一種用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置及方法，該裝置包括標(biāo)定電極組、選通電路、單片機(jī)及土壤樣品盒。所述標(biāo)定電極組包括N對(duì)電極，每對(duì)電極均電連接選通電路。所述選通電路電連接單片機(jī)。所述單片機(jī)控制選通電路逐個(gè)選通標(biāo)定電極組的每對(duì)電極。所述土壤樣品盒上開(kāi)設(shè)有寬度不一的進(jìn)水槽。本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)土壤樣本漸變開(kāi)槽掩膜，給干燥的土壤樣本沁水，使土壤樣本短時(shí)間內(nèi)形成不同含水量的線性分布，通過(guò)標(biāo)定電極組采集并經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析，計(jì)算出標(biāo)定電極組埋置點(diǎn)具體的特性曲線，從而快速完成一對(duì)一的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。
【專利說(shuō)明】ー種用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壌含水量測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于測(cè)量土壌含水量的標(biāo)定裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土壌含水量的測(cè)量方法有很多種，最常用的測(cè)量方法有四種:烘干法、電阻法、時(shí)域法(Time Domain Reflectometry, TDR)、步灰域法(Frequency Domain Reflectometry,FDR)，其它的測(cè)量方法還有:駐波率法(Standing-Wave Ratio),諧振頻率電容法(簡(jiǎn)稱RFC)、熱學(xué)法、吸力(能量)法、射線法、中子儀、Y射線(透射)法、化學(xué)法、探地雷達(dá)法(GPR)、核磁共振法(NMR)、分離示蹤劑法(Pr)、遙感法(RS)。
[0003]經(jīng)典測(cè)量的方法是烘箱烘干法:即取土樣放入烘箱，在105-110°C條件下，烘至恒重，為烘干土重，以此為基礎(chǔ)計(jì)算水分重(蒸發(fā)損失量)的百分比，從而獲得土壌水分含量。烘干法通常還有所謂的快速測(cè)定法，其程序與常規(guī)法相同，實(shí)質(zhì)仍是采用ー些手段使土樣烘至恒重的時(shí)間盡可能縮短，如酒精燃燒法、紅外線法、爐烤法，微波法等。電阻法是利用土壌多孔性，根據(jù)土壤電阻和它們的含水量有關(guān)系這一事實(shí)而采用的ー種方法。當(dāng)這些嵌有電極的組件放置在潮濕的土壌中吋，它們吸收土壤水分一直達(dá)到平衡狀態(tài)。組件的電阻由它們的含水量決定的，并依次由附近土壌水分張カ或吸力所決定。電阻讀數(shù)和土壤水分百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系可以用標(biāo)定方法來(lái)確定。這些組件在一段時(shí)間內(nèi)用來(lái)測(cè)定田間選定位置的含水量。時(shí)域反射法是ー種介電測(cè)量中的高速測(cè)量技木，電子脈沖在ー對(duì)并行的傳輸線路中(波導(dǎo)桿)的傳輸速度與環(huán)繞線路的周圍環(huán)境或接觸線路的材料的電介常數(shù)有關(guān)。頻域反射法簡(jiǎn)稱FDR法，是通過(guò)測(cè)量傳感器在土壌中因土壤介電常數(shù)的變化而引起頻率的變化來(lái)測(cè)量土壌的水分含量，這些變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壌含水量對(duì)應(yīng)成為三次多項(xiàng)式關(guān)系的電壓信號(hào)。
[0004]那么多種的測(cè)試方法，ー個(gè)共同的問(wèn)題是:土壌自身性質(zhì)千差萬(wàn)別，沒(méi)有ー種方法是萬(wàn)能的。烘干法麻煩，不能在線；電阻法不經(jīng)標(biāo)定不準(zhǔn)，國(guó)外成熟產(chǎn)品以時(shí)域法(TDR)和頻域法(FDR)為主。20世紀(jì)90年代后國(guó)際上已把TDR作為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備。TDR (包括FDR)盡管已被一般認(rèn)可，但值得ー提的是，TDR給出的含水量是整個(gè)探針長(zhǎng)度的平均含水量，所以，在同一土體中采用不同的埋置方式得出的結(jié)果可能會(huì)不同。有學(xué)者曾對(duì)橫埋式和豎埋式進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，兩種方法測(cè)定的I米土層的貯水量相差約10%。而且，在同等含水量的普通土壌和含鹽土壤施加高頻方波電壓，結(jié)果含鹽的樣本脈沖前沿明顯塌陷，這表明鹽分對(duì)介電常數(shù)產(chǎn)生了影響，預(yù)示著介電法不能普適于所有土壤樣本。電阻式的測(cè)量問(wèn)題更大，含水量和土壤電阻是非線性的，不同的土壌水-阻曲線相差很大。如果不能進(jìn)行和樣本之間一一對(duì)應(yīng)的標(biāo)定，電阻式的測(cè)量只有定性的意義，做不到定量測(cè)量。
[0005]其他ー些方法如駐波率法、諧振頻率電容法等不太成熟，應(yīng)用很少。由于田間土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和容重的變異性以及土壤分層等原因，使得任何ー種方法在測(cè)定含水量吋，都存在一定的誤差。造成這ー誤差既有測(cè)定技術(shù)和儀器方面的原因，也有方法本身的原因?，F(xiàn)有方法大都是從其它領(lǐng)域引進(jìn)而來(lái)，往往缺乏對(duì)土壤復(fù)雜、多變性質(zhì)的充分考慮，特別是土壤理化性質(zhì)的空間變異。當(dāng)發(fā)現(xiàn)其存在問(wèn)題時(shí)，大多不是從物理機(jī)理上進(jìn)行分析和解決，而是采用標(biāo)定法來(lái)解決，但大量的田間標(biāo)定又相當(dāng)困難，標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用范圍也很狹窄，因而不可避免地會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于通過(guò)一種用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置及方法，來(lái)解決以上【背景技術(shù)】部分提到的問(wèn)題。
[0007]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置，其包括標(biāo)定電極組、選通電路、單片機(jī)及土壤樣品盒；所述標(biāo)定電極組包括N對(duì)電極，每對(duì)電極均電連接選通電路，其中，N為正整數(shù)，取值大小由測(cè)量精度決定；所述選通電路電連接單片機(jī)；所述單片機(jī)控制選通電路逐個(gè)選通標(biāo)定電極組的每對(duì)電極；所述土壤樣品盒上開(kāi)設(shè)有寬度不一的進(jìn)水槽。
[0009]本發(fā)明還公開(kāi)了一種用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定方法，其包括如下步驟:
[0010]A、將標(biāo)定電極組分層埋置于土壤樣品盒中，其中，所述標(biāo)定電極組包括N對(duì)電極，每對(duì)電極埋置在土壤樣品盒的不同深度，N為正整數(shù)，取值大小由測(cè)量精度決定；
[0011]B、采用開(kāi)設(shè)有寬度不一進(jìn)水槽的土壤樣品盒裝土，通過(guò)進(jìn)水槽給土壤樣本沁水，使土壤樣本形成不同含水量的線性分布；
[0012]C、通過(guò)單片機(jī)控制選通電路逐個(gè)選通標(biāo)定電極組的每對(duì)電極，獲得每對(duì)電極的電壓值，分析處理后，計(jì)算出標(biāo)定電極組埋置點(diǎn)具體的特性曲線，完成土壤含水量的標(biāo)定。
[0013]本發(fā)明通過(guò)土壤樣本漸變開(kāi)槽掩膜，給干燥的土壤樣本沁水，使土壤樣本短時(shí)間內(nèi)形成不同含水量的線性分布，通過(guò)標(biāo)定電極組采集并經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析，計(jì)算出標(biāo)定電極組埋置點(diǎn)具體的特性曲線，從而快速完成一對(duì)一的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。本發(fā)明提供的用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置及方法幾乎適應(yīng)于任何一種土壤，智能化的土壤分層測(cè)量，消除了 TDR探針的缺陷，準(zhǔn)確、快速、易操作，解決了土壤含水量具有縱向分布，平均值不準(zhǔn)問(wèn)題。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的土壤樣品盒側(cè)視圖；
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0018]請(qǐng)參照?qǐng)D1和圖2所示，本實(shí)施例中用于測(cè)量土壤含水量的標(biāo)定裝置包括標(biāo)定電極組101、選通電路102、單片機(jī)103及土壤樣品盒104。
[0019]所述標(biāo)定電極組101包括N對(duì)電極1011，每對(duì)電極1011均電連接選通電路102，其中，N為正整數(shù)，取值大小由測(cè)量精度決定。取代傳統(tǒng)的兩根針狀電極1011，于本實(shí)施例，N取16，采用了 16對(duì)電極1011埋置于土壌中，探測(cè)不再是6-8厘米長(zhǎng)的區(qū)域(探針長(zhǎng)度)的平均探測(cè)，而是16對(duì)電極1011分別進(jìn)行探測(cè)。這樣做有兩個(gè)目的:一、可以測(cè)出土壤不同深度的不同含水量，給出的結(jié)果更加正確；ニ、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的需要，制成的漸變含水量的土壌樣本需要一次性標(biāo)定，16對(duì)電極1011可以滿足這個(gè)要求。
[0020]所述選通電路102電連接單片機(jī)103。所述單片機(jī)103控制選通電路102逐個(gè)選通標(biāo)定電極組101的每對(duì)電極1011。
[0021]所述土壤樣品盒104上開(kāi)設(shè)有寬度不一的進(jìn)水槽1041。寬度不一的進(jìn)水槽1041又稱漸變開(kāi)槽。帶有開(kāi)槽的土壌樣品盒104用于制作漸變含水量的土壤樣本，槽寬的部分進(jìn)水多，反之亦然。土壤樣本用于不同土壌的含水量特性曲線的快速分析。開(kāi)槽寬度漸變即可，使土壤樣本形成不同含水量的線性分布。
[0022]如圖3所示，本實(shí)施例中用于測(cè)量土壌含水量的標(biāo)定方法包括如下步驟:
[0023]步驟S301、將標(biāo)定電極組101分層埋置于土壤樣品盒104中，其中，所述標(biāo)定電極組101包括N對(duì)電極1011，每對(duì)電極1011埋置在土壤樣品盒104的不同深度，N為正整數(shù)，取值大小由測(cè)量精度決定。取代傳統(tǒng)的兩根針狀電極1011，于本實(shí)施例，N取16，采用了 16對(duì)電極1011埋置于土壌中，探測(cè)不再是6-8厘米長(zhǎng)的區(qū)域(探針長(zhǎng)度)的平均探測(cè)，而是16對(duì)電極1011分別進(jìn)行探測(cè)。
[0024]步驟S302、采用開(kāi)設(shè)有寬度不一進(jìn)水槽1041的土壌樣品盒104裝土，通過(guò)進(jìn)水槽1041給土壤樣本沁水，使土壤樣本形成不同含水量的線性分布。
[0025]步驟S303、通過(guò)單片機(jī)103控制選通電路102逐個(gè)選通標(biāo)定電極組101的每對(duì)電極1011，獲得每對(duì)電極1011的電壓值，分析處理后，計(jì)算出標(biāo)定電極組101埋置點(diǎn)具體的特性曲線，完成土壌含水量的標(biāo)定。
[0026]每對(duì)電極1011上的不同電壓標(biāo)志著每對(duì)電極1011對(duì)應(yīng)位置含水量不同。單片機(jī)103將確定含水量位置的電壓值記錄下來(lái)，計(jì)算出標(biāo)定電極組101埋置點(diǎn)具體的特性曲線，完成土壌含水量的現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定。實(shí)際使用中，單片機(jī)103將測(cè)到的土壌含水量電壓值和標(biāo)定值進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，即可計(jì)算出具體的含水量。需要指出的是，所謂的對(duì)應(yīng)電壓并不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)，理論和試驗(yàn)都證明存在ー種“分布電極1011效應(yīng)”。簡(jiǎn)單說(shuō)，不同電極1011間是相互影響的，標(biāo)定電極組101中每對(duì)電極1011的電壓值對(duì)上下電極1011都會(huì)產(chǎn)生影響，需要建立ー種算法，來(lái)還原消除相鄰電極1011影響后的電壓值。此外，介于標(biāo)定值之間的測(cè)試值，還需要進(jìn)行插值計(jì)算。
[0027]本發(fā)明通過(guò)土壤樣本漸變開(kāi)槽掩膜，給干燥的土壤樣本沁水，使土壤樣本短時(shí)間內(nèi)形成不同含水量的線性分布，通過(guò)標(biāo)定電極組采集并經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析，計(jì)算出標(biāo)定電極組埋置點(diǎn)具體的特性曲線，從而快速完成一対一的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。本發(fā)明提供的用于測(cè)量土壌含水量的標(biāo)定裝置及方法幾乎適應(yīng)于任何一種土壤，智能化的土壌分層測(cè)量，消除了 TDR探針的缺陷，準(zhǔn)確、快速、易操作，解決了土壌含水量具有縱向分布，平均值不準(zhǔn)問(wèn)題。
[0028]注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會(huì)脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過(guò)以上實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測(cè)量土壌含水量的標(biāo)定裝置，其特征在于，包括標(biāo)定電極組、選通電路、單片機(jī)及土壤樣品盒；所述標(biāo)定電極組包括N對(duì)電極，每對(duì)電極均電連接選通電路，其中，N為正整數(shù)，取值大小由測(cè)量精度決定；所述選通電路電連接單片機(jī)；所述單片機(jī)控制選通電路逐個(gè)選通標(biāo)定電極組的每對(duì)電扱；所述土壤樣品盒上開(kāi)設(shè)有寬度不一的進(jìn)水槽。
2.一種用于測(cè)量土壌含水量的標(biāo)定方法，其特征在于，包括如下步驟: A、將標(biāo)定電極組分層埋置于土壤樣品盒中，其中，所述標(biāo)定電極組包括N對(duì)電極，每對(duì)電極埋置在土壌樣品盒的不同深度，N為正整數(shù)，取值大小由測(cè)量精度決定； B、采用開(kāi)設(shè)有寬度不一進(jìn)水槽的土壌樣品盒裝土，通過(guò)進(jìn)水槽給土壤樣本沁水，使土壤樣本形成不同含水量的線性分布； C、通過(guò)單片機(jī)控制選通電路逐個(gè)選通標(biāo)定電極組的每對(duì)電扱，獲得每對(duì)電極的電壓值，分析處理后，計(jì)算出標(biāo)定電極組埋置點(diǎn)具體的特性曲線，完成土壌含水量的標(biāo)定。
【文檔編號(hào)】G01N27/60GK103454336SQ201310413136
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】朱亞田, 禹勝林 申請(qǐng)人:無(wú)錫信大氣象傳感網(wǎng)科技有限公司