CN102353602A - 一种土面蒸发量的补偿式自动测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土面蒸发量的补偿式自动测量***及方法，它包括土体测量装置、蒸发称重传感器、负压补偿装置、补偿称重传感器和控制装置；土体测量装置包括底盘、陶土板和土柱筒；陶土板与底盘之间具有导水区，底盘上设置有导水孔；负压补偿装置包括通过管路连接导水孔的补水瓶，通过管路连接补水瓶的负压缓冲瓶，通过管路依次连接负压缓冲瓶的负压传感器和负压泵，以及连接有另一负压传感器的张力计陶瓷头；控制装置包括单片机、时钟电路、A/D转换器、数据存贮器、通信接口电路、电源和驱动电路；A/D转换器将采集到的两个负压传感器的数据给单片机；时钟电路控制两次采集蒸发称重传感器和补偿传感器数据的时间间隔，并通过A/D转换器输入数据存贮器。本发明广泛应用于各种田间土体蒸发量的测量中。

Description

一种土面蒸发量的补偿式自动测量***及方法

技术领域

本发明涉及一种测量***及方法，特别是关于一种用于实时测量土面蒸发量的补偿式自动测量***及方法。

背景技术

在水资源紧缺和生态环境双重制约下，农业用水必须向节水、高效的方向发展。目前，我国农业节水的最大潜力在田间，作物吸收的水分仅有1％-2％用于作物器官的形成，其它绝大部分水分以作物蒸腾和棵间蒸发的方式散失，因此田间蒸发蒸腾是农业生产耗水的主要形式。为了减少田间水分的无效蒸发蒸腾，迫切需要能够实时、准确获取田间蒸发的测量数据，提高水分利用效率，但是田间蒸发蒸腾是一个相当复杂的连续过程，实时测量田间蒸发蒸腾存在很大的困难。

微型蒸发器是一种观测土体蒸发的器皿，自从1982年Boast提出利用微型蒸发器测定土体蒸发量以来，不少学者针对不同研究目的设计了一些不同功能的微型蒸发器。但是现有的微型蒸发器以人工称重为主，费时费力，不仅不能获取连续的实时数据，而且对农田环境的影响也较大。

目前测量土体蒸发量最直接的方法是利用大型称重式蒸渗仪测定裸土蒸发量，但是利用大型称重式蒸渗仪测定裸土蒸发量存在价格昂贵、装土困难和定期维护困难等问题，而且大型称重式蒸渗仪体积庞大，不能直接测定密植作物棵间蒸发，只能获取蒸发蒸腾总量。此外，由于现有的微型蒸发器是一种封底的小型蒸发器皿，测量土体与田间土体之间的联系被割裂开来，没有相应的连通或补偿装置，导致微型蒸发器内、外土体之间的含水状况产生明显差异，为了尽量减小微型蒸发器内、外土体的差异，一般采用频繁换土的方式，但在监测时段内，微型蒸发器内、外土体之间水势的差异必将导致蒸发量测量数据存在较大误差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够保持测量土体与田间土体水势一致的田间土面蒸发量的补偿式自动测量***及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种土面蒸发量的补偿式自动测量***，其特征在于：它包括一土体测量装置、一蒸发称重传感器、一负压补偿装置、一补偿称重传感器和一控制装置；所述土体测量装置包括从下向上依次设置的一底盘、一陶土板和一土柱筒；所述陶土板底面与所述底盘之间具有一导水区，所述导水区连通一设置在所述底盘上的导水孔；所述土体测量装置放置在所述蒸发称重传感器上；所述负压补偿装置包括一通过管路连接所述导水孔的补水瓶，一通过管路连接所述补水瓶的负压缓冲瓶，一通过管路依次连接所述负压缓冲瓶的负压传感器和负压泵，以及一连接有另一负压传感器的张力计陶瓷头；所述补水瓶放置在所述补偿称重传感器上；所述控制装置包括一单片机、一时钟电路、一A/D转换器、一数据存贮器、一通信接口电路、一电源和一驱动电路；所述单片机控制所述A/D转换器采集数据，所述A/D转换器将采集到的两个所述负压传感器的测量数据进行A/D转换后发送给所述单片机，所述单片机对两个信号进行比较后，通过所述驱动电路启动所述负压泵正向或反向驱动；所述时钟电路控制所述单片机两次采集所述蒸发称重传感器和补偿传感器数据的时间间隔，并通过所述A/D转换器经A/D转换后输入所述数据存贮器。

所述土体测量装置还设置有一压盘，所述压盘套设在所述土柱筒的下部，且压在所述陶土板的顶面。

所述陶土板与测量土体接触的表面设置有一层聚酰胺多孔膜。

所述一土体测量装置、一负压补偿装置和一控制装置相互对应为多个时，所述控制装置的通信接口电路通过一个SDI-12总线接口连接一外部计算机或数据采集器实现多组测量土体分小区测量。

采用所述***的一种土面蒸发量的补偿式自动测量方法，其包括如下步骤：1)设置一包括有土体测量装置、蒸发称重传感器、负压补偿装置、补偿称重传感器和控制装置的测量***；2)测量前，用环刀取出测量土体，放入所述土体测量装置中，加水搅拌至稀软，并埋设在田间土体中，将负压补偿装置的补水瓶通过管路连接土体测量装置的导水区，将负压补偿装置的负压缓冲瓶通过负压传感器连接负压泵，再将负压补偿装置中连接另一负压传感器的陶瓷头***田间土体中；3)控制装置的A/D转换器分别采集两个负压传感器对测量土体的水势和田间土体的水势测量结果，并将测量数据转换后输入控制装置的单片机进行数据对比；4)控制装置的单片机根据步骤3)得到的对比结果，通过控制装置的驱动电路启动负压补偿装置的负压泵对测量土体的水势和田间土体的水势进行调节，以保证二者水势一致；5)控制装置的时钟电路根据单片机设定的时间间隔，控制单片机两次采集蒸发称重传感器和补偿传感器称重数据的时间，并通过所述A/D转换器转换后输入所述控制装置的数据存贮器；6)单片机根据蒸发称重传感器和补偿称重传感器两次测量的数据，得到测量土体的损失水量和补水瓶的补充水量，二者之间的差值即为给定时间内测量土体的蒸发量，进而得到给定时间间隔内田间土体的蒸发总量。

在所述A/D转换器采集所述蒸发称重传感器和补偿称重传感器称重数据期间，所述单片机通过所述驱动电路停止负压泵的操作。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了一套负压补偿装置，因此可以随时保证测量土体的含水率与周围田间土体的含水率一致，避免和减少了现有测量土体与田间土体隔离而带来的测量误差，极大的提高了测量精度。2、本发明由于设置了蒸发称重传感器、补偿称重传感器和两个负压传感器，因此可以随时对测量土体的水势、田间土体水势、测量土体蒸发量和补水瓶补给水量等数据进行采集，并通过控制装置对测量土体和田间土体的水势进行自动调节，实现田间土体蒸发过程的连续测量。3、本发明可以根据不同需要通过单片机设置数据采集间隔，同时利用总线技术将数据输入外部的计算机或数据采集器，进而组成一个测量土体观测网络，即可以实现多组测量土体分小区测量，又可以实现对某一小区的单独测量，操作十分方便灵活。4、本发明由于实现了田间土体蒸发过程的连续测量，因此可以根据需要，随时对田间土体的蒸发总量进行测量。本发明结构简单、合理、成本低，在田间实施安全性较高，对农田环境影响小，它可以广泛应用于各种田间土体蒸发量的测量中。

附图说明

图1是本发明的补偿式自动测量***结构示意图；

图2是本发明的土体测量装置剖面示意图；

图3是本发明的土体测量装置整体剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～3所示，本发明的补偿式自动测量***包括一土体测量装置1(左侧虚框内)、一蒸发称重传感器2、一负压补偿装置3、一补偿称重传感器4和一控制装置5(右侧虚框内)。

本发明的土体测量装置1包括一底盘11、一圆盘状的陶土板12、一导水区13、一环柱状的土柱筒14和一压盘15。其中，底盘11设置有一阶梯形凹槽110(如图2所示)。需要对土体进行测量时，首先将陶土板12放置在底盘11的阶梯形凹槽110内，并且陶土板12和底盘11的顶面平齐，陶土板12和阶梯形凹槽110之间形成一导水区13，在位于导水区13的底盘11一侧设置一个导水孔111。用环刀取出需要测量的田间土体，将土柱筒14水平倒置，从土柱筒14的左侧或右侧装入测量土体，这时将土柱筒14竖直放置在陶土板12上，再将压盘15套设在土柱筒14的下部并且压在陶土板12的上面，完成土体测量装置1的安装，最后将土体测量装置1放置到蒸发称重传感器2上，并埋设在田间土体中。

上述实施例中，导水孔111是设置在底盘11的侧面，根据实际的测量需要导水孔111还可以设置在底盘11的底面。压盘15为一环状体，其作用类似垫圈，目的是固定陶土板12并且保证土柱筒14稳定地放在底盘11上。土柱筒14放置到陶土板12之前需要将与陶土板12接触的测量土体加水搅拌至稀软，目的是使测量土体与陶土板12充分接触。陶土板12与测量土体接触的表面设置有一层聚酰胺多孔膜，用于提升陶土板12的导气值，更好、更大程度的迅速测到土柱筒14里面土体的水势，而且可以弥补陶土板12制造工艺的缺陷，使其密度均匀，(注：土体的水势是一种衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水的平衡***中，单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状况的纯自由水体所能做的功)。

本发明的负压补偿装置3包括一导水管31、一补水瓶32、两负压管33、34、一负压缓冲瓶35、一负压泵36、两负压传感器37、38和一张力计陶瓷头39。负压补偿装置3安装时，导水管31的一端***导水孔111中，导水管31的另一端伸入到补水瓶32的底部水中。负压管33的一端插到补水瓶32的上面，且负压管33置于补水瓶32的水的上方且不能接触到水，负压管33的另一端***到负压缓冲瓶35内。另一负压管34的一端***到负压缓冲瓶35内，另一端连接到负压泵36上，并且在负压管34上串联一负压传感器37。另一负压传感器38连接一张力计陶瓷头39。测量时，补水瓶32放置在补偿称重传感器4上，张力计陶瓷头39放置在埋有土体测量装置1的田间土体中。

上述实施例中，负压缓冲瓶35用来对负压进行稳定，且可以保护负压泵36不会进入液体。

本发明的控制装置5包括一电源51、一驱动电路52、一单片机53、一时钟电路54、一A/D转换器55、一数据存贮器56和一通信接口电路57。测量时，电源51连接到驱动电路52上，驱动电路52连接到负压泵36上。单片机53通过驱动电路52驱动负压泵36正向或反向对土柱筒14的内、外水势平衡调节。单片机53设定采集数据的时间后，发送给时钟电路54一个定时间隔，时钟电路54定时触发单片机53控制A/D转换器55通过信号线采集两个负压传感器37、38、蒸发称重传感器2、补偿称重传感器4的测量数据，将所有测量的数据记录在数据存贮器56中，通信接口电路57用USB可以将测量数据发送到外部的计算机，实现对补偿式自动测量***运行参数的修改和存储数据的下载。

上述实施例中，通信接口电路57还置有一个SDI-12总线接口，通过SDI-12总线接口输入外部的计算机或数据采集器，进而组成一个测量土体观测网络，可以实现多组测量土体分小区测量(图中未示出)。

利用上述土面蒸发量的补偿式自动测量***，在一段时间内对田间土体蒸发总量的测量方法包括如下步骤：

1)测量前，用环刀取出测量土体，将测量土体装入土柱筒14中，土体上加水搅拌至稀软，完成土体测量装置1的安装后，将其放置在蒸发称重传感器2上组成整个测量装置，将整个测量装置埋设在田间土体中，并且将张力计陶瓷头39放置在埋有整个测量装置的田间土体中。

2)测量时，蒸发称重传感器2和补偿称重传感器4分别接通电源51，两个负压传感器37、38分别对土柱筒14内测量土体的水势和田间土体的水势进行测量，单片机53实时控制采集负压传感器37、38的测量数据，A/D转换器55分别采集两个负压传感器对测量土体的水势和田间土体的水势的测量结果，并将测量数据经过A/D转换后输入控制装置5的单片机53进行数据对比。

3)单片机53根据步骤2)得到的对比结果，启动驱动电路52驱动负压泵36对土柱筒14内测量土体水势和田间土体水势进行调节，最终使土柱筒14内测量土体的水势与田间土体水势保持一致。

如果测量得到土柱筒14内测量土体的水势高于田间土体的水势，负压使陶土板12从土柱筒14的土体中吸取水分，一直维持一定的负压将土柱筒14中的水分抽取到补水瓶22中；如果测量得到的土柱筒14中土体的水势低于田间土体水势，陶土板12将从补水瓶22中吸取水分输送给土柱筒14的土体中进行水分补充，最终使土柱筒14内测量土体的水势与田间土体的水势保持一致。

4)在完成水势调节以后，时钟电路54根据单片机53设定的时间间隔，定时触发单片机53两次采集蒸发称重传感器2和补偿称重传感器4称重数据的时间，并通过一A/D转换器55转换后输入数据存贮器56中。

5)分别计算蒸发称重传感器2和补偿称重传感器4前后两次测量数据的差值，即得到土柱筒14的测量土体损失水量和补水瓶32内的补充水量，将测量土体损失水量和补充水量相减，最终得到在给定的时间隔内土柱筒14的测量土体蒸发量，通过测量土体的面积和田间土体的面积换算则可以得到给定时间内田间土体的蒸发总量。

上述实施例中，为避免负压泵36工作时影响称重测量精度，在A/D转换器采集蒸发称重传感器2和补偿称重传感器4的称重数据期间，单片机53控制驱动电路52停止工作，称重数据采集完成后，继续实现负压控制。

综上所述，本发明采用负压补偿装置，保证测量土体水势与田间土体的水势保持一致，有效解决了传统称重式蒸发器土体与田间土体隔离带来的误差，极大地提高了测量精度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和实施方法的步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种土面蒸发量的补偿式自动测量***，其特征在于：它包括一土体测量装置、一蒸发称重传感器、一负压补偿装置、一补偿称重传感器和一控制装置；

所述土体测量装置包括从下向上依次设置的一底盘、一陶土板和一土柱筒；所述陶土板底面与所述底盘之间具有一导水区，所述导水区连通一设置在所述底盘上的导水孔；所述土体测量装置放置在所述蒸发称重传感器上；

所述负压补偿装置包括一通过管路连接所述导水孔的补水瓶，一通过管路连接所述补水瓶的负压缓冲瓶，一通过管路依次连接所述负压缓冲瓶的负压传感器和负压泵，以及一连接有另一负压传感器的张力计陶瓷头；所述补水瓶放置在所述补偿称重传感器上；

所述控制装置包括一单片机、一时钟电路、一A/D转换器、一数据存贮器、一通信接口电路、一电源和一驱动电路；所述单片机控制所述A/D转换器采集数据，所述A/D转换器将采集到的两个所述负压传感器的测量数据进行A/D转换后发送给所述单片机，所述单片机对两个信号进行比较后，通过所述驱动电路启动所述负压泵正向或反向驱动；所述时钟电路控制所述单片机两次采集所述蒸发称重传感器和补偿传感器数据的时间间隔，并通过所述A/D转换器经A/D转换后输入所述数据存贮器。

2.如权利要求1所述的一种土面蒸发量的补偿式自动测量***，其特征在于：所述土体测量装置还设置有一压盘，所述压盘套设在所述土柱筒的下部，且压在所述陶土板的顶面。

3.如权利要求1所述的一种土面蒸发量的补偿式自动测量***，其特征在于：所述陶土板与测量土体接触的表面设置有一层聚酰胺多孔膜。

4.如权利要求2所述的一种土面蒸发量的补偿式自动测量***，其特征在于：所述陶土板与测量土体接触的表面设置有一层聚酰胺多孔膜。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种土面蒸发量的补偿式自动测量***，其特征在于：所述一土体测量装置、一负压补偿装置和一控制装置相互对应为多个时，所述控制装置的通信接口电路通过一个SDI-12总线接口连接一外部计算机或数据采集器实现多组测量土体分小区测量。

6.采用如权利要求1～5任一项所述***的一种土面蒸发量的补偿式自动测量方法，其包括如下步骤：

1)设置一包括有土体测量装置、蒸发称重传感器、负压补偿装置、补偿称重传感器和控制装置的测量***；

2)测量前，用环刀取出测量土体，放入所述土体测量装置中，加水搅拌至稀软，并埋设在田间土体中，将负压补偿装置的补水瓶通过管路连接土体测量装置的导水区，将负压补偿装置的负压缓冲瓶通过负压传感器连接负压泵，再将负压补偿装置中连接另一负压传感器的陶瓷头***田间土体中；

3)控制装置的A/D转换器分别采集两个负压传感器对测量土体的水势和田间土体的水势测量结果，并将测量数据转换后输入控制装置的单片机进行数据对比；

4)控制装置的单片机根据步骤3)得到的对比结果，通过控制装置的驱动电路启动负压补偿装置的负压泵对测量土体的水势和田间土体的水势进行调节，以保证二者水势一致；

5)控制装置的时钟电路根据单片机设定的时间间隔，控制单片机两次采集蒸发称重传感器和补偿传感器称重数据的时间，并通过所述A/D转换器转换后输入所述控制装置的数据存贮器；

6)单片机根据蒸发称重传感器和补偿称重传感器两次测量的数据，得到测量土体的损失水量和补水瓶的补充水量，二者之间的差值即为给定时间内测量土体的蒸发量，进而得到给定时间间隔内田间土体的蒸发总量。

7.如权利要求6所述一种土面蒸发量的补偿式自动测量方法，其特征在于：在所述A/D转换器采集所述蒸发称重传感器和补偿称重传感器称重数据期间，所述单片机通过所述驱动电路停止负压泵的操作。

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