[發(fā)明專利]一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010596406.6
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111562284A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何海龍;劉揚(yáng);呂家瓏
• 申請（專利權(quán)）人: 西北農(nóng)林科技大學(xué)
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N5/04;G01N33/24
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11385
• 代理人: 馮靜

1.一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，包括：

測量裝置，用于測量土壤的溫度和含水量；

上位機(jī)，與所述測量裝置連接，用于根據(jù)所述土壤的溫度確定土壤的熱特性，并根據(jù)所述含水量確定土壤的水分特征；

所述測量裝置包括：

探針，用于加熱土壤，并用于探測土壤溫度信息；

多個(gè)熱敏電阻，固定于所述探針上，用于測量土壤的溫度；

開設(shè)有多個(gè)孔的陶瓷盤，用于固定所述探針；

重量傳感器，用于測量所述陶瓷盤的重量；

電路板，分別與所述探針、多個(gè)所述熱敏電阻和所述重量傳感器連接，用于控制所述探針加熱土壤的時(shí)間，并用于根據(jù)所述陶瓷盤的重量確定土壤的含水量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，所述探針包括：

加熱探針，用于發(fā)射熱脈沖信號對土壤進(jìn)行加熱；

溫度探針，用于接收熱脈沖信號，并探測土壤溫度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱探針和所述溫度探針均包括：

加熱電阻絲，用于加熱土壤；

金屬管，套設(shè)于所述加熱電阻絲上；

導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂，填充于所述加熱電阻絲與所述金屬管的空隙中，用于傳遞所述加熱電阻絲散發(fā)的熱量。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱敏電阻按設(shè)定距離等間距的安裝在所述探針上。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，所述測量裝置還包括：橢圓手柄；

所述電路板鑲嵌于所述橢圓手柄中。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括：

輔助轉(zhuǎn)孔裝置，用于輔助所述測量裝置插入土壤。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助轉(zhuǎn)孔裝置包括：手柄、連接桿、氣泡水平儀和空心鋼管；

所述手柄通過所述連接桿與所述空心鋼管固定連接；

所述氣泡水平儀安裝于所述連接桿上。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的系統(tǒng)，其特征在于，所述空心鋼管上開設(shè)有圓孔；所述圓孔用于觀察空心鋼管是否全部插入土壤中。

9.一種測定土壤熱特性和水分特征的方法，其特征在于，包括：

獲取測定數(shù)據(jù)；所述測定數(shù)據(jù)包括：熱敏電阻測定土壤最高溫度所對應(yīng)的測量時(shí)長、加熱探針和溫度探針間的距離、加熱探針加熱土壤的時(shí)長、單位長度和單位時(shí)間內(nèi)加熱探針輸入的熱量以及土壤溫度隨時(shí)間的變化值；

根據(jù)所述熱敏電阻測定土壤最高溫度所對應(yīng)的測量時(shí)長、所述加熱探針和溫度探針間的距離以及所述加熱探針加熱土壤的時(shí)長確定土壤的熱擴(kuò)散率和容積熱容量；

根據(jù)所述土壤的熱擴(kuò)散率和容積熱容量確定土壤的熱導(dǎo)率；

根據(jù)土壤中不銹鋼TDR探針的電磁脈沖信號獲得土壤的含水量；

根據(jù)陶瓷盤中鋼管TDR探針的電磁脈沖信號獲得陶瓷盤中的含水量；

根據(jù)所述熱敏電阻測定陶瓷最高溫度所對應(yīng)的測量時(shí)長、所述加熱探針和溫度探針間的距離以及所述加熱探針加熱陶瓷盤的時(shí)長確定陶瓷盤的熱擴(kuò)散率和容積熱容量；

根據(jù)所述陶瓷盤的熱擴(kuò)散率和所述容積熱容量確定陶瓷盤的熱導(dǎo)率；

根據(jù)探針校正過程中建立的含水量或熱導(dǎo)率與基質(zhì)勢之間的關(guān)系，以及測定的陶瓷盤的含水量或熱導(dǎo)率確定陶瓷盤的基質(zhì)勢；

根據(jù)所述陶瓷盤的基質(zhì)勢獲得熱導(dǎo)率-含水量-基質(zhì)勢特征曲線；

根據(jù)所述熱導(dǎo)率-含水量-基質(zhì)勢特征曲線獲得土壤的熱特性和水分特征。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種測定土壤熱特性和水分特征的方法，其特征在于，根據(jù)公式確定所述土壤溫度隨時(shí)間的變化值ΔT(r,t)；

根據(jù)公式確定所述土壤的熱擴(kuò)散率κ；

根據(jù)公式確定所述土壤的溶積熱容量C_v；

根據(jù)公式確定所述土壤的熱導(dǎo)率λ；

其中，ΔT為測定的溫度隨時(shí)間變化值，t為時(shí)間，E₁為指數(shù)積分，t₀為熱脈沖加熱時(shí)長，r為所述加熱探針和溫度探針間的距離，Q'為加熱探針的放熱強(qiáng)度，t_m為熱敏電阻測定土壤最高溫度所對應(yīng)的測量時(shí)長，q′為單位長度和單位時(shí)間內(nèi)加熱探針輸入的熱量。