專利名稱：一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感器，特別是關(guān)于一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器。
背景技術(shù)：
目前常用的土壤表面蒸發(fā)測(cè)定技術(shù)主要有蒸滲儀法、水量平衡法、波文比能量平 衡法、渦度相關(guān)法和空氣動(dòng)力學(xué)方法，也可以利用Penman-Monteith公式等和遙感技術(shù)估 測(cè)區(qū)域蒸散。但是這些方法獲得的都是地表以上而不是土壤中的蒸發(fā)量，也無法得到近地 面蒸發(fā)狀況。由于土壤特性的時(shí)空變異性，對(duì)土壤含水量、溫度、熱特性以及其它物理參數(shù)的動(dòng) 態(tài)監(jiān)測(cè)是土壤學(xué)研究的重要課題。利用熱脈沖技術(shù)測(cè)定土壤溫度和熱特性是目前廣泛采用 的一項(xiàng)技術(shù)。熱脈沖技術(shù)是指通過對(duì)加熱探針施以較短時(shí)長(zhǎng)的直流電流，利用其兩側(cè)的溫度 感應(yīng)器檢測(cè)溫度變化。在已知脈沖時(shí)長(zhǎng)、探針間距和溫度隨時(shí)間的變化值后，通過求解各向 同性的熱傳導(dǎo)方程，反求得到土壤的熱物理參數(shù)，如熱導(dǎo)率、熱容量、熱擴(kuò)散系數(shù)等。利用熱脈沖技術(shù)和潛熱通量技術(shù)計(jì)算土壤的蒸發(fā)量就是指在已測(cè)定土壤各層熱 導(dǎo)率的情況下，通過熱電偶感應(yīng)探針準(zhǔn)確測(cè)定各層地溫動(dòng)態(tài)，從而計(jì)算獲取土壤各層熱通 量；然后在熱脈沖技術(shù)獲取土壤熱容量的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)測(cè)的地溫動(dòng)態(tài)獲取土壤熱儲(chǔ)量變 化，最終利用熱量平衡原理，計(jì)算得到各層的潛熱通量，并換算為土壤蒸發(fā)量。在新的研究 領(lǐng)域內(nèi)，如何更加準(zhǔn)確地測(cè)定各層潛熱通量，是有待解決的一項(xiàng)技術(shù)課題。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，該 傳感器更加有助于應(yīng)用熱脈沖技術(shù)和潛熱通量技術(shù)獲取土壤的蒸發(fā)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳 感器，其特征在于它包括七根溫度感應(yīng)探針和四根加熱探針，并排布置在探針手柄中，從 手柄的一端起，率先并排布置三根溫度感應(yīng)探針，然后依次間隔布置加熱探針和溫度感應(yīng) 探針，三根并排布置的溫度感應(yīng)探針之間間距為1mm，第一根所述加熱探針與三根并排溫度 感應(yīng)探針中緊鄰的一根間距為4mm，其余相鄰加熱探針與溫度感應(yīng)探針之間間距為6mm ；所 述溫度感應(yīng)探針伸出手柄的有效長(zhǎng)度為20mm，所述加熱探針比溫度感應(yīng)探針的有效長(zhǎng)度長(zhǎng) 20mm;所述加熱探針內(nèi)置熱電偶和電阻絲兩種元件，其中熱電偶距加熱探針頂端的距離為 20mm,電阻絲伸入到加熱探針的頂端；所述溫度感應(yīng)探針內(nèi)置熱電偶一種元件，所述熱電偶 伸入到溫度感應(yīng)探針的頂端。所述手柄緊貼所述三根并排布置的溫度感應(yīng)探針處的壁厚為1mm。各所述溫度感應(yīng)探針及加熱探針中的元件由不銹鋼管保護(hù)，在鋼管與元件之間的 空隙間填充有高熱導(dǎo)率材料。對(duì)于所述溫度感應(yīng)探針來講，熱電偶插入到所述鋼管的底端，對(duì)于所述加熱探針來講，熱電偶頭部與鋼管頂端之間留有20mm空間，電阻絲插入到鋼管的頂端。所述加熱探針中的電阻絲的總阻值為500 1000 ΩπΓ1。所述熱電偶為E型、K型、T型之一。所述手柄是使用聚氯乙烯PVC材料灌入模具在探針尾部凝固形成。本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型的傳感器具 有原位、擾動(dòng)小、自動(dòng)化程度高、便捷等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是它可以自動(dòng)測(cè)定土壤不同深度的 地溫動(dòng)態(tài)和土壤熱特性，可以應(yīng)用于研究土壤中的水、熱、鹽耦合傳輸過程。2、本實(shí)用新型 傳感器體積較小，方便田間應(yīng)用。3、本實(shí)用新型傳感器設(shè)計(jì)依據(jù)能量平衡原理，材料價(jià)格較 低，便于科研和氣象臺(tái)站推廣使用。

圖1是土壤中的熱量平衡計(jì)算模式圖圖2是本實(shí)用新型傳感器結(jié)構(gòu)圖圖3是利用本實(shí)用新型在某一時(shí)期內(nèi)測(cè)定的土壤不同深度的原位蒸發(fā)速率示意 圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的說明。本實(shí)用新型利用熱脈沖技術(shù)，將土壤溫度測(cè)定與熱特性測(cè)定的探針集成在一起， 利用土壤中能量平衡原理，基于土壤蒸發(fā)伴隨的熱量變化，自動(dòng)測(cè)定土壤表層以下各個(gè)土 層中的原位土壤蒸發(fā)量。同時(shí)，本實(shí)用新型傳感器還可以自動(dòng)測(cè)定土壤不同深度的土壤溫 度和土壤熱特性，極大地減輕了工作量，具有原位、擾動(dòng)小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在研究土 壤中的水、熱、鹽耦合傳輸過程中具有重要的應(yīng)用潛力。1、熱脈沖技術(shù)工作原理依據(jù)熱傳導(dǎo)原理，土壤中的熱量平衡方程為(計(jì)算模式如圖1所示)(H1-H2) - Δ S = LE (1)其中，H1和H2分別為土壤內(nèi)部?jī)蓚€(gè)不同深度的熱通量(W πΓ2)，Δ S為熱儲(chǔ)量變化 (W m_2)，LE為蒸發(fā)潛熱(W m_2)，L是汽化潛熱(J m_3)，已知量，E為蒸發(fā)量(mmh-1)。通過Fourier定律可以得到土壤各層熱通量H = -AX dT/dz (2)其中，λ為土壤熱導(dǎo)率(W HT1IT1)，dT/dz為溫度梯度。土壤中的熱儲(chǔ)量變化Δ S可以利用下式計(jì)算M = TLcijS^ (W1)(3)
tI tJ-I其中i和j代表不同的土層和時(shí)間，C為土壤熱容量(MJ m-3oC ―1)。因此，只要測(cè)定土壤各層的溫度和熱特性，就可以計(jì)算出其熱通量和熱儲(chǔ)量變化， 繼而利用熱平衡方程求出土壤各層的蒸發(fā)速率E。2、傳感器設(shè)計(jì)如圖2所示，根據(jù)上述原理，本實(shí)用新型提供的土壤原位蒸發(fā)測(cè)定傳感器主要由十一根探針組成，其中包括七根溫度感應(yīng)探針1、四根加熱探針2。加熱探針2比溫度感應(yīng)探 針1的有效長(zhǎng)度長(zhǎng)20mm。溫度感應(yīng)探針1內(nèi)部只有熱電偶11 一種元件，加熱探針2內(nèi)部包 含熱電偶21和電阻絲22兩種元件，熱電偶用于測(cè)定各層地溫動(dòng)態(tài)，絕緣電阻絲用以模擬線 型熱源。探針中各元件的外部均由鋼管保護(hù)，在鋼管與內(nèi)部元件之間填充有高熱導(dǎo)率材料 OmegabondlOl (Omega Engineering，Stamford，CT，美國(guó))。對(duì)于溫度感應(yīng)探針 1 來講,熱電 偶11 一直插入到鋼管12的頂端，對(duì)于加熱探針2來講，熱電偶21插入到鋼管23的中間部 位，熱電偶21頭部與鋼管23頂端之間留有20mm空間，電阻絲22則一直插入到鋼管23頂 端。例如在圖2所示的實(shí)施例中，溫度感應(yīng)探針1中鋼管3的長(zhǎng)度為30mm，加熱探針2中鋼 管3的長(zhǎng)度為50mm，制作時(shí)，將熱電偶和電阻絲放入各個(gè)不銹鋼鋼管中，對(duì)于溫度感應(yīng)探針 1來講，鋼管12的長(zhǎng)度為30mm，熱電偶11的頭部一直插入到鋼管的頂端，也即相當(dāng)于熱電 偶11插入到鋼管中的深度為30mm，熱電偶11的尾部位于鋼管12底端；對(duì)于加熱探針2來 講，鋼管23的長(zhǎng)度為50mm，熱電偶21插入到鋼管的深度為30mm，也即熱電偶21頭部與鋼管 底端之間還留有20mm空間，電阻絲22則一直插入到鋼管頂端，即插入深度為50mm。熱電偶 和/或電阻絲插好后，向鋼管內(nèi)部灌入高熱導(dǎo)率材料OmegabondlOl (Omega Engineering, Stamford，CT，美國(guó))將其固定，并保證各種元件與管壁絕緣，即完成探針的制作。本發(fā)明中，要求每一加熱探針2中的電阻絲22的總阻值為500 1000 ΩπΓ1。例 如對(duì)于直徑為75-μ m，材料為鎳鉻電阻合金(enameled Evanohm wire, Wilbur B. Driver Co.，Newark，美國(guó))的電阻絲，其電阻為222 ΩπΓ1，電阻絲就要在鋼管中折成4根，使得該加 熱探針的熱源強(qiáng)度為888 ΩπΓ1。上述實(shí)施例中，熱電偶為E型、K型、T型熱電偶均可以。在各個(gè)探針制作完成后，使用聚氯乙烯PVC材料灌入手柄模具中，使得其在探針 尾部制作探針手柄3。探針手柄3用于固定各個(gè)探針，使各個(gè)探針并排設(shè)置。各探針的排布 規(guī)則如下1)所有溫度感應(yīng)探針1露出手柄3的長(zhǎng)度為20mm ；所有加熱探針2露出手柄3的 長(zhǎng)度為40mm，即加熱探針2比溫度感應(yīng)探針1的有效長(zhǎng)度長(zhǎng)20mm。2)位于土壤表層設(shè)置三根并排的溫度感應(yīng)探針1，三根相鄰探針之間的垂直間 距，以及緊貼第一根探針的手柄邊緣的壁厚均為1mm。3)在三根并排設(shè)置的溫度感應(yīng)探針1之下，按長(zhǎng)、短間隔排布其余的四根加熱探 針2和四根溫度感應(yīng)探針1，其中長(zhǎng)、短間隔排布的相鄰加熱探針和溫度感應(yīng)探針之間的 垂直間距為6mm，第一根加熱探針2與三根并排溫度感應(yīng)探針1中緊鄰的一根垂直間距為 4mm。本發(fā)明設(shè)置表層三根溫度感應(yīng)探針的目的是考慮到表層蒸發(fā)的變異性最大，增加 表層的觀測(cè)密度。應(yīng)用本傳感器測(cè)定的工作程序是第一步，傳感器田間安裝。在田間土壤中挖一長(zhǎng)約50mm、寬約100mm、深約60mm的 土坑，將傳感器沿著土壤表層水平塞入土壤中(最上層探針正好位于土表)。第二步，將傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連，通過數(shù)據(jù)采集器完成加熱和溫度采集。第三步，將數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)中，利用熱量平衡方法計(jì)算獲取農(nóng) 田土壤不同層次的原位土壤蒸發(fā)量。[0044]下面是應(yīng)用本傳感器進(jìn)行土壤蒸發(fā)量測(cè)定的具體案例2009年5月，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)科學(xué)園利用原位土壤蒸發(fā)傳感器進(jìn)行了土壤 蒸發(fā)測(cè)定，供試土壤為砂土。田間安置在田間挖一個(gè)小土坑(50mm、寬100mm、深60mm)，將蒸發(fā)測(cè)定傳感器豎
直放入土中，三根溫度感應(yīng)探針位于表層，保證其表面與土壤表面幾乎持平，將土坑填平。 將配套的數(shù)據(jù)采集器、電池等測(cè)量?jī)x器裝入防雨箱中。儀器安置完畢后，在土面均勻澆水直 至土壤達(dá)到飽和狀態(tài)，然后觀測(cè)土壤逐漸變干的蒸發(fā)過程。測(cè)定過程土壤溫度測(cè)定均從整點(diǎn)開始，5分鐘測(cè)1次，所有溫度采集均由數(shù)據(jù)采 集器程序控制。土壤熱脈沖測(cè)定在整點(diǎn)后1分鐘開始，4小時(shí)循環(huán)1次，每次完成1個(gè)加熱 針的脈沖測(cè)定(即0: OOh第一根加熱針加熱，1: OOh第三根加熱針加熱，2: OOh第二根加熱 針加熱，3 OOh第四根加熱針加熱，依次循環(huán))，每次加熱時(shí)間為8s，測(cè)定間隔為ls，共180s。2009年第149日到第152日土壤剖面上各層次蒸發(fā)速率的測(cè)定結(jié)果如圖3所示。 在晴天條件下，土壤蒸發(fā)呈現(xiàn)明顯的日變化規(guī)律夜間蒸發(fā)較小，上午開始變大，在10點(diǎn)至 14點(diǎn)出現(xiàn)蒸發(fā)率峰值，隨后又逐漸降低。蒸發(fā)初期(土壤很濕，第149日)，蒸發(fā)速率最大 值發(fā)生在7. 3mm處，達(dá)到0. 21mm IT1 ；第150日，13. 5mm處蒸發(fā)速率達(dá)到最大值，為0. 24mm h—1，超過7. 3mm處(0. 14mm IT1)，達(dá)到最大；到第151日，19. 6mm處的蒸發(fā)速率達(dá)到最高，為 0. 18mm h—1。在30mm以下深度，土壤蒸發(fā)量很微小。這些結(jié)果表明，土壤內(nèi)部發(fā)生著明顯的原位土壤蒸發(fā)，本實(shí)用新型傳感器能夠測(cè) 定土壤各個(gè)層次的蒸發(fā)動(dòng)態(tài)。值得說明的是，上述實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式 等都是可以有所變化的，凡是在本實(shí)用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均 不應(yīng)排除在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于它包括七根溫度感應(yīng)探針和四根加熱探針，并排布置在探針手柄中，從手柄的一端起，率先并排布置三根溫度感應(yīng)探針，然后依次間隔布置加熱探針和溫度感應(yīng)探針，三根并排布置的溫度感應(yīng)探針之間間距為1mm，第一根所述加熱探針與三根并排溫度感應(yīng)探針中緊鄰的一根間距為4mm，其余相鄰加熱探針與溫度感應(yīng)探針之間間距為6mm；所述溫度感應(yīng)探針伸出手柄的有效長(zhǎng)度為20mm，所述加熱探針比溫度感應(yīng)探針的有效長(zhǎng)度長(zhǎng)20mm；所述加熱探針內(nèi)置熱電偶和電阻絲兩種元件，其中熱電偶距加熱探針頂端的距離為20mm，電阻絲伸入到加熱探針的頂端；所述溫度感應(yīng)探針內(nèi)置熱電偶一種元件，所述熱電偶伸入到溫度感應(yīng)探針的頂端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于所述手柄緊 貼所述三根并排布置的溫度感應(yīng)探針處的壁厚為1mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于各所述 溫度感應(yīng)探針及加熱探針中的元件由不銹鋼管保護(hù)，在鋼管與元件之間的空隙間填充有高 熱導(dǎo)率材料。
4.如權(quán)利要求3所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于對(duì)于所述溫 度感應(yīng)探針來講，熱電偶插入到所述鋼管的底端，對(duì)于所述加熱探針來講，熱電偶頭部與鋼 管頂端之間留有20mm空間，電阻絲插入到鋼管的頂端。
5.如權(quán)利要求1或4所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于所述加 熱探針中的電阻絲的總阻值為500 1000 ΩπΓ1。
6.如權(quán)利要求3所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于所述加熱探 針中的電阻絲的總阻值為500 1000 ΩπΓ1。
7.如權(quán)利要求1或2或4或6所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于 所述熱電偶為E型、K型、T型之一。
8.如權(quán)利要求3所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于所述熱電偶 為E型、K型、T型之一。
9.如權(quán)利要求1或2或4或6或8所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征 在于所述手柄是使用聚氯乙烯PVC材料灌入模具在探針尾部凝固形成。
10.如權(quán)利要求3所述的一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，其特征在于所述手柄是 使用聚氯乙烯PVC材料灌入模具在探針尾部凝固形成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種測(cè)定土壤原位蒸發(fā)量的傳感器，包括并排布置在探針手柄中的七根溫度感應(yīng)探針和四根加熱探針，從一端起率先布置三根溫度探針，然后依次間隔布置加熱探針和溫度探針，三根緊鄰的溫度探針之間間距為1mm，相鄰加熱探針與溫度探針之間間距為6mm；溫度探針伸出手柄的有效長(zhǎng)度為20mm，加熱探針比溫度探針長(zhǎng)20mm；加熱探針內(nèi)置熱電偶和電阻絲，其中熱電偶距加熱探針頂端20mm，電阻絲伸入到頂端；溫度探針內(nèi)置熱電偶一種元件，伸入到探針頂端。本實(shí)用新型具有原位、擾動(dòng)小、自動(dòng)化程度高、便捷等優(yōu)點(diǎn)，可以自動(dòng)測(cè)定土壤不同深度的地溫動(dòng)態(tài)和土壤熱特性，可以應(yīng)用于研究土壤中的水、熱、鹽耦合傳輸過程。
文檔編號(hào)G01N25/64GK201673134SQ20102019653
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者任圖生, 張曉 , 陸森 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)