一種土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土壤學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置及其使用方 法，可以準(zhǔn)確、自動(dòng)測(cè)量干旱半干旱地區(qū)土壤表層凝結(jié)水量及其來(lái)源。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤凝結(jié)水在干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)起著十分重要的作用，它是組成生物結(jié)殼的細(xì) 菌、小動(dòng)物和植物重要水源，因此對(duì)其測(cè)量研究具有非常重要的生態(tài)與環(huán)境意義。土壤凝結(jié) 水來(lái)源于吸濕水、大氣水汽凝結(jié)水和土壤水汽凝結(jié)水，在干旱半干旱地區(qū)，凝結(jié)水主要產(chǎn)生 于地面以下0-15cm，20cm以下凝結(jié)水產(chǎn)生很少；而對(duì)凝結(jié)水的測(cè)量工作主要在18:00-8:00 進(jìn)行，一般每2h測(cè)量一次。
[0003] 目前，國(guó)際上還沒(méi)統(tǒng)一的測(cè)量土壤凝結(jié)水的裝置和方法，從Duvdevani凝結(jié)水計(jì)量 器法、人造凝結(jié)面法、Hi 1 tnor凝結(jié)水平衡法、熱脈沖法、同位素法以及測(cè)重法等都曾被科研 人員用于土壤凝結(jié)水測(cè)定，以上方法或多或少存在一些不足。眾所周知，Duvdevani凝結(jié)水 計(jì)量器觀測(cè)的凝結(jié)水量?jī)H僅是不同點(diǎn)的平均值，并不能得到凝結(jié)水的持續(xù)時(shí)間；所觀察的 量和自然表面沉積的凝結(jié)水量之間的關(guān)系是不確定的；所用的木塊可能會(huì)褪色，這不利于 冰點(diǎn)以下的測(cè)量。人造凝結(jié)面法的不足之處在于不能估算凝結(jié)水形成的速率或形成時(shí)間。 Hiltnor凝結(jié)水平衡法其所用的裝置容易受到風(fēng)等氣象因素的影響，其使用性還需要研究。 熱脈沖法通常使用一種新發(fā)展起來(lái)的測(cè)量介電常數(shù)的時(shí)域反射（Time-Domain Reflectometry)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，常見(jiàn)的測(cè)量裝置有HH2 Moisture Meter、TDR水分測(cè)試儀和 TSC Π 智能化土壤水分快速測(cè)試儀等，該技術(shù)的量精度容易受到土壤含鹽量的影響;裝置 成本非常高。同位素法的缺點(diǎn)在于它會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境因素影響，另外測(cè)量成本 也很高。測(cè)重法是國(guó)內(nèi)外使用最為普遍的測(cè)量土壤凝結(jié)水的方法，一般都是采用不同材料 的自制手動(dòng)的微型測(cè)滲計(jì)，其共同缺點(diǎn)普遍是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，使得工作量比較大，此 外，或裝置邊界效應(yīng)較大，或裝置材料導(dǎo)熱性過(guò)高等。
[0004] 例如，采用"測(cè)重法"的以下專(zhuān)利：中國(guó)專(zhuān)利CN204302141U公開(kāi)了一種土壤凝結(jié)水 測(cè)定裝置，可測(cè)定干旱半干旱區(qū)不同深度土壤凝結(jié)水量，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，每2h手動(dòng) 測(cè)量一次，工作量和誤差引發(fā)率非常大；中國(guó)專(zhuān)利CN204154594U公開(kāi)了一種適應(yīng)于砂性土 壤的自動(dòng)微型蒸滲儀，雖然在每次數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)不用將微滲儀取出來(lái)，減輕了部分工作量，但 并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，研究人員還是要每隔2h測(cè)量一次，這對(duì)研究人員的精力、安全等 都是一個(gè)重要的考驗(yàn);并且，該裝置是通過(guò)多個(gè)滑輪進(jìn)行重量傳輸，鋼絲與滑輪之間摩擦阻 力增加了測(cè)量誤差，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。
[0005] 綜上所述，目前無(wú)論是手動(dòng)還是自動(dòng)測(cè)量土壤凝結(jié)水的裝置，或工作量尤其是夜 間工作量過(guò)大，或沒(méi)有實(shí)現(xiàn)測(cè)量真正自動(dòng)化，或影響因素較多導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，或成本較 尚，或材料導(dǎo)熱性過(guò)尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示于一體的高精度的土壤凝結(jié)水全自動(dòng) 測(cè)量裝置及其使用方法，它能按照研究要求，設(shè)定每隔一定時(shí)間自動(dòng)測(cè)量一次數(shù)據(jù)并存儲(chǔ) 起來(lái)，該裝置大大降低了科研人員的工作量，與此同時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量也符合科研要求，該 裝置適用于干旱半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤凝結(jié)水的測(cè)量。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置，包括自動(dòng)測(cè) 量系統(tǒng)，微型測(cè)滲儀，外套管以及套設(shè)在外套管內(nèi)的內(nèi)套管，其中自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括底盤(pán)， 微型質(zhì)量傳感器，電源，導(dǎo)線(xiàn)，單片機(jī)，內(nèi)置有SD卡的SD卡槽，LED顯示器和連接PC的數(shù)據(jù)交 換口，所述底盤(pán)中部為空心圓柱體，多個(gè)微型質(zhì)量傳感器均勻嵌套在底盤(pán)的空心圓柱體的 邊緣，所述底盤(pán)上設(shè)置有環(huán)形導(dǎo)線(xiàn)槽，導(dǎo)線(xiàn)沿著環(huán)形導(dǎo)線(xiàn)槽將多個(gè)微型質(zhì)量傳感器連接起 來(lái)并伸出到外套管外與單片機(jī)連接，所述單片機(jī)分別與SD卡槽，LED顯示器，電源以及連接 PC的數(shù)據(jù)交換口連接，SD卡槽，LED顯示器和連接PC的數(shù)據(jù)交換口分別與電源連接，微型測(cè) 滲儀包括測(cè)滲儀裸身，尼龍網(wǎng)，內(nèi)夾環(huán)和外夾環(huán)，所述內(nèi)夾環(huán)和外夾環(huán)之間設(shè)置有尼龍網(wǎng)， 尼龍網(wǎng)通過(guò)內(nèi)夾環(huán)和外夾環(huán)固定在測(cè)滲儀裸身的兩端，所述微型測(cè)滲儀設(shè)置在微型質(zhì)量傳 感器上。
[0008] 進(jìn)一步，所述底盤(pán)的空心圓柱體的直徑大小與微型測(cè)滲儀的外徑相適應(yīng)。
[0009] 進(jìn)一步，所述微型質(zhì)量傳感器的數(shù)量至少為四個(gè)，微型質(zhì)量傳感器的上表面略低 于底盤(pán)上表面。
[0010]進(jìn)一步，所述測(cè)滲儀裸身為一個(gè)兩端開(kāi)口的厚壁塑料管，外徑大于80mm，高度在 50mm-150mm〇
[0011] 進(jìn)一步，所述測(cè)滲儀裸身上端的外夾環(huán)兩側(cè)分別設(shè)置有一個(gè)螺絲孔，所述螺絲孔 上設(shè)有螺絲釘，螺絲釘上系有提繩。
[0012] 進(jìn)一步，所述外套管和內(nèi)套管的一端削尖，利于插入土壤。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置的使用方法，包括如下步驟：
[0014] 1)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，選取合適的研究地點(diǎn)，將外套管垂直送入土壤中，使其頂端與地 面齊平，利用備用PVC管及調(diào)油刀，移取試驗(yàn)土壤放入微型測(cè)滲儀中，并通過(guò)內(nèi)夾環(huán)和外夾 環(huán)將尼龍網(wǎng)固定在測(cè)滲儀裸身的兩端；
[0015] 2)再次利用備用PVC管及調(diào)油刀在外套管內(nèi)部挖取一個(gè)"凸"字型土壤區(qū)，安放自 動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，將底盤(pán)放置于"凸"字型土壤區(qū)上，在底盤(pán)里嵌套微型質(zhì)量傳感器，導(dǎo)線(xiàn)與微型 質(zhì)量傳感器連接后沿著外套管內(nèi)壁與地上的單片機(jī)相連，單片機(jī)和電源、SD卡槽、LED顯示 器、連接PC的數(shù)據(jù)交換口相連，并將電源分別與SD卡槽、LED顯示器和連接PC的數(shù)據(jù)交換口 連接，SD卡槽內(nèi)放入SD卡；
[0016] 3)將微型測(cè)滲儀安放在微型質(zhì)量傳感器上，微型測(cè)滲儀的外徑剛好與底盤(pán)的空心 圓柱體的直徑相吻合，然后安裝內(nèi)套管，其頂端與地面齊平，并在外套管和內(nèi)套管之間填充 土壤；
[0017] 4)按照測(cè)量目標(biāo)，利用單片機(jī)設(shè)定測(cè)量周期后開(kāi)始測(cè)量，利用公式h=10Am/(P3i r2)(h為凝結(jié)水高度，Am為微型測(cè)滲儀的質(zhì)量變化量，r為其內(nèi)半徑），用單片機(jī)將凝結(jié)水的 質(zhì)量數(shù)據(jù)(g)轉(zhuǎn)換成凝結(jié)水的高度數(shù)據(jù)(mm);
[0018] 5)測(cè)完數(shù)據(jù)后，將SD卡取出進(jìn)行備份和分析，安裝新的SD卡，準(zhǔn)備下次自動(dòng)測(cè)量； 或者，待所有數(shù)據(jù)測(cè)完，通過(guò)連接PC的數(shù)據(jù)交換口將自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與PC相連，利用軟件進(jìn)行 數(shù)據(jù)分析。
[0019] 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
[0020] (1)本發(fā)明成本較低，且能實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水高精度、自動(dòng)化測(cè)量、存儲(chǔ)、顯示等功能，并 且免去科研人員夜間每隔2h測(cè)量的勞苦，總體上為科研人員節(jié)約大量的精力，保證了人身 安全；
[0021] (2)通過(guò)對(duì)單片機(jī)調(diào)試，將凝結(jié)水量的質(zhì)量數(shù)據(jù)(g)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為凝結(jié)水的高度數(shù)據(jù) (_)，克服了當(dāng)前繁瑣的換算過(guò)程；
[0022] (3)按照自身的需要，可以在幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間段通過(guò)調(diào)試單片機(jī)增加測(cè)量次數(shù)，掌握 凝結(jié)水準(zhǔn)確的起止時(shí)間;若結(jié)合其他自動(dòng)化設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水來(lái)源精準(zhǔn)分析；
[0023] (4)測(cè)滲儀裸身上的螺絲釘方便科研人員取出微型測(cè)滲儀，并且對(duì)周?chē)寥罃_動(dòng) ??；
[0024] (5)微型測(cè)滲儀的規(guī)格以及與其相配套的其他裝置的規(guī)格，能夠有效降低土壤的 邊緣效應(yīng)，保證凝結(jié)水測(cè)量的準(zhǔn)確性。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1是本發(fā)明中土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明中土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明中土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明中土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置的微型測(cè)滲儀的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖中：
[0030] 1、外套管 2、內(nèi)套管 3、底盤(pán)
[0031] 4、微型質(zhì)量傳感器 5、電源 6、導(dǎo)線(xiàn)
[0032] 7、單片機(jī) 8、SD卡槽 9、LED顯示器
[0033] 10、連接PC的數(shù)據(jù)交換口 11、環(huán)形導(dǎo)線(xiàn)槽12、測(cè)滲儀裸身
[0034] 13、尼龍網(wǎng) 14、內(nèi)夾環(huán) 15、外夾環(huán)
[0035] 16、螺絲釘 17、提繩
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
[0037]如圖1-4所示，本發(fā)明提供一種土壤凝結(jié)水全自動(dòng)測(cè)量裝置，包括自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)， 微型測(cè)滲儀，外套管1以及套設(shè)在外套管1內(nèi)的內(nèi)套管2,其中自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括底盤(pán)3,微型 質(zhì)量傳感器4，電源5，導(dǎo)線(xiàn)6，單片機(jī)7，內(nèi)置有SD卡的SD卡槽8，LED顯示器9和連接PC的數(shù)據(jù) 交換口 10,所述底盤(pán)3中部為空心圓柱體，四個(gè)微型質(zhì)量傳感器4均勻嵌套在底盤(pán)3的空心圓 柱體的邊緣，微型質(zhì)量傳感器4的上表面略低于底盤(pán)3的上表面，所述底盤(pán)3上設(shè)置有環(huán)形導(dǎo) 線(xiàn)槽11，導(dǎo)線(xiàn)6沿著環(huán)形導(dǎo)線(xiàn)槽11將四個(gè)微型質(zhì)量傳感器4連接起來(lái)并伸出到外套管1外與 單片機(jī)7連接，所述單片機(jī)7分別與SD卡槽8，LED顯示器9,電源5以及連接PC的數(shù)據(jù)交換口 10 連接，SD卡槽8，LED顯示器9和連接PC的數(shù)據(jù)交換口 10分別與電源5連接，微型測(cè)滲儀包括測(cè) 滲儀裸身12,尼龍網(wǎng)13,內(nèi)夾環(huán)14和外夾環(huán)15,所述內(nèi)夾環(huán)14和外夾環(huán)15之間設(shè)置