一種測(cè)量土壤容重的探頭的制作方法
【專利摘要】一種測(cè)量土壤容重的探頭，包括探針手柄（1），垂直穿過(guò)并固定在探針手柄（1）上的第一溫度探針（2），加熱探針（3）和第二溫度探針（4），加熱探針（3）內(nèi)部裝有由絕緣電阻絲制作的線性熱源和一個(gè)位于中部的E型熱電偶；第一溫度探針（2）和第二溫度探針（4）內(nèi)部中間裝有E型熱電偶，75Ω的同軸電纜線（5）的中心銅線焊接在加熱探針（3）外的鋼管上端部位，同軸電纜線（5）外圍的網(wǎng)狀導(dǎo)電層分成等量?jī)晒桑謩e焊接在第一溫度探針（2）和第二溫度探針（4）的鋼管上方；該探針能提高探頭的測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】一種測(cè)量土壤容重的探頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種土壤測(cè)量裝置，特別涉及一種測(cè)量土壤容重的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤容重指單位容積土壤中固體的重量，是反映土壤緊實(shí)度和孔隙狀況的重要物理性狀。作物根系在土壤中的分布及其對(duì)水分養(yǎng)分的吸收、土壤微生物的活性、土壤中水分和氣體的運(yùn)動(dòng)和交換過(guò)程、土壤機(jī)械性能(包括收縮性、耕性和團(tuán)聚體穩(wěn)定性等)、污染物在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化以及土壤徑流和侵蝕過(guò)程等都與土壤容重有密切的關(guān)系。測(cè)定土壤容重的技術(shù)較多，傳統(tǒng)測(cè)量土壤容重的方法有環(huán)刀法，蠟封法等，簡(jiǎn)便易行且精準(zhǔn)度較高。但由于土壤特性的空間變異性，需要較大數(shù)目的樣品方可得到具有代表性的觀測(cè)值。同時(shí)，田間采樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)土壤破壞嚴(yán)重，對(duì)同一地點(diǎn)不可重復(fù)取樣測(cè)定，難以實(shí)現(xiàn)定位觀測(cè)。Y射線技術(shù)測(cè)量土壤容重則具有對(duì)土壤結(jié)構(gòu)影響輕微、測(cè)定迅速、可以進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)定時(shí)的標(biāo)定需求以及不可避免的輻射危害限制著其在科研和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的時(shí)域反射技術(shù)(Time Domain Reflectometry, TDR)實(shí)現(xiàn)了土壤含水量和電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)，在土壤水分空間變異性和溶質(zhì)運(yùn)移研究中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，熱脈沖技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于土壤熱導(dǎo)率、容積熱容量和熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定。與其它技術(shù)相比，TDR技術(shù)和熱脈沖技術(shù)具有測(cè)定快速、對(duì)土壤結(jié)構(gòu)影響輕微和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。目前已出現(xiàn)了將熱脈沖技術(shù)與時(shí)域反射技術(shù)相結(jié)合的熱脈沖一時(shí)域反射技術(shù)(Thermo-TDR)，利用熱脈沖技術(shù)得到土壤熱容量，利用時(shí)域反射技術(shù)得到同體積土壤上的含水量。實(shí)現(xiàn)了同一位置、相同體積土壤上含水量、電導(dǎo)率、溫度、容積熱容量、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的連續(xù)定位測(cè)定。
[0003]然而，目前的Thermo-TDR探頭的探針較細(xì)，直徑只有1.3毫米，間距較小，約為6毫米，而長(zhǎng)度為40毫米，研究表明，容積熱容測(cè)量中探頭間距(r)的誤差是影響熱脈沖技術(shù)測(cè)定結(jié)果的關(guān)鍵因子，也是該傳感器測(cè)定土壤容重的誤差原因所在。當(dāng)探頭插入土壤時(shí)，兩根探針間的距離往往會(huì)發(fā)生一定變化，導(dǎo)致實(shí)際(r)值發(fā)生變化進(jìn)而帶來(lái)容重的測(cè)定誤差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種優(yōu)化的Thermo-TDR探頭，該探頭可減少
容重的測(cè)定誤差。
[0005]為了達(dá)到本實(shí)用新型的目的所采用測(cè)量土壤容重的探頭，包括探針手柄1，垂直穿過(guò)并固定在探針手柄I上的第一溫度探針2，加熱探針3和第二溫度探針4，所述第一溫度探針2，加熱探針3和第二溫度探針4在基板上的垂直投影在一條直線上，加熱探針3處在第一溫度探針2和第二溫度探針4的中間，所述探針為一端帶尖的鋼管，加熱探針3內(nèi)部裝有由絕緣電阻絲制作的線性熱源和一個(gè)位于中部的E型熱電偶。第一溫度探針2和第二溫度探針4內(nèi)部中間裝有E型熱電偶，在上述各探針內(nèi)部充滿高熱導(dǎo)率材料，75Ω的同軸電纜線的中心銅線焊接在加熱探針3外的鋼管上端部位，同軸電纜外圍的網(wǎng)狀導(dǎo)電層分成等量?jī)晒?，分別焊接在第一溫度探針2和第二溫度探針4的鋼管上方。同軸電纜線連接于電纜測(cè)試儀，熱源和直流電源連接，熱電偶則與數(shù)據(jù)采集儀連接。所述三個(gè)探針直徑均為2毫米，加熱探針3與第一溫度探針2以及第二溫度探針4之間的距離均為8毫米，探針頂端與探針手柄I的距離均為40毫米。
[0006]所述固定鋼管所用的探針手柄由環(huán)氧樹(shù)脂組成。
[0007]所述絕緣電阻絲直徑為75微米，材料為鎳鉻電阻合金，電阻絲規(guī)格為221.9 Ωπ S電阻絲長(zhǎng)度為80毫米。
[0008]所述環(huán)氧樹(shù)脂材料為聚氯乙烯。
[0009]本實(shí)用新型的探針具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0010]1.探針直徑加粗，減少了探頭插入土壤時(shí)探針間距r的變化，消除了實(shí)際(r)值發(fā)生變化進(jìn)而帶來(lái)容重的測(cè)定誤差的影響；
[0011]2.探針采用一端帶尖的鋼管，減少探頭對(duì)土壤的擾動(dòng)且更容易插入土壤； [0012]3.增加探頭長(zhǎng)度，提高TDR測(cè)量含水量的準(zhǔn)確性；
[0013]4.探頭間距相應(yīng)增大，滿足了線性熱源的要求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的測(cè)量土壤容重的探頭的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的測(cè)量土壤容重的探頭做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本實(shí)用新型的測(cè)量土壤容重的探頭包括探針手柄1，探針手柄I的材料為聚氯乙烯。垂直穿過(guò)并固定在探針手柄I上的第一溫度探針2，加熱探針3和第二溫度探針4，所述第一溫度探針2，加熱探針3和第二溫度探針4在基板上的垂直投影在一條直線上，加熱探針3處在第一溫度探針2和第二溫度探針4的中間，探針為一端帶尖的鋼管，固定鋼管所用的探針手柄由環(huán)氧樹(shù)脂組成。
[0016]加熱探針3內(nèi)部裝有由絕緣電阻絲制作的線性熱源6和一個(gè)位于中部的E型熱電偶7。絕緣電阻絲直徑為75微米，材料為鎳鉻電阻合金，電阻絲規(guī)格為221.9Ωπ S電阻絲長(zhǎng)度為80毫米。制作時(shí)，將熱電偶和電阻絲放入各個(gè)不銹鋼管中，熱電偶位置均為距手柄底端20mm處，加熱電阻絲按照加熱針長(zhǎng)度形成四折。
[0017]第一溫度探針2和第二溫度探針4內(nèi)部中間裝有E型熱電偶，在上述各探針內(nèi)部充滿高熱導(dǎo)率材料，75Ω的同軸電纜線5的中心銅線焊接在加熱探針3外的鋼管上端部位，同軸電纜外圍的網(wǎng)狀導(dǎo)電層分成等量?jī)晒?，分別焊接在第一溫度探針2和第二溫度探針4的鋼管上方。同軸電纜線連接于電纜測(cè)試儀，熱源和直流電源連接，熱電偶則與數(shù)據(jù)采集儀連接。通過(guò)對(duì)熱脈沖技術(shù)測(cè)定土壤熱容量和TDR技術(shù)測(cè)定土壤含水量的理論分析，改進(jìn)了原Thermo-TDR探頭設(shè)計(jì)，為了減少探頭插入土壤時(shí)探針間距r的變化，所述三個(gè)探針直徑均為2毫米，為滿足線性熱源的要求，探頭間距相應(yīng)增大，具體而言，加熱探針3與第一溫度探針2以及第二溫度探針4之間的距離均為8毫米，同時(shí)，為了提高TDR測(cè)量含水量的準(zhǔn)確性， 增加探頭了長(zhǎng)度，三個(gè)探針頂端與探針手柄之間的距離均為40毫米。
[0018]使用該探頭的傳感器的工作過(guò)程為:將該探頭勻力插入土壤中，將同軸電纜，熱電偶和加熱絲引線分別與電纜測(cè)試儀、數(shù)據(jù)采集儀、直流電源(在田間使用時(shí)，用12V穩(wěn)壓電池代替)以及繼電器相連。數(shù)據(jù)采集儀在設(shè)定時(shí)間向中部探針提供8-20秒熱脈沖，并記錄通過(guò)線性熱源的電流以及兩側(cè)探針的溫度變化。加熱能量的大小根據(jù)土壤含水量調(diào)節(jié)，將數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)中。通過(guò)利用Matlab軟件對(duì)溫度感應(yīng)針監(jiān)測(cè)得到的溫度升高變化進(jìn)行分析，結(jié)合基本的熱傳導(dǎo)理論，反求計(jì)算得出土壤的熱特性。同時(shí)，利用PCTDR軟件直接讀取其反射率隨距離的變化圖像，利用Topp等公式直接得到土壤含水量。最后，利用土壤容積熱容量與含水量的關(guān)系，進(jìn)一步得到土壤容重?cái)?shù)據(jù)。
[0019]應(yīng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量土壤容重的探頭，包括探針手柄(I)，垂直穿過(guò)并固定在探針手柄(I)上的第一溫度探針(2 )，加熱探針(3 )和第二溫度探針(4 )，所述第一溫度探針(2 )，加熱探針(3 )和第二溫度探針(4)在探針手柄(1)上的垂直投影在一條直線上，加熱探針3處在第一溫度探針2和第二溫度探針4的中間，其特征在于: 所述三個(gè)探針(2，3，4)為一端帶尖的鋼管，加熱探針(3)內(nèi)部裝有由絕緣電阻絲制作的線性熱源(6)和一個(gè)位于鋼管中部的E型熱電偶(7);第一溫度探針(2)和第二溫度探針(4)內(nèi)部中間裝有E型熱電偶(7 )，在上述三個(gè)探針(2，3，4)內(nèi)部充滿高熱導(dǎo)率材料，75 Ω的同軸電纜線(5)的中心銅線焊接在加熱探針(3)外的鋼管上端部位，同軸電纜線(5)外圍的網(wǎng)狀導(dǎo)電層分成等量?jī)晒?，分別焊接在第一溫度探針(2)和第二溫度探針(4)的鋼管上方，同軸電纜線連接于電纜測(cè)試儀，線性熱源(6 )和直流電源連接，E型熱電偶(7 )與數(shù)據(jù)采集儀連接；所述三個(gè)探針(2，3，4)直徑均為2毫米，加熱探針(3)與第一溫度探針(2)以及第二溫度探針(4)之間的距離均為8毫米，所述三個(gè)探針(2，3，4)頂端與探針手柄I的距離均為40毫米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其中所述固定鋼管所用的探針手柄(I)由環(huán)氧樹(shù)脂組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其中所述絕緣電阻絲直徑為75微米，材料為鎳鉻電阻合金，電阻絲規(guī)格為221.9Ωm-1，電阻絲長(zhǎng)度為80毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探頭，其中所述環(huán)氧樹(shù)脂材料為聚氯乙烯。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK203705381SQ201420106396
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】任圖生, 盧奕麗, 劉曉娜, 張猛 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)