[發(fā)明專利]一種多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710554826.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-10
• 公開（公告）號(hào): CN107271481B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王衛(wèi)華;丁砥;李建波;龍小軍;程貝;謝軍;張志鵬;賈維兵;袁鴻猷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：包括溫度傳感器探針(1)，探針座(3)，熱脈沖探針(4)，內(nèi)螺紋口(5)，工型凸臺(tái)(6)，工型滑槽(7)，熱電偶(8)，熱脈沖發(fā)生器(11)，手持控制器(33)、底板(34)；

所述探針座(3)，側(cè)面為工型凸臺(tái)(6)，相鄰另一側(cè)為工型滑槽(7)，探針座(3)是中心部分為內(nèi)螺紋口(5)；

所述底板(34)由多個(gè)探針座(3)組合而成，一個(gè)探針座(3)一側(cè)工型滑槽(7)插入另一個(gè)探針座(3)一側(cè)的工型凸臺(tái)(6)組合而成，每個(gè)探針座大小相同；根據(jù)所測(cè)土壤深度選擇不同長(zhǎng)度的溫度傳感器探針(1)和熱脈沖探針(4)；分別通過探針螺紋固定桿(2)、探針外螺紋桿(10)和探針座(3)中心的內(nèi)螺紋口(5)旋轉(zhuǎn)組合在一起；

所述溫度傳感器探針(1)為空心結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部放置熱電偶(8)和熱電偶導(dǎo)線(9)，且熱電偶(8)和熱電偶導(dǎo)線(9)相連，且熱電偶導(dǎo)線(9)在探針內(nèi)部拉直不彎曲；溫度傳感器探針(1)熱電偶(8)和熱電偶導(dǎo)線(9)組合構(gòu)成溫度傳感器(21)；熱電偶導(dǎo)線(9)的外部延長(zhǎng)線與手持控制器(33)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集模塊(14)相連；

所述熱脈沖探針(4)為空心結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部底部固定放置熱脈沖發(fā)生器(11)，且通過熱脈沖導(dǎo)線(12)與手持控制器(33)內(nèi)部的熱脈沖控制模塊(16)相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：在手持控制器(33)內(nèi)部電路板上集成：數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊(13)、數(shù)據(jù)采集模塊(14)、人機(jī)交互模塊(15)、熱脈沖控制模塊(16)和電源模塊(17)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：數(shù)據(jù)采集模塊(14)包括濾波模塊(22)，A/D轉(zhuǎn)換模塊(23)；濾波模塊(22)與外部溫度傳感器(21)相連，A/D轉(zhuǎn)換模塊(23)與數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊(13)輸入端相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊(13)包括MCU控制器(18)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)模塊(19)，串口通信模塊(20)；MCU控制器(18)與FLASH存儲(chǔ)模塊(19)相連；數(shù)字信號(hào)經(jīng)過串口通信模塊(20)傳入MCU控制器(18)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將處理過后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)模塊(19)中，并通過串口通信模塊(20)進(jìn)行MCU程序?qū)懭肱c擦除。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：人機(jī)交互模塊(15)包括聲音模塊(24)，液晶顯示器(25)，鍵盤輸入模塊(26)；液晶顯示器(25)、鍵盤輸入模塊(26)位于手持控制器(33)表面部分，液晶顯示器(25)與數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊(13)輸出端相連，鍵盤輸入模塊(26)與數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊(13)輸入端相連。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：熱脈沖控制模塊(16)包括電壓控制模塊(27)，計(jì)時(shí)模塊(28)，開關(guān)電路(29)，熱脈沖發(fā)生模塊(30)；電壓控制模塊(27)電壓輸出端與計(jì)時(shí)模塊(28)、開關(guān)電路(29)相連，協(xié)同控制熱脈沖控制模塊(16)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：電源模塊(17)包括220V～12V降壓模塊(31)，鋰電池(32)；電源模塊(17)為整個(gè)測(cè)量裝置供電。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于：熱脈沖探針(4)和溫度傳感器探針(1)具有10cm、15cm、20cm長(zhǎng)度尺寸。

9.一種利用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的多方位土壤熱導(dǎo)率測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于：所述方法的步驟如下：

A、選擇測(cè)量土壤確定研究測(cè)量土壤深度選擇合適長(zhǎng)度探針，確定研究測(cè)量尺度，將探針座(3)組合成符合研究需求的底板(34)，溫度傳感器探針(1)和熱脈沖探針(4)通過內(nèi)螺紋口(5)分別和探針螺紋固定桿(2)、探針外螺紋桿(10)連接在一起，通過導(dǎo)線與手持控制器(33)相連接；

B、分別測(cè)量溫度探針和熱脈沖探針頂端直線距離，分別為R₁,R₂…R_n，將距離R_i值分別通過鍵盤輸入模塊(26)輸入系統(tǒng)中后將探針插入土壤，選擇測(cè)量按鈕，測(cè)量開始，電源模塊(17)對(duì)熱脈沖控制模塊(16)供電產(chǎn)生熱脈沖，MCU控制器(18)通過電壓控制模塊(27)控制熱脈沖電壓從而控制熱脈沖發(fā)生模塊(30)功率，計(jì)時(shí)模塊(28)與開關(guān)電路(29)配合形成熱脈沖，加熱時(shí)間為300s；

C、測(cè)量地塊土壤溫度上升，溫度傳感器(21)以每秒采集溫度數(shù)據(jù)一次然后通過濾波模塊(22)將溫度的模擬信號(hào)去除噪聲，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊(23)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過串口通信模塊(20)傳入MCU控制器(18)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將處理過后的溫度、時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)模塊(19)中；

D、當(dāng)儀器結(jié)束測(cè)量時(shí)，聲音模塊(24)發(fā)出提示音；MCU控制器(18)調(diào)用FLASH存儲(chǔ)模塊(19)所記錄溫度傳感器溫度達(dá)到最高所需的時(shí)間t_m和記錄最大溫度變化量T_m數(shù)據(jù)；通過內(nèi)置程序中的熱導(dǎo)率計(jì)算公式計(jì)算出熱導(dǎo)率；并將其顯示在液晶顯示器(25)上，其中熱導(dǎo)率計(jì)算公式為：

式中：t_m—感應(yīng)探針溫度達(dá)到最高所需的時(shí)間，單位為s；t₀—熱脈沖持續(xù)時(shí)間，單位為s；q—單位長(zhǎng)度加熱絲在單位時(shí)間內(nèi)釋放出的熱，單位為W·m^-1；Δt＝t_m-t₀；-Ei(-x)為與B步驟R₁,R₂…R_n有關(guān)的指數(shù)積分；只要通過感應(yīng)探針溫度變化-時(shí)間曲線得到溫度達(dá)到最高時(shí)溫度最大變化量T_m和其對(duì)應(yīng)的所需要的時(shí)間t_m，就能計(jì)算得到土壤熱導(dǎo)率λ。