農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)采集儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)采集儀，主機內(nèi)置有水勢變送器、單片機控制板、鋰電池蓄電瓶充電器，主機的前面板設有顯示器、充電燈、充電開關、232口、操作按鈕、主機開關，主機后面板設有多路插頭座，主機內(nèi)單片機控制板分別與主機開關連通，蓄電池與單片機控制板連通，多路插頭座與探頭護套線連通；探頭護套線裝有水分感濕探頭和水分變送器，并與插入多路插頭座的多路信號線連接；232口通過USB轉(zhuǎn)232線與筆記本電腦連接。本發(fā)明采用了太陽能硅電池向鋰電蓄電池供電，解決了野外無交流電的情況下也能正常工作。本發(fā)明路數(shù)多，體積小，智能化強，操作簡單，可適用于農(nóng)田，主根群區(qū)和無灌溉設施的草地和果園的水分變化觀測和監(jiān)測。
【專利說明】農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)采集儀

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種監(jiān)測農(nóng)田多路張力計土壤水勢的儀器。

【背景技術】
[0002] [0002]農(nóng)田土壤水勢含水量與土壤水的流動以及對植物的成活和生長緊密相 關，是重要的土壤特性指標之一。在測定土壤水勢含水量時，多采用傳統(tǒng)的土鉆供干法。由 于測定土壤質(zhì)地復雜，取土十分困難，造成工作量大，時間長，加之采取沙樣的過程中，測點 變動，土壤水分空間變異性帶來的測定誤差，不能滿足野外定點連續(xù)測定農(nóng)田土壤水勢動 態(tài)變化的要求。其次，由于農(nóng)田用土鉆法破壞農(nóng)田作物面積大，如對較多的觀測點進行同步 連續(xù)觀測，若采用土鉆法進行測量，這樣測得的水分結(jié)構將會有很大的失真誤差或使數(shù)據(jù) 處理復雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了更好地掌握農(nóng)田土壤水勢、水分動態(tài)變化過程，本發(fā)明的目的在于提供一種 農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)監(jiān)測儀。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)： 一種農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)采集儀，主要是由水勢感濕探頭、水勢壓力傳導塑 料軟管、加水軟管、集氣室、2 #橡膠堵頭和1 #橡膠堵頭、氣室密封帽、負壓傳導進氣軟管、 排氣開關、壓力傳感器、4芯信號線和單片機采集儀主機組成。水勢感濕探頭分別連接加 水軟管和水勢壓力傳導塑料軟管，加水軟管端部塞有2 #橡膠堵頭，水勢壓力傳導塑料軟 管連接集氣室，集氣室塞有1 #橡膠堵頭，氣室密封帽旋緊集氣室；集氣室與負壓傳導進氣 軟管通過排氣開關連接壓力傳感器，壓力傳感器通過4芯信號線與后面板設有的多路插頭 座連接單片機采集儀主機，單片機采集儀主機內(nèi)置有水勢變送器、單片機控制板和全密封 鋰電池，單片機采集儀主機前面板設有液晶顯示器、主機開關、232 口和太陽能充電開關； 單片機采集儀主機內(nèi)單片機控制板分別與主機開關連通，全密封鋰電池與單片機控制板連 通，太陽能電池與全密封鋰電池連接，由太陽能充電開關控制；通過電源線與單片機控制板 連通，232 口通過USB轉(zhuǎn)232線與筆記本電腦連接。
[0005] 上述水勢感濕探頭是有多孔陶土管頭，與水勢壓力傳導塑料軟管、加水軟管、集氣 室與負壓傳導進氣軟管并用樹脂連接組合而成。
[0006] 本發(fā)明的優(yōu)點和產(chǎn)生的有益效果是： 1、本發(fā)明采用了先進的微機單片機，C0MS集成數(shù)字電路技術，利用單片機將數(shù)據(jù)儲存、 處理、計算、顯示、還采用了太陽能硅電池向蓄電池供電，解決了野外無交流電的情況下也 能正常工作，使儀器可靠性，抗干擾性得到提高。本儀器路數(shù)多，體積小，智能化強，操作簡 單，連續(xù)采集沙地水分只需一人完成全部測量工作，無需觀測人員在現(xiàn)場就可以按序置功 能自動采集，有2、本發(fā)明選用了水勢壓力傳導塑料軟管、加水軟管、集氣室，容易除氣，方便 更換陶土管里的水；軟管埋設可遠離測點進行觀測，避免了水沿硬管壁快利于加速農(nóng)田土 壤水勢、水分資料的積累過程，可以獲得農(nóng)田水分的細微變化，沒有嚴重的滯濕現(xiàn)象，便于 農(nóng)田水分運動、入滲峰面移動等現(xiàn)象的研究，更重要的是它能實時動態(tài)監(jiān)測農(nóng)田農(nóng)作物需 水情況，為農(nóng)業(yè)人員提供大量的、準確的觀測作物水分資料，大大縮短和減輕農(nóng)業(yè)人員對一 些問題的實驗研究周期，可以使研究人員在盡可能短的時間內(nèi)用最少的人力、物力取得較 快的、較好的科研成果，使農(nóng)作物的到節(jié)水高產(chǎn)。
[0007] 速入滲和人為破壞測點環(huán)境的影響；采用陶土管它具有不氧化、不變質(zhì)、滯濕現(xiàn)象 小，靈敏度高等特點。長期埋在土壤里，內(nèi)壁如有污垢不需要挖出即可清洗；使用方便，可定 點定位連續(xù)測定，可作為提取土壤溶液測頭，為灌溉、作物生長提供必要的科學數(shù)據(jù)。
[0008] 3、本發(fā)明電源通過硅太陽能供電給免維護蓄電池。免維護蓄電瓶特點是：i、內(nèi) 部無流動液體，任何方位放置均不影響儀器使用；?、整個使用期間無需補水補酸等維護工 作，電瓶外表干凈不會受潮；iii、充電過程中所產(chǎn)生的氣體能被特殊負極吸收，無須擔心對 儀器設備的腐蝕及污染，；iv、使用壽命長，容量大，具有極低的內(nèi)部自放電特性，能夠給出 穩(wěn)定的大電流放電電壓?？梢娦铍娖慷季哂袃?yōu)良的性能與硅太陽能電池配合時更能顯示出 其之優(yōu)越性，兩者結(jié)合起來就可以構成適合野外用的電源裝置。
[0009] 4、本發(fā)明根據(jù)實測資料找出土壤含水率與土壤水張力的關系式，有了這個關系式 便可根據(jù)觀測的土壤水張力隨時得知相應的土壤含水率，依據(jù)試驗得到的土壤水張力指標 就可指導農(nóng)田灌溉，條件許可時，還可根據(jù)土壤水張力指標自動控制灌溉。為作物生長提供 必要的科學數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明示意圖。

【具體實施方式】
[0011] -種農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)采集儀，主要是由水勢感濕探頭1、水勢壓力傳 導塑料軟管2、加水軟管3、集氣室4、2 #橡膠堵頭11和1 #橡膠堵頭6、氣室密封帽5、負 壓傳導進氣軟管7、排氣開關8、壓力傳感器9、4芯信號線10和單片機采集儀主機12組成， 其特征是水勢感濕探頭1分別連接加水軟管3和水勢壓力傳導塑料軟管2,加水軟管3端 部塞有2 #橡膠堵頭11，水勢壓力傳導塑料軟管2連接集氣室4,集氣室4塞有1 #橡膠堵 頭，氣室密封帽5旋緊集氣室4 ;集氣室4與負壓傳導進氣軟管7通過排氣開關8連接壓力 傳感器9,壓力傳感器9通過4芯信號線10與后面板21設有的多路插頭座22連接單片機 采集儀主機12,單片機采集儀主機12內(nèi)置有水勢變送器13、單片機控制板14和全密封鋰 電池24,單片機采集儀主機12前面板15設有液晶顯示器16、主機開關17、232 口 18、太陽 能充電開關19 ;單片機采集儀主機12內(nèi)單片機控制板14分別與主機開關17連通，全密封 鋰電池24與單片機控制板14連通，太陽能電池23與全密封鋰電池24連接，由太陽能充電 開關19控制；通過電源線20與單片機控制板14連通，232 口 18通過USB轉(zhuǎn)232線25與 筆記本電腦26連接。
[0012] 下面就農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)采集儀分述如下： 一、供電裝置 儀器設置在野外農(nóng)田觀測現(xiàn)場，一般地只能用直流電供電，要使儀器在野外長期可靠 地工作，選擇合適的電源裝置就顯得十分重要，必須有一個穩(wěn)定的電源裝置，本發(fā)明采用硅 太陽能組合電池一免維護微型全密封鋰電池24作為供電裝置。
[0013] 本發(fā)明的負載只由全密封鋰電池24供給主機電流，隨著負載不斷消耗電流，全密 封鋰電池24的電壓逐漸降低，白天太陽出來時，硅太陽能電池板通過充電器以小電流向全 密封鋰電池24充電，而當電瓶的容量充足時，充電器斷開，這樣可以防止充電過量，延長全 密封鋰電池24的使用壽命，這種工作方法的供電裝置給出的電壓穩(wěn)定，并且不會因充電過 分而影響全密封鋰電池24的使用壽命。
[0014] 二、測量方法 土壤水勢感濕探頭1埋設的深度分別為l〇cm，20cm、40cm、60cm、80cm、100cm、120cm、 140cm。根據(jù)作物的種類和田間的農(nóng)作物根系深度和農(nóng)田水分狀態(tài)，水勢感濕探頭1可垂直 分布或水平分布，在不同深度盡量多選一些測定點。
[0015] 土壤水勢感濕探頭1 (多孔陶土管）是儀器的感應部件。先將集氣室4與負壓傳 導進氣軟管7的連接處的排氣開關8關閉，然后由加水管3加水，直至水勢壓力傳導塑料軟 管2和集氣室4水滿后，用2 #橡膠堵頭11塞住加水軟管3，1 #橡膠堵頭6塞住集氣室4， 并用氣室密封帽5旋緊集氣室4。集氣室4 口塞緊，不能漏氣，最后再打開排氣開關8即安 裝調(diào)試完畢。土壤水勢感濕探頭1與土壤水連接，產(chǎn)生水力上的導通。由土壤水勢感濕探 頭1吸力值通過壓力傳感器9轉(zhuǎn)換成輸出(T5V的直流電壓信號給單片機（80C31)，通過單 片機控制，再由單片機將公式進行處理計算推求出含水量，便可得出沙地不同深度，不同點 含水量的值。232 口 18通過USB轉(zhuǎn)232線25連接到筆記本電腦26操作農(nóng)田多路張力計土 壤水勢的儀器，讀取下載、進行數(shù)據(jù)存儲顯示。當陶土管1內(nèi)的水勢與土壤中的水勢不相等 時，土壤中水便由水勢高處向水勢低處流動，直至兩個系統(tǒng)的水勢平衡為止。平衡后由單片 機采集儀主機12顯示讀數(shù)值就是當時的土壤水勢。通過測量土壤水勢絕對值的大小，便可 以較精確的測量計算出土壤含水量。
[0016] 本發(fā)明根據(jù)土壤水分多少對土壤溶液的分布有著密切關系，測定土壤水分分布， 判斷土壤水分狀態(tài)，即：同一深度土壤，土壤吸水力愈大，土壤水勢絕對值愈高，土壤含水量 愈少；土壤吸水力愈小，土壤水勢絕對值愈小，土壤含水量愈多。所以，本發(fā)明顯示的吸水力 數(shù)值同樣反映了土壤中水分變化的情況。為了觀測推算顯示土壤水分，需要建立土壤含水 量與土壤水分吸力關系曲線，即稱為土壤水分特征曲線。土壤含水量（％)與吸力之間存在 著關系可由下式定性表示：P=F (H)式中：P-土壤水分值；F -函數(shù)；Η-土壤水吸力常數(shù)。
[0017] 由式中可知，土壤水分值Ρ只與土壤水吸力有關，隨著水分的增加土壤水勢絕對 值愈??；土壤吸水力愈大，土壤水勢絕對值愈高，土壤含水量愈少。
[0018] 三、多路轉(zhuǎn)換模擬開關電路 多路轉(zhuǎn)換模擬開關電路由邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、地址譯碼電路、開關通道三部分組成。它 由32個繼電器組成的多路選擇開關結(jié)構。然后經(jīng)多路開關分時傳輸，取樣/保持電路保持， 再經(jīng)轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)字量，最后送到微機進行處理或運算，在對所需的部件加以控制。
[0019] 四、單片機系統(tǒng) 以80C31為CPU，選高速C0MS器件組成，控制測量、運算處理、地址鎖存和程序電路。顯 示用12位液晶顯示年、月、日、時、分；前兩位顯路數(shù)，后四位顯水分值，小數(shù)點兩位。存儲用 一片EPR0M27C512,以便水分資料整理、整編工作。設計有手動開關，保證儀器能在不同的條 件下都能正常工作。
[0020] 五、水勢感濕探頭（陶土管）的埋沒 根據(jù)作物的種類和田間的土壤水分狀態(tài)，水勢感濕探頭1 (陶土管）適用于易于濕潤的 土壤，主根群區(qū)，和灌溉設施的草地和果園地等的水分變化觀測。
[0021] 在埋設時，盡量不要觸動周圍的土壤結(jié)構，水勢感濕探頭1 (陶土管)埋設深度根據(jù) 測量需要而設。用手提式土鉆鉆孔埋設，埋設前，先將水勢感濕探頭1侵泡在水中，排除水 勢感濕探頭1空隙的空氣；埋設地點確定后，在打孔時，軟管的孔徑略小于水勢感濕探頭1 的直徑；打孔后取出的土攪成泥漿，作為埋設水勢感濕探頭1的孔中灌漿，待泥漿沉集后再 填土，填土要仔細，埋設深層陶土管時，填土要分層，并注入水，使松散土體沉實。各器件連 接處要保證接牢、密封，以防漏氣。在埋設水勢感濕探頭1時，注意將水勢感濕探頭1的排 氣管出口處向上方，有利于排氣。集氣室4與水勢壓力傳導塑料軟管2連接，使水勢感濕探 頭1與水勢壓力傳導塑料軟管2內(nèi)產(chǎn)生的氣體能自動升至集氣室4。組裝好的張力計水勢 感濕探頭1深入預定深度后，再把泥漿灌注入孔中，安裝好的水勢感濕探頭1，往加水軟管3 要注入的水為蒸餾水或煮沸約5分鐘之后的冷卻水， 留在地面上的導線末端，應盡量每路集中于一個插頭上，以提高工作效率。可以在地的 旁邊用木料或塑料管搭一架子，將導線的插頭排列放好，然后，在觀測時可在架子上放設儀 器觀測記錄。
【權利要求】
1. 一種農(nóng)田多路張力計土壤水勢動態(tài)采集儀，主要是由水勢感濕探頭（1)、水勢壓力 傳導塑料軟管（2)、加水軟管（3)、集氣室（4)、2 #橡膠堵頭（11)和1 #橡膠堵頭（6)、氣室 密封帽（5)、負壓傳導進氣軟管（7)、排氣開關（8)、壓力傳感器（9)、4芯信號線（10)和單片 機采集儀主機（12)組成，其特征是水勢感濕探頭（1)分別連接加水軟管（3)和水勢壓力傳 導塑料軟管（2)，加水軟管（3)端部塞有2 #橡膠堵頭（11)，水勢壓力傳導塑料軟管（2)連 接集氣室（4)，集氣室（4)塞有1 #橡膠堵頭（6)，氣室密封帽（5)旋緊集氣室（4);集氣室 (4)與負壓傳導進氣軟管（7)通過排氣開關（8)連接壓力傳感器（9)，壓力傳感器（9)通過4 芯信號線（10)與后面板（21)設有的多路插頭座（22)連接單片機采集儀主機（12)，單片機 采集儀主機（12)內(nèi)置有水勢變送器（13)、單片機控制板（14)、全密封鋰電池（24)，單片機 采集儀主機（12)前面板（15)設有液晶顯示器（16)、主機開關（17)、232 口（18)和太陽能充 電開關（19);單片機采集儀主機（12)內(nèi)單片機控制板（14)分別與主機開關（17)連通，全 密封鋰電池（24)與單片機控制板（14)連通，太陽能電池（23)與全密封鋰電池（24)連接， 由太陽能充電開關（19)控制；通過電源線（20)與單片機控制板（14)連通，232 口（18)通 過USB轉(zhuǎn)232線（25)與筆記本電腦（26)連接。
【文檔編號】G01N27/00GK104111273SQ201310131173
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月16日 優(yōu)先權日:2013年4月16日
【發(fā)明者】馮起, 趙愛國, 劉蔚, 趙晶, 李宏, 肖建華, 李建國 申請人:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所