本發(fā)明專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)及其測量方法，系統(tǒng)包括：第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、主控模塊和切換模塊；第一電極和第二電極構(gòu)成土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極，用于測量待測土樣的溫度和熱導(dǎo)率；第一電極、第三電極和第四電極構(gòu)成土壤水分水勢測量電極，用于測量待測土樣的水分和水勢；主控模塊控制土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和土壤水分水勢測量電極；切換模塊用于切換土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和土壤水分水勢測量電極工作。本發(fā)明專利技術(shù)通過第一電極和第二電極能夠測量出土壤的溫度和熱導(dǎo)率，通過第一電極、第三電極和第四電極能夠測量出土壤的水分和水勢；能夠同時(shí)測量土壤多個(gè)參數(shù)，解決了土壤參數(shù)具有空間異性的問題。解決了土壤參數(shù)具有空間異性的問題。解決了土壤參數(shù)具有空間異性的問題。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)及其測量方法
[0001]本專利技術(shù)涉及土壤參數(shù)測量
，尤其涉及一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)及其測量方法。
技術(shù)介紹
[0002]土壤是植物賴以生存的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，可以給農(nóng)作物提供生長中必要的水、肥、熱、氣。土壤參數(shù)可大致分為物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和生物參數(shù)三大類。目前，農(nóng)用土壤傳感器監(jiān)測的參數(shù)主要包括溫度、pH、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、元素含量、粒度、容重、含冰量、水力參數(shù)等。
[0003]土壤含水量分為體積含水量和質(zhì)量含水量，土壤的質(zhì)量含水量一般是指土壤絕對含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也稱土壤含水率。測定土壤含水量可掌握作物對水的需要情況，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。
[0004]土壤水勢指土壤中所含水分的總勢能，是描述和判斷土壤水分含量與運(yùn)移的重要指標(biāo)。土壤水勢與含水量之間具有密切關(guān)聯(lián)，隨著土壤含水量的降低，土壤吸水能力逐漸增強(qiáng)，土壤水勢也逐漸降低。
[0005]現(xiàn)有土壤中的水勢可以通過張力計(jì)或介電法等進(jìn)行測量，也可以通過克拉伯龍方程計(jì)算得到。張力計(jì)利用濕潤的陶土頭與土壤水勢之間的壓力差，讓陶土頭中的水進(jìn)入土壤直至達(dá)到平衡狀態(tài)，從而獲得被測土壤的水勢。介電法測量土壤水勢的原理是利用已知多孔材料的水分特征曲線(水分與水勢之間的關(guān)系曲線)，在多孔材料與被測土壤達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)多孔材料的水分值計(jì)算得到土壤的水勢值。
[0006]土壤熱導(dǎo)率用來表示傳導(dǎo)土壤熱量的強(qiáng)度，是描述土壤導(dǎo)熱性能的重要指標(biāo)。土壤的熱導(dǎo)率與土壤的含水量有著重要的聯(lián)系，干燥的土壤顆粒以空氣為主要導(dǎo)熱介質(zhì)，因而熱導(dǎo)率較低。隨著土壤含水量的增加，土壤的熱導(dǎo)率將逐漸上升。
[0007]在部分凍結(jié)的土壤中，液態(tài)水和冰共存。這些土壤的含冰量取決于溫度、質(zhì)地、空氣含量、溶解溶質(zhì)和覆蓋層荷載，影響土壤的熱、力學(xué)和水力特性。因此，含冰量的準(zhǔn)確測量對于解決環(huán)境問題和工程地球科學(xué)問題具有重要意義。雖然有幾種方法，如冰孔隙率計(jì)、氣體膨脹計(jì)、介電光譜法和感熱球法，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中測試了直接測定含冰量的方法，但目前仍缺乏以合理精度直接測量含冰量的原位方法。
[0008]由于農(nóng)業(yè)管理和氣候影響，耕地土壤容重可能發(fā)生顯著變化。土壤容重是指一定容積的土壤烘干后的重量與同容積水重的比值。一般而言，耕作后土壤的容重最低。在此之后，土壤容重隨著顆粒在雨水、灌溉和交通的影響下重新沉降而增加。先前的研究表明，通過與農(nóng)業(yè)活動(dòng)相關(guān)的擾動(dòng)的年循環(huán)，土壤容重可以改變40％以上。凍融循環(huán)、收縮
?
膨脹過程、侵蝕和沉積也改變了表面的容重和結(jié)構(gòu)排列。瞬態(tài)容重影響地表土壤氣體運(yùn)移和熱水力過程。如果認(rèn)為容重和相關(guān)性質(zhì)(如土壤總孔隙度)隨時(shí)間變化為常數(shù)，則可能會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。
[0009]但是，現(xiàn)有技術(shù)中使用分離的測量器件分別對這些參數(shù)進(jìn)行測量會(huì)因?yàn)榭臻g變異性的問題而產(chǎn)生較大的誤差，因而需要研發(fā)出一種可同時(shí)測量土壤多參數(shù)的裝置。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0010]本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)及其測量方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中土壤參數(shù)具有空間異性的缺陷，實(shí)現(xiàn)提高測量的準(zhǔn)確性。
[0011]本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，包括：第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、主控模塊和切換模塊；所述第一電極和所述第二電極構(gòu)成土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極，用于測量待測土樣的溫度和熱導(dǎo)率；所述第一電極、所述第三電極和所述第四電極構(gòu)成土壤水分水勢測量電極，用于測量待測土樣的水分和水勢；所述主控模塊控制所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極；所述切換模塊用于切換所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極工作。
[0012]根據(jù)本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，所述主控模塊包括溫度熱導(dǎo)率測量控制電路板和水分水勢測量控制電路板，分別控制所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極。
[0013]根據(jù)本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，所述切換模塊包括若干繼電器，通過所述繼電器的通斷控制所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極的工作。
[0014]根據(jù)本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，所述第一電極和所述第二電極內(nèi)均設(shè)置有溫度傳感器和加熱絲；在測量土壤溫度和熱導(dǎo)率時(shí)，所述第一電極和所述第二電極分別為激勵(lì)電極和測溫電極，所述第一電極用于提供熱脈沖的線性熱源；所述第二電極用于檢測待測土樣溫度隨時(shí)間的變化。
[0015]根據(jù)本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，所述第一電極和所述第二電極的間距固定，所述第一電極和所述第二電極以任一角度埋放于待測土樣中。
[0016]根據(jù)本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，所述第四電極內(nèi)設(shè)置有高頻水分傳感器探頭，并與所述第一電極構(gòu)成高頻水分傳感器；在測量土壤水分時(shí)，所述第一電極為激勵(lì)電極，所述第四電極為測量電極，所述第一電極提供高頻信號，所述第四電極根據(jù)接收信號的時(shí)間檢測待測土樣的含水量。
[0017]根據(jù)本專利技術(shù)提供一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，所述第三電極內(nèi)設(shè)置有介電水勢傳感器探頭，并與所述第一電極構(gòu)成介電水勢傳感器；在測量土壤水勢時(shí)，當(dāng)待測土樣與所述第四電極內(nèi)部的水勢達(dá)到平衡后，所述第三電極檢測待測土樣的水勢。
[0018]本專利技術(shù)還提供一種土壤多參數(shù)測量方法，利用上述的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，包括以下步驟：
[0019]S1、將第一電極、第二電極、第三電極和第四電極以任一角度插入待測土樣中，探頭完全被待測土樣覆蓋；
[0020]S2、第一電極、第三電極和第四電極構(gòu)成的土壤水分水勢測量電極測量土壤的水分和水勢；
[0021]S3、第一電極和第二電極構(gòu)成的土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極測量土壤的溫度和熱導(dǎo)率；
[0022]S4、系統(tǒng)以不少于6分鐘為周期重復(fù)S2和S3的過程。
[0023]根據(jù)本專利技術(shù)提供的一種土壤多參數(shù)測量方法，步驟S2具體包括：切換模塊切換到水分水勢測量模式，水分水勢測量控制控制板控制第一電極、第四電極開始工作檢測土壤
的含水量，之后水分水勢測量控制電路板控制第三電極、第四電極開始工作，待第四電極與周圍待測土樣的水勢達(dá)到平衡后，第三電極測量待測土樣的水勢。
[0024]根據(jù)本專利技術(shù)提供的一種土壤多參數(shù)測量方法，步驟S3包括：打開測量開關(guān)，切換模塊切換到溫度熱導(dǎo)率測量模式，繼電器導(dǎo)通，激勵(lì)電極提供熱脈沖；
[0025]測溫電極以不高于0.5s的時(shí)間為周期檢測待測土樣的溫度，并將阻值數(shù)據(jù)返回溫度熱導(dǎo)率測量控制電路板，溫度熱導(dǎo)率測量控制電路板得出當(dāng)前土壤的溫度熱脈沖持續(xù)時(shí)間為45s
?
60s，后繼電器斷開，停止加熱；
[0026]停止加熱后，系統(tǒng)進(jìn)入冷卻模式，測溫電極會(huì)檢測出溫升的最大值和時(shí)間，冷卻模式持續(xù)時(shí)間不少于5分鐘；
[0027]冷卻模式結(jié)束后，基于最大溫升值和時(shí)間，熱脈沖持續(xù)時(shí)間和激勵(lì)電極的發(fā)熱功率，系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的公式自動(dòng)計(jì)算出待測土樣的熱導(dǎo)率。
[0028]本專利技術(shù)提供的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，通過第一電極和第二電極能夠測量出土壤的溫度和熱導(dǎo)率，通本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括：第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、主控模塊和切換模塊；所述第一電極和所述第二電極構(gòu)成土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極，用于測量待測土樣的溫度和熱導(dǎo)率；所述第一電極、所述第三電極和所述第四電極構(gòu)成土壤水分水勢測量電極，用于測量待測土樣的水分和水勢；所述主控模塊控制所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極；所述切換模塊用于切換所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極工作。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述主控模塊包括溫度熱導(dǎo)率測量控制電路板和水分水勢測量控制電路板，分別控制所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述切換模塊包括若干繼電器，通過所述繼電器的通斷控制切換所述土壤溫度熱導(dǎo)率測量電極和所述土壤水分水勢測量電極的工作。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極內(nèi)均設(shè)置有溫度傳感器和加熱絲；在測量土壤溫度和熱導(dǎo)率時(shí)，所述第一電極和所述第二電極分別為激勵(lì)電極和測溫電極，所述第一電極用于提供熱脈沖的線性熱源；所述第二電極用于檢測待測土樣溫度隨時(shí)間的變化。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極的間距固定，且所述第一電極和所述第二電極埋放于待測土樣中。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第四電極上設(shè)置有高頻水分傳感器探頭，并與所述第一電極構(gòu)成高頻水分傳感器；在測量土壤水分時(shí)，所述第一電極和所述第四電極分別為激勵(lì)電極和測量電極，所述第一電極提供高頻信號，所述第四電極根據(jù)接收信號的時(shí)間檢測待測土樣的含水量。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土壤多參數(shù)測量系統(tǒng)，其...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：程強(qiáng)，王子淵，張珉澍，朱玉帆，
申請(專利權(quán))人：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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