專利名稱：植物莖流流速測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植物莖流流速的測(cè)量方法及其裝置，尤其涉及一種采用熱脈 沖示蹤技術(shù)測(cè)量植物微小莖稈或草本植物莖流流速的植物莖流流速測(cè)量方法及 其裝置。
背景技術(shù)：
-莖流指蒸騰作用在植物體內(nèi)引起的上升液流，莖流量等于莖流流速乘以植 物導(dǎo)管的截面積。土壤液態(tài)水進(jìn)入根系后，通過(guò)莖輸導(dǎo)組織向上運(yùn)送到達(dá)冠層， 經(jīng)由氣孔蒸騰(包括角質(zhì)層及皮孔蒸騰)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水?dāng)U散到大氣中去。根部吸收的水分有99. 8%以上消耗在蒸騰作用上，莖流測(cè)定技術(shù)提供了一種田間直接測(cè)定蒸騰的精確手段。目前熱脈沖植物莖流測(cè)量產(chǎn)品全部為進(jìn)口產(chǎn)品，例如由格林斯潘和澳大利亞英聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIR0)聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)的SF系列莖流傳感器， 澳大利亞ICT公司產(chǎn)的服M熱比率法莖流探頭。其測(cè)量方法及其產(chǎn)品存在以下不足首先，采用的方法是通過(guò)測(cè)量測(cè)點(diǎn)熱脈沖熱擴(kuò)散曲線的變化，計(jì)算出熱波動(dòng)速度，再對(duì)熱波動(dòng)速度進(jìn)行二次三項(xiàng)式或三次三項(xiàng)式回歸和修正，才能獲 得莖流流速。監(jiān)測(cè)熱擴(kuò)散曲線的變化，至少需要百分之一的分辨率，現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品測(cè)點(diǎn)溫度的最大值一般不低于0.6°C (分辨率0.006°C)。因此，主要適用 于果林等木本植物。測(cè)定草本植物存在燒傷莖桿的問(wèn)題，受分辨率的限制，該 問(wèn)題也不能通過(guò)減少加熱量解決；其次，加熱元件和測(cè)溫結(jié)點(diǎn)只能插入植物莖 稈內(nèi)，測(cè)量植物微小莖稈，會(huì)造成植物微小莖稈損傷；另外，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂蟲(chóng) 貝o

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供 種采用熱脈沖示蹤 技術(shù)測(cè)量植物微小莖稈和草本植物莖流流速的植物莖流流速測(cè)量方法及其裝 置，該方法及其裝置不僅能進(jìn)行普通果林等木本植物莖流流速測(cè)量，還特別適 合于植物微小莖稈和草本植物莖流流速的測(cè)量，替代價(jià)格昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種植物莖流流速測(cè)量方法，具體如下-首先，在要測(cè)量莖流流速的植物莖稈上安裝一個(gè)加熱器，用于加熱植物莖 稈，在植物莖稈距離加熱器的上方和下方等距離S處各安裝一對(duì)溫度傳感器， 用于檢測(cè)溫差。上對(duì)溫度傳感器的兩個(gè)溫度傳感器，在植物莖稈距離加熱器的 上方S處和S處的上方依次分開(kāi)布置。與上對(duì)溫度傳感器對(duì)稱，下對(duì)溫度傳感 器的兩個(gè)溫度傳感器，在植物莖稈距離加熱器的下方S處和S處的下方依次分 開(kāi)布置，其次，通過(guò)兩個(gè)計(jì)時(shí)器，分別記錄上、下兩對(duì)溫度傳感器溫差出現(xiàn)的時(shí)間， 啟動(dòng)加熱器對(duì)植物莖稈進(jìn)行瞬間加熱的同時(shí)清零并啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)時(shí)器，當(dāng)上、下 對(duì)溫度傳感器分別檢測(cè)到溫差后關(guān)閉相應(yīng)的計(jì)時(shí)器，兩個(gè)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，分別代表熱流到達(dá)的時(shí)間Ts 、 Tn，然后，用公式(3): Vj=(S/Ts—S/Tn)/2，計(jì)算出所測(cè)植物莖稈的莖流流速Vj。在上述植物莖流流速測(cè)量中，設(shè)置上路溫差檢測(cè)部分、下路溫差檢測(cè)部分 與中路主控制部分，中路主控制部分包括控制計(jì)算機(jī)、與控制計(jì)算機(jī)相連接的232與TTL電平轉(zhuǎn) 換電路、通過(guò)串口和232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路相連接的主單片機(jī)、通過(guò)數(shù)字輸入端與主單片機(jī)相連接的D/A轉(zhuǎn)換電路和與D/A轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出端相連接的加 熱器，上路溫差檢測(cè)部分包括溫度傳感器、溫差放大電路、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、 D/A轉(zhuǎn)換電路、電壓減法器和電壓比較器，其中，溫度傳感器和溫差放大電路的 差分輸入端相連接，溫差放大電路的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路的模 擬輸入端和電壓減法器的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出端和單片機(jī) 相連接，單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出 端和電壓減法器的負(fù)輸入端相連接，電壓減法器的輸出端和電壓比較器的輸入 端相連接，電壓比較器的輸出端和單片機(jī)的中斷l(xiāng)端口相連接，下路溫差檢測(cè)部分包括熱電偶溫度傳感器、溫差放大電路、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn) 換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、電壓減法器和電壓比較器，其中，溫度傳感器和溫差放 大電路的差分輸入端相連接，溫差放大電路的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換 電路的模擬輸入端和電壓減法器的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出端 和單片機(jī)相連接，單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路的 模擬輸出端和電壓減法器的負(fù)輸入端相連接，電壓減法器的輸出端和電壓比較 器的輸入端相連接，電壓比較器的輸出端和單片機(jī)的中斷l(xiāng)端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)的一個(gè)端口和上路溫差檢測(cè)單片機(jī)的外部中斷O 端口相連接，上路溫差檢測(cè)單片機(jī)的一個(gè)端口和中路主控制部分主單片機(jī)的外 部中斷0端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)的一個(gè)端口和下路溫差檢測(cè)單片機(jī)的外部中斷O 端口相連接，下路溫差檢測(cè)單片機(jī)的一個(gè)端口和中路主控制部分主單片機(jī)的外 部中斷l(xiāng)端口相連接，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路向中路主控制部分主單片機(jī)發(fā)送莖流數(shù)據(jù)采集指令，主單片機(jī)收到莖流數(shù)據(jù)采集指令后，根據(jù)莖流數(shù)據(jù)采集指令 中的加熱時(shí)間長(zhǎng)度和加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字值啟動(dòng)加熱，加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓加到加熱器上，按指令中的加熱時(shí)間長(zhǎng)度在中路主控制部分主單片機(jī)的控制下瞬間加熱植物莖稈，在啟動(dòng)加熱后立刻將 中路主控制部分主單片機(jī)的兩個(gè)16位定時(shí)器即定時(shí)器0和定時(shí)器1清零啟動(dòng)計(jì) 時(shí)，同時(shí)向上下路溫差檢測(cè)部分的控制單片機(jī)的中斷O發(fā)出中斷請(qǐng)求，其中，定 時(shí)器O為上路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)，定時(shí)器l為下路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)，上下路溫差檢測(cè)控制單片機(jī)的中斷O得到響應(yīng)后，在各自的中斷服務(wù)程序中 分別啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換，分別將溫差放大電路輸出的溫度漂移電壓鎖存到 電壓減法器的負(fù)輸入端，再分別去減溫差放大電路直接加在電壓減法器的正輸 入端的實(shí)時(shí)輸出電壓，此時(shí)電壓減法器的輸出電壓為零，完成了 "動(dòng)態(tài)校零" 動(dòng)作，然后分別關(guān)閉單片機(jī)的中斷O，開(kāi)放中斷1并退出各自的中斷0服務(wù)程序， 等待熱流的到達(dá)，當(dāng)熱流到達(dá)上對(duì)熱電偶溫度傳感器或到達(dá)下對(duì)熱電偶溫度傳感器，與之相 連的相應(yīng)的上路溫差放大器的輸出電壓或下路溫差放大器的輸出電壓將增大， 減去相應(yīng)的鎖存在上路電壓減法器或下路電壓減法器負(fù)輸入端的溫度漂移電 壓，相應(yīng)的上路電壓減法器或下路電壓減法器的輸出電壓將由零逐漸增大，分 別送入相應(yīng)的上路電壓比較器或下路電壓比較器，與預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓 進(jìn)行比較，當(dāng)上路減法器的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電壓比較器 翻轉(zhuǎn)，其輸出向上路控制單片機(jī)的外部中斷l(xiāng)發(fā)出中斷請(qǐng)求，上路控制單片機(jī)響 應(yīng)外部中斷l(xiāng)后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中向中路主控制部分主單片機(jī)的外部 中斷0發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī)的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下一輪溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī)的外部中斷l(xiāng)服務(wù)程序，中路主控制部分主單片機(jī)響應(yīng)外部中斷o后，在外部中斷o的服務(wù)程序中停止上路溫差檢測(cè)定時(shí)器o的計(jì)時(shí)，退出 主單片機(jī)的外部中斷o服務(wù)程序，當(dāng)下路減法器的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電壓比較器 翻轉(zhuǎn)，其輸出向下路控制單片機(jī)的外部中斷l(xiāng)發(fā)出中斷請(qǐng)求，控制單片機(jī)響應(yīng)外 部中斷1后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中向中路主控制部分主單片機(jī)的外部中斷l(xiāng)發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī)的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下一輪溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī)的外部中斷l(xiāng)服務(wù)程序，中路主控制部分主單片機(jī)響應(yīng)外部中斷 l后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中停止下路溫差檢測(cè)定時(shí)器l的計(jì)時(shí)，退出主單片 機(jī)的外部中斷l(xiāng)服務(wù)程序，當(dāng)中路主控制部分主單片機(jī)的外部中斷0和外部中斷1均發(fā)生并退出后，也 就是說(shuō)完成了上路溫差檢測(cè)定時(shí)器0和下路溫差檢測(cè)定時(shí)器1的計(jì)時(shí)，主單片機(jī) 將定時(shí)器0和定時(shí)器1的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，分別代表L、 Tn，通過(guò)232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路 發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)和安裝探頭時(shí)已經(jīng)確定的距離S代入 公式(3)，計(jì)算出所測(cè)莖稈的植物莖流流速并顯示在屏幕上，在所測(cè)莖稈被施 加的熱量全部消退后，進(jìn)行下一輪植物莖流流速測(cè)量，并重復(fù)同樣的過(guò)程。一種植物莖流流速測(cè)量裝置，其特征在于該裝置包括上路溫差檢測(cè)部分、 下路溫差檢測(cè)部分與中路主控制部分，上路溫差檢測(cè)部分和下路溫差檢測(cè)部分 是互為對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，并且參數(shù)相同，中路主控制部分包括控制計(jì)算機(jī)、與控制計(jì)算機(jī)相連接的232與TTL電平轉(zhuǎn) 換電路、通過(guò)串口和232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路相連接的主單片機(jī)、通過(guò)數(shù)字輸入 端與主單片機(jī)相連接的D/A轉(zhuǎn)換電路和與D/A轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出端相連接的加 熱器，上路溫差檢測(cè)部分包括溫度傳感器、溫差放大電路、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、 D/A轉(zhuǎn)換電路、電壓減法器和電壓比較器，其中，溫度傳感器和溫差放大電路的 差分輸入端相連接，溫差放大電路的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路的模 擬輸入端和電壓減法器的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出端和單片機(jī) 相連接，單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出 端和電壓減法器的負(fù)輸入端相連接，電壓減法器的輸出端和電壓比較器的輸入 端相連接，電壓比較器的輸出端和單片機(jī)的中斷l(xiāng)端口相連接，下路溫差檢測(cè)部分包括熱電偶溫度傳感器、溫差放大電路、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn) 換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、電壓減法器和電壓比較器，其中，溫度傳感器和溫差放 大電路的差分輸入端相連接，溫差放大電路的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換 電路的模擬輸入端和電壓減法器的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出端 和單片機(jī)相連接，單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路的 模擬輸出端和電壓減法器的負(fù)輸入端相連接，電壓減法器的輸出端和電壓比較 器的輸入端相連接，電壓比較器的輸出端和單片機(jī)的中斷l(xiāng)端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)的一個(gè)端口和上路溫差檢測(cè)單片機(jī)的外部中斷O端口相連接，上路溫差檢測(cè)單片機(jī)的一個(gè)端口和中路主控制部分主單片機(jī)的外 部中斷0端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)的一個(gè)端口和下路溫差檢測(cè)單片機(jī)的外部中斷O 端口相連接，下路溫差檢測(cè)單片機(jī)的一個(gè)端口和中路主控制部分主單片機(jī)的外 部中斷l(xiāng)端口相連接。本發(fā)明具有如下積極效果本發(fā)明有效地減少了對(duì)莖稈的加熱量，不僅適合普通果林等木本植物，還 首次將熱脈沖示蹤技術(shù)擴(kuò)展到了植物微小莖稈和草本植物莖流流速的測(cè)量。因此具有工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明在要測(cè)量的植物莖稈的表面或插入莖稈內(nèi)部安裝一個(gè)加熱器。在植 物莖稈距離加熱器的上方和下方等距離處各安裝一對(duì)溫度傳感器(以下簡(jiǎn)稱上 對(duì)溫度傳感器和下對(duì)溫度傳感器)，每對(duì)溫度傳感器的兩個(gè)傳感器沿著莖稈上下 方向分開(kāi)布置，用于溫差測(cè)量。溫度傳感器安裝在植物莖稈的表面或插入莖稈 內(nèi)部，如果溫度傳感器安裝在植物莖稈的表面，在每對(duì)溫度傳感器非接觸植物 莖稈的外面還需要用泡沫塑料包裹，以避免加熱器的熱量通過(guò)空氣對(duì)流和熱輻 射傳遞給溫度傳感器。通過(guò)加熱器對(duì)植物莖稈進(jìn)行瞬間加熱，形成一個(gè)熱脈沖，加熱器雖然停止 加熱，但在熱勢(shì)能的作用下，熱量仍會(huì)沿著植物莖稈向加熱器上下兩個(gè)方向同 時(shí)傳遞，熱流到達(dá)加熱器上下兩對(duì)溫度傳感器時(shí)，由于每對(duì)溫度傳感器的兩個(gè) 傳感器是沿著莖稈上下方向分開(kāi)布置的，熱流不可能同時(shí)到達(dá)任何一對(duì)溫度傳 感器的兩個(gè)傳感器，因此，將有溫差輸出，溫差出現(xiàn)的時(shí)間可以代表熱流到達(dá) 的時(shí)間。由于溫度傳感器安裝的對(duì)稱性，如果植物莖流流速為零，熱流將同時(shí)到達(dá) 上下兩對(duì)溫度傳感器，也就是說(shuō)上下兩對(duì)溫度傳感器溫差出現(xiàn)的時(shí)間相同。如 果植物莖流流速不為零，并假定莖流流向是向上的，熱流受到植物莖流的推送 (相對(duì)于上對(duì)溫度傳感器)或頂逆(相對(duì)于下對(duì)溫度傳感器)，熱流將先到達(dá) 上對(duì)溫度傳感器，而后到達(dá)下對(duì)溫度傳感器，也就是說(shuō)上對(duì)溫度傳感器溫差出 現(xiàn)的時(shí)間先于下對(duì)溫度傳感器溫差出現(xiàn)的時(shí)間。熱流移動(dòng)的速度可以看成熱擴(kuò)散速度(這里的熱擴(kuò)散速度可以理解為莖流 為零時(shí)的熱流移動(dòng)速度。由于安裝的對(duì)稱性，向上和向下的熱擴(kuò)散速度是相等的，以下簡(jiǎn)稱Vk)和莖流速度(以下簡(jiǎn)稱Vj)兩個(gè)速度共同作用的結(jié)果。因此，可以套用數(shù)學(xué)競(jìng)賽的流水行船問(wèn)題的計(jì)算方法，計(jì)算植物莖流流速V」。船在江河里航行時(shí)，除了本身的前進(jìn)速度外，還受到流水的推送或頂逆， 在這種情況下計(jì)算船只的航行速度、時(shí)間和所行的路程，叫做流水行船問(wèn)題。流水行船問(wèn)題，是行程問(wèn)題中的一種，因此行程問(wèn)題中三個(gè)量(速度、時(shí) 間、路程)的關(guān)系在這里將要反復(fù)用到。此外，流水行船問(wèn)題還有以下兩個(gè)基本公式順?biāo)俣?船速+水速 (1)逆水速度=船速一水速 (2)這里，船速是指船本身的速度，也就是在靜水中單位時(shí)間里所走過(guò)的路程。 水速，是指水在單位時(shí)間里流過(guò)的路程.順?biāo)俣群湍嫠俣确謩e指順流航行時(shí) 和逆流航行時(shí)船在單位時(shí)間里所行的路程。設(shè)上對(duì)溫度傳感器距離加熱器的距離為S，由于安裝的對(duì)稱性，下對(duì)溫度傳 感器距離加熱器的距離也為S。熱擴(kuò)散速度Vk相當(dāng)于流水行船問(wèn)題的船速，植 物莖流流速Vj相當(dāng)于流水行船問(wèn)題的水速，熱流移動(dòng)沿莖流方向的速度相當(dāng)于 流水行船問(wèn)題的順?biāo)俣龋鵁崃饕苿?dòng)逆莖流方向的速度相當(dāng)于流水行船問(wèn)題 的逆水速度。設(shè)熱流移動(dòng)沿莖流方向到達(dá)相應(yīng)的那對(duì)溫度傳感器的時(shí)間為Ts， 熱流移動(dòng)逆莖流方向到達(dá)相應(yīng)的那對(duì)溫度傳感器的時(shí)間為Tn，套用流水行船問(wèn) 題的計(jì)算公式(1)和(2)就有如下兩個(gè)數(shù)學(xué)表述式S/Ts=Vk+VjS/Tn=Vk—Vj兩式相減Vj=(S/Ts—S/Tn)/2 (3) 因?yàn)?，溫差出現(xiàn)的時(shí)間可以代表熱流到達(dá)的時(shí)間。Ts、 L可以通過(guò)以下方法間接獲得需要兩個(gè)計(jì)時(shí)器，分別記錄上下兩對(duì)溫度傳感器溫差出現(xiàn)的時(shí)間。啟 動(dòng)加熱器為莖稈加熱的同時(shí)清零并啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)時(shí)器，當(dāng)上、下對(duì)溫度傳感器分 別檢測(cè)到溫差后關(guān)閉相應(yīng)的計(jì)時(shí)器。兩個(gè)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，分別代表L 、 Tn 。安裝加熱器和上下兩對(duì)溫度傳感器時(shí)(3)式中的S已經(jīng)確定，至此，(3)式等 號(hào)右側(cè)的參數(shù)全部確定，因此，可以通過(guò)(3)式計(jì)算出植物莖流流速Vj 。該方法正常工作，加熱量的下限是上下兩對(duì)溫度傳感器能準(zhǔn)確檢測(cè)到熱流 到達(dá)時(shí)出現(xiàn)的溫差。因此，理論上可以通過(guò)提高檢測(cè)溫差靈敏度的方法來(lái)減少 加熱量，達(dá)到避免燒傷草本植物莖稈的目的。為了減少溫度傳感器的體積，減少熱慣性帶來(lái)的響應(yīng)延遲，提高對(duì)稱性， 本發(fā)明采用了一致性好，在作物生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)線性度好的T型熱龜偶。實(shí)際應(yīng) 用時(shí)采用了Omega型號(hào)為TFT-36的T型熱電偶線自制，測(cè)溫結(jié)點(diǎn)直徑可以小至 0. 3mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它類型的溫度傳感器，非常有利于植物微小莖稈莖流流速的 測(cè)量。但是T型熱電偶的輸出比較小，僅有40W/'C，要檢測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.6'C的溫 差，達(dá)到避免燒傷草本植物莖稈的目的，就涉及遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于24^電壓信號(hào)的放大問(wèn)題，例如檢測(cè)o. rc的溫差就涉及小于4^電壓信號(hào)的放大問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)微伏級(jí)接近于直流的低頻信號(hào)放大主要的限制因素是噪聲和溫度漂移。溫差信號(hào)為差 模信號(hào)需要用共模信號(hào)抑制性能好的儀表放大器來(lái)放大，不幸的是，目前性能 最好的儀表放大器也不能同時(shí)做到噪聲和溫度漂移最小。目前，能夠購(gòu)買到的 溫度漂移最小的儀表放大器是自穩(wěn)零儀表放大器AD8230，溫度漂移為50nV/t:， 如果環(huán)境溫度在2(TC內(nèi)變化器溫度漂移為1W勉強(qiáng)可用，但其噪聲電壓為 3Wp-p，接近4^溫差電壓信號(hào)，溫差信號(hào)幾乎被噪聲淹沒(méi)，存在很大的測(cè)量誤 差。并且非常不幸，放大接近于直流的低頻信號(hào)時(shí)，這種固有的低頻噪聲(O. l 10Hz)是無(wú)法去掉的。因此，只能選擇噪聲性能相對(duì)較好的儀表放大器，例如INA128，其低頻噪聲(0. 1 10Hz)電壓為O. 2Wp-p，可以使用。但它的溫度漂 移為0.5W/'C，如果環(huán)境溫度在2(TC內(nèi)變化器溫度漂移將達(dá)到10Hv，已超過(guò)4W 溫差電壓信號(hào)，引起誤動(dòng)作。非常幸運(yùn)的是，溫差檢測(cè)不是連續(xù)進(jìn)行的，每次 的溫差檢測(cè)均發(fā)生在啟動(dòng)加熱器后的4分鐘以內(nèi)，而4分鐘內(nèi)環(huán)境溫度的變化是 很小的，其溫度漂移電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫差電壓信號(hào)。本發(fā)明采用了一種"動(dòng)態(tài)校 零"技術(shù)，啟動(dòng)加熱的同時(shí)將溫差放大器輸出的漂移電壓通過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換 鎖存到電壓減法器的一端，去減送入電壓減法器另一端的溫差放大器輸出的實(shí) 時(shí)信號(hào)，這樣溫度漂移就被有效地限定在4分鐘內(nèi)環(huán)境溫度變化引起的漂移范圍 內(nèi)，其溫度漂移電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫差電壓信號(hào)。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，所需加熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品。發(fā)明人研制 的莖流數(shù)據(jù)無(wú)線自動(dòng)采集系統(tǒng)(溫度傳感器采用0mega型號(hào)為TFT-36的T型熱電 偶線自制)測(cè)點(diǎn)溫差閾值(溫差上升至該值時(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)器)僅有0.08-C，工作 穩(wěn)定可靠。


圖l為本發(fā)明探頭結(jié)構(gòu)安裝布置圖。 圖2為本發(fā)明測(cè)量方法示意圖。 圖3為本發(fā)明測(cè)量裝置的流程和電路連接圖。 圖4為本發(fā)明測(cè)量裝置實(shí)施例的上路溫差檢測(cè)部分電路圖。 圖5為本發(fā)明測(cè)量裝置實(shí)施例的中路主控制部分電路圖。 圖6為本發(fā)明測(cè)量裝置實(shí)施例的下路溫差檢測(cè)部分電路圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明探頭由加熱器2，上對(duì)溫度傳感器包括溫度傳感器3、 4，下對(duì)溫度傳感器包括溫度傳感器5、 6三部分組成。在要測(cè)量的植物莖稈l的表面或插入莖稈內(nèi)部安裝一個(gè)加熱器2。在植物莖 稈1距離加熱器2的上方和下方等距離S處各安裝一對(duì)溫度傳感器，簡(jiǎn)稱上對(duì) 溫度傳感器和下對(duì)溫度傳感器。上對(duì)溫度傳感器包括溫度傳感器3和溫度傳感 器4，下對(duì)溫度傳感器包括溫度傳感器5和溫度傳感器6。上對(duì)溫度傳感器的兩 個(gè)溫度傳感器3、 4，在植物莖稈1距離加熱器2的上方S處和S處的上方依次 分開(kāi)布置，同樣，與上對(duì)溫度傳感器對(duì)稱，下對(duì)溫度傳感器的兩個(gè)溫度傳感器5、 6，在植物莖稈1距離加熱器2的下方S處和S處的下方依次分開(kāi)布置。上下對(duì) 溫度傳感器用于溫差測(cè)量。溫度傳感器安裝在植物莖稈1的表面或插入莖稈內(nèi) 部，如果溫度傳感器安裝在植物莖稈1的表面，在每對(duì)溫度傳感器非接觸植物 莖稈1的外面還需要用泡沫塑料包裹，以避免加熱器2的熱量通過(guò)空氣對(duì)流和 熱輻射傳遞給溫度傳感器。如圖2所示，本發(fā)明的測(cè)量方法如下首先，在要測(cè)量莖流流速的植物莖 稈1上安裝一個(gè)加熱器2，用于加熱植物莖稈1，在植物莖稈1距離加熱器2的 上方和下方等距離S處各安裝一對(duì)溫度傳感器，用于檢測(cè)溫差，上對(duì)溫度傳感 器的兩個(gè)溫度傳感器3、 4，在植物莖稈1距離加熱器2的上方S處和S處的上 方依次分開(kāi)布置，與上對(duì)溫度傳感器對(duì)稱，下對(duì)溫度傳感器的兩個(gè)溫度傳感器5、 6，在植物莖稈1距離加熱器2的下方S處和S處的下方依次分開(kāi)布置，其次，需要兩個(gè)計(jì)時(shí)器，分別記錄上、下兩對(duì)溫度傳感器溫差出現(xiàn)的時(shí)間，啟動(dòng)加熱 器2對(duì)植物莖稈1進(jìn)行瞬間加熱的同時(shí)清零并啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)時(shí)器，當(dāng)上、下對(duì)溫 度傳感器分別檢測(cè)到溫差后關(guān)閉相應(yīng)的計(jì)時(shí)器，兩個(gè)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，分別 代表熱流到達(dá)的時(shí)間Ts、 Tn，然后，用公式(3)艮卩Vj=(S/Ts—S/Tn)/2，計(jì)算 出所測(cè)植物莖稈1的莖流流速V」，以熱電偶作為溫度傳感器為例進(jìn)步說(shuō)明如何實(shí)施本發(fā)明。如圖3所示，本發(fā)明測(cè)量裝置由上路溫差檢測(cè)和下路溫差檢測(cè)與中路主控制三部分組成，上路 溫差檢測(cè)和下路溫差檢測(cè)兩部分互為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并參數(shù)相同。中路主控制部分包括控制計(jì)算機(jī)22， 232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路21，主單片 機(jī)20， D/A轉(zhuǎn)換電路19和加熱器2。上路溫差檢測(cè)部分包括熱電偶溫度傳感器3、 4，溫差放大電路7，單片機(jī) 11， A/D轉(zhuǎn)換電路9， D/A轉(zhuǎn)換電路13，電壓減法器15，電壓比較器17。下路溫差檢測(cè)部分包括熱電偶溫度傳感器5、 6，溫差放大電路8，單片機(jī) 12， A/D轉(zhuǎn)換電路10， D/A轉(zhuǎn)換電路14，電壓減法器16，電壓比較器18。如圖3所示，本發(fā)明測(cè)量裝置電路連接如下中路主控制部分，控制計(jì)算機(jī)22和232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路21相連接，232與 TTL電平轉(zhuǎn)換電路21和主單片機(jī)20的串口相連接，主單片機(jī)20和D/A轉(zhuǎn)換電路19 的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路19的模擬輸出端和加熱器2相連接。上路溫差檢測(cè)，熱電偶溫度傳感器3、 4和溫差放大電路7的差分輸入端相連 接，溫差放大電路7的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路9的模擬輸入端和電 壓減法器15的正(被減數(shù))輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路9的數(shù)字輸出端和單片 機(jī)11相連接，單片機(jī)11和D/A轉(zhuǎn)換電路13的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路13 的模擬輸出端和電壓減法器15的負(fù)(減數(shù))輸入端相連接，電壓減法器15的輸 出端和電壓比較器17的輸入端相連接，電壓比較器17的輸出端和單片機(jī)11的中 斷l(xiāng)端口相連接。下路溫差檢測(cè)，熱電偶溫度傳感器5、 6和溫差放大電路8的差分輸入端相連 接，溫差放大電路8的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路10的模擬輸入端和 電壓減法器16的正(被減數(shù))輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路10的數(shù)字輸出端和單 片機(jī)12相連接，單片機(jī)12和D/A轉(zhuǎn)換電路14的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路14的模擬輸出端和電壓減法器16的負(fù)(減數(shù))輸入端相連接，電壓減法器16的 輸出端和電壓比較器18的輸入端相連接，電壓比較器18的輸出端和單片機(jī)12的 中斷l(xiāng)端口相連接。中路主控制部分和上下路溫差檢測(cè)部分是通過(guò)單片機(jī)的中斷端口相互連接 的，中斷方式延遲最小，有利于提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。中路主控制部分主單片機(jī)20的一個(gè)端口和上路溫差檢測(cè)單片機(jī)11的外部中斷O端口相連接，上路溫差檢測(cè)單片機(jī)ll的一個(gè)端口和中路主控制部分主單片機(jī) 20的外部中斷0端口相連接。中路主控制部分主單片機(jī)20的一個(gè)端口和下路溫差檢測(cè)單片機(jī)12的外部中 斷O端口相連接，下路溫差檢測(cè)單片機(jī)12的一個(gè)端口和中路主控制部分主單片機(jī) 20的外部中斷1端口相連接。如圖3所示，本發(fā)明測(cè)量裝置的工作流程如下控制計(jì)算機(jī)22通過(guò)232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路21向中路主控制部分主單片機(jī)20 發(fā)送莖流數(shù)據(jù)采集指令，中路主控制部分主單片機(jī)20收到莖流數(shù)據(jù)采集指令后， 根據(jù)莖流數(shù)據(jù)采集指令中的加熱時(shí)間長(zhǎng)度和加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字值啟動(dòng)加 熱，加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路19轉(zhuǎn)換為模擬電壓加到加熱器2 上，按指令中的加熱時(shí)間長(zhǎng)度在中路主控制部分主單片機(jī)20的控制下瞬間加熱 植物莖稈l。在啟動(dòng)加熱后立刻將中路主控制部分主單片機(jī)20的兩個(gè)16位定時(shí)器 即定時(shí)器0和定時(shí)器1清零啟動(dòng)計(jì)時(shí)，同時(shí)向上下路溫差檢測(cè)部分的控制單片機(jī) 11、 12的中斷0發(fā)出中斷請(qǐng)求，其中，定時(shí)器O為上路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)，定時(shí)器l為 下路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)(定時(shí)器2為串行口波特率發(fā)生器，因此，需要選用具有3個(gè) 定時(shí)器的單片機(jī)例如89C52)。上下路溫差檢測(cè)控制單片機(jī)ll、 12的中斷0得到響應(yīng)后，在各自的中斷服務(wù)程序中分別啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換9、 10和D/A轉(zhuǎn)換13、 14，分別將溫差放大電路7、 8輸出 的溫度漂移電壓鎖存到電壓減法器15、 16的負(fù)(減數(shù))輸入端，再分別去減溫 差放大電路7、 8直接加在電壓減法器15、 16的正(被減數(shù))輸入端的實(shí)時(shí)輸出 電壓，此時(shí)電壓減法器15、 16的輸出電壓為零，完成了 "動(dòng)態(tài)校零"動(dòng)作，然 后分別關(guān)閉單片機(jī)ll、 12的中斷0，開(kāi)放中斷1并退出各自的中斷0服務(wù)程序，等 待熱流的到達(dá)。當(dāng)熱流到達(dá)上對(duì)熱電偶溫度傳感器3、 4或到達(dá)下對(duì)熱電偶溫度傳感器5、 6， 與之相連的相應(yīng)的上路溫差放大器7的輸出電壓或下路溫差放大器8的輸出電壓 將增大，減去相應(yīng)的鎖存在上路電壓減法器15或下路電壓減法器16負(fù)(減數(shù)) 輸入端的溫度漂移電壓，相應(yīng)的上路電壓減法器15或下路電壓減法器16的輸出 電壓將由零逐漸增大，分別送入相應(yīng)的上路電壓比較器17或下路電壓比較器18，與預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓進(jìn)行比較。當(dāng)上路減法器15的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電壓比較 器17翻轉(zhuǎn)，其輸出向上路控制單片機(jī)ll的外部中斷l(xiāng)發(fā)出中斷請(qǐng)求，上路控制單 片機(jī)ll響應(yīng)外部中斷l(xiāng)后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中向中路主控制部分主單片 機(jī)20的外部中斷0發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī)11的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下一輪溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī)ll的外部中斷l(xiāng)服務(wù)程序。中路主控制部分 主單片機(jī)20響應(yīng)外部中斷0后，在外部中斷O的服務(wù)程序中停止上路溫差檢測(cè)定 時(shí)器O的計(jì)時(shí)，退出主單片機(jī)20的外部中斷0服務(wù)程序。當(dāng)下路減法器16的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電壓比較 器18翻轉(zhuǎn)，其輸出向下路控制單片機(jī)12的外部中斷1發(fā)出中斷請(qǐng)求，控制單片機(jī) 12響應(yīng)外部中斷1后，在外部中斷1的服務(wù)程序中向中路主控制部分主單片機(jī)20 的外部中斷1發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī)12的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下一輪溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī)12的外部中斷1服務(wù)程序。中路主控制部分主單 片機(jī)20響應(yīng)外部中斷1后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中停止下路溫差檢測(cè)定時(shí)器l 的計(jì)時(shí)，退出主單片機(jī)20的外部中斷1服務(wù)程序。當(dāng)中路主控制部分主單片機(jī)20的外部中斷0和外部中斷1均發(fā)生并退出后， 也就是說(shuō)完成了上路溫差檢測(cè)定時(shí)器0和下路溫差檢測(cè)定時(shí)器1的計(jì)時(shí)，主單片 機(jī)20將定時(shí)器0和定時(shí)器1的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)(分別代表T, 、 Tn)通過(guò)232與TTL電平轉(zhuǎn)換 電路21發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)22，控制計(jì)算機(jī)22將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)和安裝探頭時(shí)已經(jīng)確定 的距離S代入(3)式，計(jì)算出所測(cè)莖稈l的植物莖流流速并顯示在屏幕上。在所 測(cè)莖稈l被施加的熱量全部消退后(這個(gè)時(shí)間一般要15分鐘，實(shí)際運(yùn)用時(shí)為保險(xiǎn) 起見(jiàn)可取20分鐘)，進(jìn)行下一輪植物莖流流速測(cè)量，并重復(fù)同樣的過(guò)程。圖4、 5、 6為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，流程圖3與實(shí)施例電路圖4 、 5、 6的電 路對(duì)應(yīng)如下如圖3、 4所示，圖3中的熱電偶溫度傳感器3、 4為圖4中的PR0BE—A， 圖4中集成電路U1A、 U2A組成了流程圖3的溫差放大電路7，圖3的單片機(jī)11為圖4 中U9A，圖4中的U3A、 U7A組成了圖3的A/D轉(zhuǎn)換電路9，圖4中的U5A、 U8A組成了 圖3的D/A轉(zhuǎn)換電路13，圖3的電壓減法器15為圖4中U4A，圖3的電壓比較器17為 圖4中U6A。同樣，如圖3、 6所示，圖3中的熱電偶溫度傳感器5、 6為圖6中的 PROBE—B，圖6中集成電路U1B、 U2B組成了流程圖3的溫差放大電路8，圖3的單 片機(jī)12為圖6中U9B，圖6中的U3B、 U7B組成了圖3的A/D轉(zhuǎn)換電路10，圖6中的U5B、 U8B組成了圖3的D/A轉(zhuǎn)換電路14，圖3的電壓減法器16為圖6中U4B，圖3的電壓比 較器18為圖6中U6B。如圖3、 5所示，圖3的232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路21為圖5中U4， 圖3的主單片機(jī)20為圖5中U3，圖5中的U1、 U2、 Ql、 Q2組成了圖3的D/A轉(zhuǎn)換電路 19，圖3的加熱器2為圖5中H0TER。如圖5所示，中路主控制部分，232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路U4的一端通過(guò)J2和控制計(jì)算機(jī)PC相連接，另一端和主單片機(jī)U3的串口相連接。主單片機(jī)U3和D/A轉(zhuǎn) 換電路U1、 U2、 Ql、 Q2的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路U1、 U2、 Ql、 Q2的模 擬輸出端和加熱器HOTER相連接。如圖4所示，上路溫差檢測(cè)，熱電偶溫度傳感器PROBE—A和溫差放大電路 U1A、 U2A的差分輸入端相連接，溫差放大電路U1A、 U2A的輸出端分為兩路，分 別與A/D轉(zhuǎn)換電路U3A、 U7A的模擬輸入端和電壓減法器U4A的正(被減數(shù))輸入 端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路U3A、 U7A的數(shù)字輸出端和單片機(jī)U9A相連接，單片機(jī)U9A 和D/A轉(zhuǎn)換電路U5A、 U8A的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路U5A、 U8A的模擬輸 出端和電壓減法器U4A的負(fù)(減數(shù))輸入端相連接，電壓減法器U4A的輸出端和 電壓比較器U6A的輸入端相連接，電壓比較器U6A的輸出端和單片機(jī)U9A的中斷l(xiāng) 端口相連接。如圖6所示，下路溫差檢測(cè)，熱電偶溫度傳感器PROBE—B和溫差放大電路 U1B、 U2B的差分輸入端相連接，溫差放大電路U1B、 U2B的輸出端分為兩路，分 別與A/D轉(zhuǎn)換電路U3B、 U7B的模擬輸入端和電壓減法器U4B的正(被減數(shù))輸入 端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路U3B、 U7B的數(shù)字輸出端和單片機(jī)U9B相連接，單片機(jī)U9B 和D/A轉(zhuǎn)換電路U5B、 U8B的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路U5B、 U8B的模擬輸 出端和電壓減法器U4B的負(fù)(減數(shù))輸入端相連接，電壓減法器U4B的輸出端和 電壓比較器U6B的輸入端相連接，電壓比較器U6B的輸出端和單片機(jī)U9B的中斷1 端口相連接。如圖4、 5、 6所示，中路主控制部分和上下路溫差檢測(cè)部分是通過(guò)單片機(jī)的 中斷端口相互連接的，中斷方式延遲最小，有利于提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。主控制 部分主單片機(jī)U3的一個(gè)端口和上路溫差檢測(cè)單片機(jī)U9A的外部中斷0端口相連 接，上路溫差檢測(cè)單片機(jī)U9A的一個(gè)端口和主控制部分主單片機(jī)U3的外部中斷0端口相連接。主控制部分主單片機(jī)U3的一個(gè)端口和下路溫差檢測(cè)單片機(jī)U9B的外 部中斷0端口相連接，下路溫差檢測(cè)單片機(jī)U9B的一個(gè)端口和主控制部分主單片 機(jī)U3的外部中斷1端口相連接。如圖4、 5、 6所示，本發(fā)明實(shí)施例的工作過(guò)程如下控制計(jì)算機(jī)PC通過(guò)232 與TTL電平轉(zhuǎn)換電路U4向主控制部分主單片機(jī)U3發(fā)送莖流數(shù)據(jù)采集指令，主控制 部分主單片機(jī)U3收到莖流數(shù)據(jù)采集指令后，根據(jù)莖流數(shù)據(jù)采集指令中的加熱時(shí) 間長(zhǎng)度和加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字值啟動(dòng)加熱，加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字值通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換電路U1、 U2、 Ql、 Q2轉(zhuǎn)換為模擬電壓加到加熱器H0TER上，按指令中的加熱 時(shí)間長(zhǎng)度在主控制部分主單片機(jī)U3的控制下瞬間加熱植物莖稈。在啟動(dòng)加熱后 立刻將主控制部分主單片機(jī)U3的兩個(gè)16位定時(shí)器即定時(shí)器0和定時(shí)器1清零啟動(dòng) 計(jì)時(shí)，同時(shí)向上下路溫差檢測(cè)部分的控制單片機(jī)U9A、U犯的中斷0發(fā)出中斷請(qǐng)求， 其中，定時(shí)器O為上路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)，定時(shí)器l為下路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)(定時(shí)器2為 串行口波特率發(fā)生器，U3為具有3個(gè)定時(shí)器的單片機(jī)89C52)?？刂茊纹瑱C(jī)U9A、 U9B的中斷0得到響應(yīng)后，在各自的中斷服務(wù)程序中分別啟 動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換U3A、 U7A、 U3B、 U7B和D/A轉(zhuǎn)換U5A、 U8A、 U5B、 U8B，分別將溫差放 大電路U1A、 U2A、 U1B、 U2B輸出的溫度漂移電壓鎖存到電壓減法器U4A、 U4B的 負(fù)(減數(shù))輸入端，再分別去減溫差放大電路U1A、 U2A、 U1B、 U2B直接加在電 壓減法器U4A、 U4B的正(被減數(shù))輸入端的實(shí)時(shí)輸出電壓，此時(shí)電壓減法器U4A、 U4B的輸出電壓為零，完成了 "動(dòng)態(tài)校零"動(dòng)作，然后分別關(guān)閉單片機(jī)U9A、 U9B 的中斷O，開(kāi)放中斷1并退出各自的中斷0服務(wù)程序，等待熱流的到達(dá)。當(dāng)熱流到達(dá)上對(duì)熱電偶溫度傳感器PROBE—A或到達(dá)下對(duì)熱電偶溫度傳感器 PROBE—B，與之相連的相應(yīng)的上路溫差放大器U1A、 U2A的輸出電壓或下路溫差 放大器U1B、 U2B的輸出電壓將增大，減去相應(yīng)的鎖存在上路電壓減法器U4A或下路電壓減法器U4B負(fù)(減數(shù))輸入端的溫度漂移電壓，相應(yīng)的上路電壓減法器U4A 或下路電壓減法器U4B的輸出電壓將由零逐漸增大，分別送入相應(yīng)的上路電壓比 較器U6A或下路電壓比較器U6B，與預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓進(jìn)行比較。當(dāng)上路減法器U4A的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電壓比 較器U6A翻轉(zhuǎn)，其輸出向上路控制單片機(jī)U9A的外部中斷1發(fā)出中斷請(qǐng)求，上路控 制單片機(jī)U9A響應(yīng)外部中斷1后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中向主控制部分主單片 機(jī)U3的外部中斷0發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī)U9A的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下 一輪溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī)U9A的外部中斷1服務(wù)程序。主單片機(jī)U3 響應(yīng)外部中斷O后，在外部中斷O的服務(wù)程序中停止上路溫差檢測(cè)定時(shí)器O的計(jì) 時(shí)，退出主單片機(jī)U3的外部中斷0服務(wù)程序。當(dāng)下路減法器U4B的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電壓比 較器U6B翻轉(zhuǎn)，其輸出向下路控制單片機(jī)U9B的外部中斷1發(fā)出中斷請(qǐng)求，控制單 片機(jī)U9B響應(yīng)外部中斷1后，在外部中斷1的服務(wù)程序中向主控制部分主單片機(jī)U3 的外部中斷1發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī)U9B的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下一輪 溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī)U9B的外部中斷1服務(wù)程序。主單片機(jī)U3響應(yīng) 外部中斷1后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中停止下路溫差檢測(cè)定時(shí)器l的計(jì)時(shí)，退 出主單片機(jī)U3的外部中斷1服務(wù)程序。當(dāng)主單片機(jī)U3的外部中斷0和外部中斷1均發(fā)生并退出后，也就是說(shuō)完成了 上路溫差檢測(cè)定時(shí)器0和下路溫差檢測(cè)定時(shí)器1的計(jì)時(shí)，主單片機(jī)U3將定時(shí)器0和 定時(shí)器l的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)(分別代表Ts、 Tn)通過(guò)232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路U4發(fā)送給控 制計(jì)算機(jī)PC，控制計(jì)算機(jī)PC將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)和安裝探頭時(shí)已經(jīng)確定的距離S代入(3) 式，計(jì)算出所測(cè)莖稈l的植物莖流流速并顯示在屏幕上。在所測(cè)莖稈被施加的熱 量全部消退后(這個(gè)時(shí)間一般要15分鐘，實(shí)際運(yùn)用時(shí)為保險(xiǎn)起見(jiàn)可取20分鐘)，進(jìn)行下一輪植物莖流流速測(cè)量，并重復(fù)同樣的過(guò)程。在本發(fā)明實(shí)施例電路圖中U1A、 U1B使用INA128， Ul、 U2A、 U2B使用0P07， U3A 、 U3B、 U4A、 U4B、 U5A、 U5B使用AD820， U6A、 U6B使用LM219， U9A、 U9B 使用89C2051， U3使用89C52， U4使用MAX232， U2使用DAC7611， U7A、 U7B使用 ADS7818， U8A、 U8B使用TLV5616， Q1使用2SD2495， Q2使用2SK30。
權(quán)利要求
1、一種植物莖流流速測(cè)量方法，其特征在于首先，在要測(cè)量莖流流速的植物莖稈(1)上安裝加熱器(2)，用于加熱植物莖稈(1)，在植物莖稈(1)距離加熱器(2)的上方和下方等距離S處各安裝一對(duì)溫度傳感器，用于檢測(cè)溫差，上對(duì)溫度傳感器的兩個(gè)溫度傳感器(3、4)，在植物莖稈(1)距離加熱器(2)的上方S處和S處的上方依次分開(kāi)布置，與上對(duì)溫度傳感器對(duì)稱，下對(duì)溫度傳感器的兩個(gè)溫度傳感器(5、6)，在植物莖稈(1)距離加熱器(2)的下方S處和S處的下方依次分開(kāi)布置，其次，通過(guò)兩個(gè)計(jì)時(shí)器，分別記錄上、下兩對(duì)溫度傳感器溫差出現(xiàn)的時(shí)間，啟動(dòng)加熱器(2)對(duì)植物莖稈(1)進(jìn)行瞬間加熱的同時(shí)清零并啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)時(shí)器，當(dāng)上、下對(duì)溫度傳感器分別檢測(cè)到溫差后關(guān)閉相應(yīng)的計(jì)時(shí)器，兩個(gè)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，分別代表熱流到達(dá)的時(shí)間Ts、Tn，然后，用公式(3)即Vj＝(S/Ts-S/Tn)/2，計(jì)算出所測(cè)植物莖稈(1)的莖流流速Vj。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的植物莖流流速測(cè)量方法，其特征在于在上述 植物莖流流速測(cè)量中設(shè)置上路溫差檢測(cè)部分、下路溫差檢測(cè)部分與中路主控 制部分，中路主控制部分包括控制計(jì)算機(jī)(22)、與控制計(jì)算機(jī)(22)相連接的232 與TTL電平轉(zhuǎn)換電路(21)、通過(guò)串口和232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路(21)相連接 的主單片機(jī)(20)、通過(guò)數(shù)字輸入端與主單片機(jī)(20)相連接的D/A轉(zhuǎn)換電路 (19)和與D/A轉(zhuǎn)換電路(19)的模擬輸出端相連接的加熱器(2)，上路溫差檢測(cè)部分包括溫度傳感器(3、 4)、溫差放大電路(7)、單片機(jī)(11)、 A/D轉(zhuǎn)換電路(9)、 D/A轉(zhuǎn)換電路(13)、電壓減法器(15)和電壓比 較器(17)，其中，溫度傳感器(3、 4)和溫差放大電路(7)的差分輸入端 相連接，溫差放大電路(7)的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路(9)的 模擬輸入端和電壓減法器(15)的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路(9)的數(shù) 字輸出端和單片機(jī)(11)相連接，單片機(jī)(11)和D/A轉(zhuǎn)換電路(13)的數(shù)字 輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路(13)的模擬輸出端和電壓減法器(15)的負(fù)輸 入端相連接，電壓減法器(15)的輸出端和電壓比較器(17)的輸入端相連 接，電壓比較器(17)的輸出端和單片機(jī)(11)的中斷l(xiāng)端口相連接，下路溫差檢測(cè)部分包括熱電偶溫度傳感器(5、 6)、溫差放大電路(8)、 單片機(jī)(12)、 A/D轉(zhuǎn)換電路(10)、 D/A轉(zhuǎn)換電路(14)、電壓減法器(16)和 電壓比較器(18)，其中，溫度傳感器(5、 6)和溫差放大電路(8)的差分 輸入端相連接，溫差放大電路(8)的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路(10)的模擬輸入端和電壓減法器(16)的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路(10) 的數(shù)字輸出端和單片機(jī)(12)相連接，單片機(jī)(12)和D/A轉(zhuǎn)換電路(14)的 數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路(14)的模擬輸出端和電壓減法器(16)的 負(fù)輸入端相連接，電壓減法器(16)的輸出端和電壓比較器(18)的輸入端 相連接，電壓比較器(18)的輸出端和單片機(jī)(12)的中斷l(xiāng)端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)(20)的一個(gè)端口和上路溫差檢測(cè)單片機(jī)(11) 的外部中斷0端口相連接，上路溫差檢測(cè)單片機(jī)(11)的一個(gè)端口和中路主控 制部分主單片機(jī)(20)的外部中斷0端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)(20)的-個(gè)端口和下路溫差檢測(cè)單片機(jī)(12) 的外部中斷0端口相連接，下路溫差檢測(cè)單片機(jī)(12)的一個(gè)端口和中路主控 制部分主單片機(jī)(20)的外部中斷l(xiāng)端口相連接，控制計(jì)算機(jī)(22)通過(guò)232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路(21)向中路主控制部分 主單片機(jī)(20)發(fā)送莖流數(shù)據(jù)采集指令，主單片機(jī)(20)收到莖流數(shù)據(jù)采集 指令后，根據(jù)莖流數(shù)據(jù)采集指令中的加熱時(shí)間長(zhǎng)度和加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字 值啟動(dòng)加熱，加熱電壓的二進(jìn)制數(shù)字值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路(19)轉(zhuǎn)換為模擬電 壓加到加熱器(2)上，按指令中的加熱時(shí)間長(zhǎng)度在中路主控制部分主單片機(jī) (20)的控制下瞬間加熱植物莖稈(1)，在啟動(dòng)加熱后立刻將中路主控制部 分主單片機(jī)(20)的兩個(gè)16位定時(shí)器即定時(shí)器0和定時(shí)器1清零啟動(dòng)計(jì)時(shí)，同 時(shí)向上下路溫差檢測(cè)部分的控制單片機(jī)(11、 12)的中斷O發(fā)出中斷請(qǐng)求，其 中，定時(shí)器O為上路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)，定時(shí)器l為下路溫差檢測(cè)計(jì)時(shí)，上下路溫差檢測(cè)控制單片機(jī)(11、 12)的中斷O得到響應(yīng)后，在各自的中 斷服務(wù)程序中分別啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換(9、 10)和D/A轉(zhuǎn)換(13、 14)，分別將溫差 放大電路(7、 8)輸出的溫度漂移電壓鎖存到電壓減法器(15、 16)的負(fù)輸 入端，再分別去減溫差放大電路(7、 8)直接加在電壓減法器(15、 16)的 正輸入端的實(shí)時(shí)輸出電壓，此時(shí)電壓減法器(15、 16)的輸出電壓為零，完 成了 "動(dòng)態(tài)校零"動(dòng)作，然后分別關(guān)閉單片機(jī)(11、 12)的中斷O，開(kāi)放中斷 l并退出各自的中斷O服務(wù)程序，等待熱流的到達(dá)，當(dāng)熱流到達(dá)上對(duì)熱電偶溫度傳感器(3、 4)或到達(dá)下對(duì)熱電偶溫度傳感 器(5、 6)，與之相連的相應(yīng)的上路溫差放大器(7)的輸出電壓或下路溫差 放大器(8)的輸出電壓將增大，減去相應(yīng)的鎖存在上路電壓減法器(15)或 下路電壓減法器(16)負(fù)輸入端的溫度漂移電壓，相應(yīng)的上路電壓減法器(15) 或下路電壓減法器(16)的輸出電壓將由零逐漸增大，分別送入相應(yīng)的上路 電壓比較器(17)或下路電壓比較器(18)，與預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓進(jìn)行 比較，當(dāng)上路減法器(15)的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電 壓比較器(17)翻轉(zhuǎn)，其輸出向上路控制單片機(jī)(11)的外部中斷l(xiāng)發(fā)出中斷 請(qǐng)求，上路控制單片機(jī)(11)響應(yīng)外部中斷l(xiāng)后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中 向中路主控制部分主單片機(jī)(20)的外部中斷O發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī) (11)的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下一輪溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī) (11)的外部中斷l(xiāng)服務(wù)程序，中路主控制部分主單片機(jī)(20)響應(yīng)外部中斷 0后，在外部中斷O的服務(wù)程序中停止上路溫差檢測(cè)定時(shí)器O的計(jì)時(shí)，退出主單 片機(jī)(20)的外部中斷O服務(wù)程序，當(dāng)下路減法器(16)的輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定的溫差閾值電壓將引發(fā)電 壓比較器(18)翻轉(zhuǎn)，其輸出向下路控制單片機(jī)(12)的外部中斷l(xiāng)發(fā)出中斷 請(qǐng)求，控制單片機(jī)(12)響應(yīng)外部中斷l(xiāng)后，在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中向中 路主控制部分主單片機(jī)(20)的外部中斷l(xiāng)發(fā)出中斷請(qǐng)求并關(guān)閉單片機(jī)(12) 的外部中斷1開(kāi)放中斷0，為下一輪溫差檢測(cè)做準(zhǔn)備，然后退出單片機(jī)(12) 的外部中斷l(xiāng)服務(wù)程序，中路主控制部分主單片機(jī)(20)響應(yīng)外部中斷l(xiāng)后， 在外部中斷l(xiāng)的服務(wù)程序中停止下路溫差檢測(cè)定時(shí)器l的計(jì)時(shí)，退出主單片機(jī) (20)的外部中斷l(xiāng)服務(wù)程序，當(dāng)中路主控制部分主單片機(jī)(20)的外部中斷0和外部中斷1均發(fā)生并退 出后，也就是說(shuō)完成了上路溫差檢測(cè)定時(shí)器0和下路溫差檢測(cè)定時(shí)器1的計(jì)時(shí)， 主單片機(jī)(20)將定時(shí)器0和定時(shí)器1的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，分別代表Ts、 Tn，通過(guò)232 與TTL電平轉(zhuǎn)換電路(21)發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)(22)，控制計(jì)算機(jī)(22)將計(jì) 時(shí)數(shù)據(jù)和安裝探頭時(shí)已經(jīng)確定的距離S代入(3)式，計(jì)算出所測(cè)莖稈(1)的 植物莖流流速并顯示在屏幕上，在所測(cè)莖稈(1)被施加的熱量全部消退后， 進(jìn)行下一輪植物莖流流速測(cè)量，并重復(fù)同樣的過(guò)程。
3、 一種植物莖流流速測(cè)量裝置，其特征在于該裝置包括上路溫差檢測(cè) 部分、下路溫差檢測(cè)部分與中路主控制部分，上路溫差檢測(cè)部分和下路溫差 檢測(cè)部分是互為對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，并且參數(shù)相同，中路主控制部分包括控制計(jì)算機(jī)(22)、與控制計(jì)算機(jī)(22)相連接的232 與TTL電平轉(zhuǎn)換電路(21)、通過(guò)串口和232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路(21)相連接 的主單片機(jī)(20)、通過(guò)數(shù)字輸入端與主單片機(jī)(20)相連接的D/A轉(zhuǎn)換電路(19)和與D/A轉(zhuǎn)換電路(19)的模擬輸出端相連接的加熱器(2)，上路溫差檢測(cè)部分包括溫度傳感器(3、 4)、溫差放大電路(7)、單片機(jī)(11)、 A/D轉(zhuǎn)換電路(9)、 D/A轉(zhuǎn)換電路(13)、電壓減法器(15)和電壓比 較器(17)，其中，溫度傳感器(3、 4)和溫差放大電路(7)的差分輸入端 相連接，溫差放大電路(7)的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路(9)的 模擬輸入端和電壓減法器(15)的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路(9)的數(shù) 字輸出端和單片機(jī)(11)相連接，單片機(jī)(11)和D/A轉(zhuǎn)換電路(13)的數(shù)字 輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路(13)的模擬輸出端和電壓減法器(15)的負(fù)輸 入端相連接，電壓減法器(15)的輸出端和電壓比較器(17)的輸入端相連 接，電壓比較器(17)的輸出端和單片機(jī)(11)的中斷l(xiāng)端口相連接，下路溫差檢測(cè)部分包括熱電偶溫度傳感器(5、 6)、溫差放大電路(8)、 單片機(jī)(12)、 A/D轉(zhuǎn)換電路(10)、 D/A轉(zhuǎn)換電路(14)、電壓減法器(16)和 電壓比較器(18)，其中，溫度傳感器(5、 6)和溫差放大電路(8)的差分 輸入端相連接，溫差放大電路(8)的輸出端分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路(10)的模擬輸入端和電壓減法器(16)的正輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路(10) 的數(shù)字輸出端和單片機(jī)(12)相連接，單片機(jī)(12)和D/A轉(zhuǎn)換電路(14)的 數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路(14)的模擬輸出端和電壓減法器(16)的負(fù)輸入端相連接，電壓減法器(16)的輸出端和電壓比較器(18)的輸入端 相連接，電壓比較器(18)的輸出端和單片機(jī)(12)的中斷l(xiāng)端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)(20)的一個(gè)端口和上路溫差檢測(cè)單片機(jī)(11) 的外部中斷0端口相連接，上路溫差檢測(cè)單片機(jī)(11)的一個(gè)端口和中路主控 制部分主單片機(jī)(20)的外部中斷0端口相連接，中路主控制部分主單片機(jī)(20)的一個(gè)端口和下路溫差檢測(cè)單片機(jī)(12) 的外部中斷0端口相連接，下路溫差檢測(cè)單片機(jī)(12)的一個(gè)端口和中路主控 制部分主單片機(jī)(20)的外部中斷l(xiāng)端口相連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物莖流流速測(cè)量裝置，其特征在于在中路 主控制部分中，其具體電路連接關(guān)系為232與TTL電平轉(zhuǎn)換電路U4的一端 通過(guò)接口 J2和控制計(jì)算機(jī)PC相連接，另一端和主單片機(jī)U3的串口相連接， 主單片機(jī)U3和D/A轉(zhuǎn)換電路U1、 U2、 Ql、 Q2的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn) 換電路U1、 U2、 Ql、 Q2的模擬輸出端和加熱器H0TER相連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物莖流流速測(cè)量裝置，其特征在于在上路 溫差檢測(cè)部分中，其具體電路連接關(guān)系為溫度傳感器PROBE--A和溫差放大 電路U1A、 U2A的差分輸入端相連接，溫差放大電路U1A、 U2A的輸出端分為兩 路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路U3A、 U7A的模擬輸入端和電壓減法器U4A的正輸入端 相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路U3A、 U7A的數(shù)字輸出端和單片機(jī)U9A相連接，單片機(jī)U9A 和D/A轉(zhuǎn)換電路U5A、 U8A的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路U5A、 U8A的模擬 輸出端和電壓減法器U4A的負(fù)輸入端相連接，電壓減法器U4A的輸出端和電壓 比較器U6A的輸入端相連接，電壓比較器U6A的輸出端和單片機(jī)U9A的中斷1端 口相連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物莖流流速測(cè)量裝置，其特征在于在下路溫差檢測(cè)部分中，其具體電路連接關(guān)系為熱電偶溫度傳感器PROBE—B和溫 差放大電路U1B、 U2B的差分輸入端相連接，溫差放大電路U1B、 U2B的輸出端 分為兩路，分別與A/D轉(zhuǎn)換電路U3B、 U7B的模擬輸入端和電壓減法器U4B的正 輸入端相連接，A/D轉(zhuǎn)換電路U3B、 U7B的數(shù)字輸出端和單片機(jī)U9B相連接，單 片機(jī)U9B和D/A轉(zhuǎn)換電路U5B、 U8B的數(shù)字輸入端相連接，D/A轉(zhuǎn)換電路U5B、 U8B 的模擬輸出端和電壓減法器U4B的負(fù)輸入端相連接，電壓減法器U4B的輸出端 和電壓比較器U6B的輸入端相連接，電壓比較器U6B的輸出端和單片機(jī)U9B的中 斷l(xiāng)端口相連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物莖流流速測(cè)量裝置，其特征在于中路主控制部分分別與上路溫差檢測(cè)部分、下路溫差檢測(cè)部分的具體電路連接關(guān)系 為主控制部分主單片機(jī)U3的一個(gè)端口和上路溫差檢測(cè)單片機(jī)U9A的外部中斷 0端口相連接，上路溫差檢測(cè)單片機(jī)U9A的一個(gè)端口和主控制部分主單片機(jī)U3 的外部中斷O端口相連接，主控制部分主單片機(jī)U3的一個(gè)端口和下路溫差檢測(cè) 單片機(jī)U犯的外部中斷O端口相連接，下路溫差檢測(cè)單片機(jī)U9B的一個(gè)端口和主 控制部分主單片機(jī)U3的外部中斷1端口相連接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物莖流流速測(cè)量裝置，其特征在于所述的 溫度傳感器為熱電偶溫度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用熱脈沖示蹤技術(shù)測(cè)量植物微小莖稈或草本植物莖流流速的植物莖流流速測(cè)量方法及其裝置，在要測(cè)量莖流流速的植物莖稈上安裝加熱器，在植物莖稈距離加熱器上方和下方等距離S處各裝一對(duì)溫度傳感器，每對(duì)溫度傳感器的兩個(gè)傳感器沿著莖稈上下方向分開(kāi)布置，用于檢測(cè)溫差，啟動(dòng)加熱器對(duì)莖稈進(jìn)行瞬間加熱的同時(shí)清零并啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)時(shí)器，當(dāng)上、下對(duì)溫度傳感器分別檢測(cè)到溫差后關(guān)閉相應(yīng)的計(jì)時(shí)器，將兩個(gè)計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間和S代入公式得到莖流流速，有效地減少了對(duì)莖稈的加熱量，不僅適合普通果林等木本植物，還首次將熱脈沖示蹤技術(shù)擴(kuò)展到植物微小莖稈和草本植物莖流流速的測(cè)量，具有工作穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P5/18GK101221193SQ20071018975
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者高任翔, 高勝國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所