大电路(4)构成；所述温差检测器(1)分别与差动放大电路(4)的正端和数据采集器(2)的一组模拟信号采集口相接，差动放大电路(4)的负端与数据采集器(2)相接，差动放大电路(4)的输出端与数据采集器(2)的另一组模拟信号采集口相接。

2、如权利要求1所述的一种树木蒸腾速率测定仪，其特征在于：所述变送单元电路中还包括一个双极性数模转换电路(3)，该数模转换电路(3)设置于数据采集器(2)与差动放大电路(4)之间，所述数模转换电路(3)由D/A转换器、频率信号发生器、脉冲计数电路和时控脉冲选通电路组成，所述数据采集器(2)的数字I/O口接数模转换电路(3)中脉冲计数电路的清零端，数据采集器(2)的另一个数字I/O口接数模转换电路(3)中时控脉冲选通电路的控制端，时控脉冲选通电路的另一输入端接频率信号发生器，时控脉冲选通电路的输出接脉冲计数电路的信号输入端，脉冲计数电路的输出端接D/A转换器，D/A转换器接差动放大电路(4)，差动放大电路(4)的输出与数据采集器(2)的模拟信号采集口相接。

3、如权利要求2所述的一种树木蒸腾速率测定仪，其特征在于：所述数据采集器(2)是CR10型，数据采集器(2)的C5与脉冲计数电路的清零端相接，数据采集器(2)的C6与时控脉冲选通电路的控制端相接，差动放大电路(4)的输出与数据采集器(2)的HI2、LO2相接，温差检测器(1)的输出与差动放大电路(4)的正端和数据采集器(2)的HI1、LO1相接。

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