[發(fā)明專利]一種土壤含水量、熱特性和電導(dǎo)率的原位測定裝置及方法

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• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113008935A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧奕麗;彭薇;李麗杰;任圖生
• 申請（專利權(quán)）人: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N27/22;G01N33/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種土壤含水量、熱特性和電導(dǎo)率的原位測定裝置，其特征在于，所述土壤含水量、熱特性和電導(dǎo)率的原位測定裝置包括橢圓形探針手柄，五根探針、E型熱電偶，加熱絲，同軸電纜線和數(shù)據(jù)采集儀；采用了LoggerNet軟件，PC-TDR軟件和MATLAB軟件；其中探針手柄由聚氯乙烯制作；五根探針平行排列、垂直固定在探針手柄一個(gè)端面的中央線上，五根探針的引線穿過手柄固定在另一端面上；

所述五根探針中有四根溫度探針，包括1#溫度探針、2#溫度探針、3#溫度探針和5#溫度探針；其中，1#溫度探針、2#溫度探針為短探針；3#溫度探針和5#溫度探針為長探針；一根加熱探針為4#加熱探針，固定在3#溫度探針和5#溫度探針中間；其長度與3#溫度探針和5#溫度探針的長度相同。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土壤含水量、熱特性和電導(dǎo)率的原位測定裝置，其特征在于，所述五根探針都是由不銹鋼管制成的鋼針，其中1#溫度探針、2#溫度探針是不帶尖端的不銹鋼針，3#溫度探針、5#溫度探針和4#加熱探針是帶尖端的不銹鋼針；具體尺寸為：所有溫度探針的直徑d＝2mm，壁厚為0.25mm；加熱探針的直徑d＝2.38mm，壁厚為0.71mm；1#溫度探針和2#溫度探針的長度L均為40mm，以及1#溫度探針和2#溫度探針的間距z₁；2#溫度探針和3#溫度探針的間距z₂均為8mm；3#溫度探針、5#溫度探針和4#加熱探針的長度L均為70mm，該三根探針間的間距r均為10mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種土壤含水量、熱特性和電導(dǎo)率的原位測定裝置，其特征在于，所述四根溫度探針內(nèi)分別嵌有E型熱電偶，熱電偶位置設(shè)在距離探針手柄35mm處；各熱電偶的一端用焊錫焊接然后放入鋼管中，探針頭部最后灌入高熱導(dǎo)率的樹脂材料硬化固定；在3#溫度探針和5#溫度探針中間的4#加熱探針內(nèi)穿有由絕緣電阻絲制作的線性熱源，同軸電纜線一端的中心銅線焊接在4#加熱探針外的鋼管上端部位，另一端與BNC接頭焊接；同軸電纜外側(cè)的鋁鎂合金屏蔽網(wǎng)分兩股分別焊接在4#加熱探針兩側(cè)的3#溫度探針和5#溫度探針的鋼管上部；最后用聚氯乙烯環(huán)氧樹脂將各探針按照設(shè)置間距與橢圓形手柄固定；同軸電纜線用于連接電纜測試儀，加熱絲作為線性熱源和直流電源連接，熱電偶則與數(shù)據(jù)采集儀連接；所述線性熱源為絕緣鎳鉻合金電阻絲，直徑為75μm，電阻絲規(guī)格為230.7Ωm^-1，加熱探針內(nèi)部含電阻絲長度為280mm，制作時(shí)，將加熱電阻絲按照加熱針長度形成四折放入不銹鋼管中；所述直流電源，在田間使用時(shí)，用12V電池代替，同時(shí)安置太陽能板。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土壤含水量、熱特性和電導(dǎo)率的原位測定裝置對土壤含水量、熱特性和電導(dǎo)率的原位測定方法；其特征在于，包括：

步驟1，在原位測定之前需要對五根探針進(jìn)行長度和間距的標(biāo)定，標(biāo)定過程如下：將探針垂直插入5g/L的瓊脂中，用數(shù)據(jù)采集儀控制程序測定熱特性，假定瓊脂的熱容與水的熱容相等，用熱傳導(dǎo)方程擬合出探針間距，同時(shí)用電纜反射儀存取波形，使用MATLAB軟件里的程序進(jìn)行長度標(biāo)定；

步驟2，將上述標(biāo)定過的探針勻力插入土壤中，將同軸電纜，熱電偶和加熱絲引線分別與電纜測試儀、數(shù)據(jù)采集儀、直流電源以及繼電器相連；數(shù)據(jù)采集儀在設(shè)定時(shí)間向中部探針提供25s熱脈沖，并記錄通過線性熱源的電流以及兩側(cè)探針的溫度變化；加熱能量的大小根據(jù)土壤含水量調(diào)節(jié)，將數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)中，通過利用MATLAB軟件對溫度感應(yīng)針監(jiān)測得到的溫度升高變化進(jìn)行分析，結(jié)合基本的熱傳導(dǎo)理論，反求計(jì)算得出土壤的熱特性；本專利中利用無限線性熱源理論，可以求得土壤熱容量(C)，熱導(dǎo)率(l)和熱擴(kuò)散率(k)。