[發(fā)明專利]基于探針間距校正的熱脈沖-時(shí)域反射測(cè)量方法及裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711092593.9
• 申請(qǐng)日: 2017-11-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108051473A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉剛;溫敏敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩;吳歡燕

本發(fā)明提供了基于探針間距校正的熱脈沖?時(shí)域反射測(cè)量方法及裝置，所述方法包括：獲取所述探針中兩個(gè)感應(yīng)探針內(nèi)預(yù)設(shè)位置處的溫度隨時(shí)間變化的溫度曲線，每一感應(yīng)探針內(nèi)具有至少兩個(gè)預(yù)設(shè)位置；對(duì)于任一感應(yīng)探針，根據(jù)所述任一感應(yīng)探針內(nèi)每一預(yù)設(shè)位置處對(duì)應(yīng)的溫度曲線，確定所述任一感應(yīng)探針內(nèi)每一預(yù)設(shè)位置與所述探針中加熱探針的距離之間的比值；根據(jù)所述探針插入至所述待測(cè)土壤前每一預(yù)設(shè)位置與所述加熱探針的初始間距、以及所述比值，確定每一預(yù)設(shè)位置至所述加熱探針的實(shí)際間距。本發(fā)明提供的方法，減少了在實(shí)際應(yīng)用中由于外因?qū)е碌母袘?yīng)探針或加熱探針彎曲變形而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，從而提高計(jì)算土壤冰含量、熱特性、水分含量的準(zhǔn)確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土壤物理特性測(cè)量領(lǐng)域，更具體地，涉及基于探針間距校正的熱脈沖-時(shí)域反射測(cè)量方法及裝置。

背景技術(shù)

土壤水熱動(dòng)態(tài)以及土壤參數(shù)的測(cè)定是研究土壤狀態(tài)和土壤中各種物理、化學(xué)和生物過(guò)程的基礎(chǔ)。但是由于土壤物理性質(zhì)具有顯著的空間和時(shí)間變異性，即時(shí)空變異性，這導(dǎo)致了對(duì)土壤含水量、溫度以及其他物理參數(shù)的連續(xù)定位測(cè)量成為難題。

目前已出現(xiàn)熱脈沖-時(shí)域反射(Thermo-Time-Domain Reflectometry，Thermo-TDR)技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱為熱-TDR技術(shù))，將熱脈沖技術(shù)與時(shí)域反射技術(shù)結(jié)合到一起，可以實(shí)現(xiàn)同一位置、相同體積土壤上含水量、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱率、熱容量和熱擴(kuò)散系數(shù)的連續(xù)定位測(cè)定。熱-TDR技術(shù)在土壤物理性質(zhì)的研究中至關(guān)重要，在土壤凍土的測(cè)量中也是非常重要的測(cè)量技術(shù)。

熱-TDR技術(shù)是由熱脈沖技術(shù)和時(shí)域反射技術(shù)結(jié)合的結(jié)果，有學(xué)者在分析TDR探頭和熱脈沖探頭結(jié)構(gòu)特征后，設(shè)計(jì)出熱-TDR測(cè)量裝置，這種熱-TDR測(cè)量裝置由三根平行的探針組成，三根探針位于一個(gè)平面上，長(zhǎng)度均為40mm，直徑均為1.3mm，相鄰兩根不銹鋼探針的間距為6mm。每根探針中裝有由絕緣電阻絲制作的線性熱源和一個(gè)位于中部的K型熱電偶。中部探針與同軸電纜的正極相連，外側(cè)的兩根探針與同軸電纜的負(fù)極相連。

但是，由于現(xiàn)有技術(shù)中熱-TDR技術(shù)由熱脈沖技術(shù)和時(shí)域反射技術(shù)結(jié)合，因此熱-TDR測(cè)量裝置測(cè)量到的數(shù)據(jù)計(jì)算土壤參數(shù)的準(zhǔn)確性也要受到這兩種技術(shù)的限制：

熱脈沖技術(shù)在野外應(yīng)用的時(shí)候容易導(dǎo)致探針彎曲變形，從而導(dǎo)致探針間距發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致利用熱-TDR測(cè)量裝置測(cè)量到的數(shù)據(jù)計(jì)算土壤參數(shù)時(shí)產(chǎn)生誤差。有研究表明探針間距產(chǎn)生2％的不確定性會(huì)導(dǎo)致計(jì)算土壤比熱時(shí)產(chǎn)生4％的誤差。還有研究表明，外側(cè)的兩個(gè)探針在傾斜1度夾角時(shí)，計(jì)算的土壤熱擴(kuò)散率和比熱都會(huì)產(chǎn)生6％-10％的誤差。同時(shí)，探針長(zhǎng)度會(huì)影響TDR技術(shù)的準(zhǔn)確性，探針長(zhǎng)度越長(zhǎng)，利用TDR技術(shù)測(cè)量的水分含量越準(zhǔn)確，但同時(shí)探針越長(zhǎng)越容易變形導(dǎo)致探針間距變化，最終導(dǎo)致利用熱脈沖技術(shù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)計(jì)算土壤熱特性、水分含量等不準(zhǔn)確。因此受以上因素限制，目前比較常見(jiàn)的熱-TDR測(cè)量裝置內(nèi)的探針一般都只有4cm長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TDR技術(shù)所要求的最短長(zhǎng)度，限制了利用TDR技術(shù)測(cè)量土壤水分含量的準(zhǔn)確性。另一方面，熱-TDR測(cè)量裝置應(yīng)用在凍土測(cè)量時(shí)，在土壤的凍融交替過(guò)程中，探針間距也易發(fā)生變化，這樣就會(huì)使得測(cè)量的結(jié)果的誤差很大，最終導(dǎo)致計(jì)算得到的土壤冰含量的誤差也較大。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于探針間距校正的熱脈沖-時(shí)域反射測(cè)量方法及裝置。

一方面，本發(fā)明提供了一種基于探針間距校正的熱脈沖-時(shí)域反射測(cè)量方法，包括：

在熱脈沖-時(shí)域反射測(cè)量裝置中的探針插入至待測(cè)土壤前，將所述探針插入至已知熱導(dǎo)率和熱容量的材料中，獲取所述探針中兩個(gè)感應(yīng)探針內(nèi)預(yù)設(shè)位置處對(duì)應(yīng)的溫度曲線；根據(jù)每一溫度曲線，確定每一預(yù)設(shè)位置與所述加熱探針的初始間距。標(biāo)定好初始間距后，執(zhí)行以下步驟：

S1，在熱脈沖-時(shí)域反射測(cè)量裝置中的探針插入至待測(cè)土壤后，獲取所述探針中兩個(gè)感應(yīng)探針內(nèi)預(yù)設(shè)位置處的溫度隨時(shí)間變化的溫度曲線，每一感應(yīng)探針內(nèi)具有至少兩個(gè)預(yù)設(shè)位置；