本發(fā)明涉及一種測(cè)量土壤水流速的裝置及方法，特別是關(guān)于一種基于熱脈沖法測(cè)量土壤水流速的裝置及方法。

背景技術(shù)：

土壤水是指地表面以下至地下水面(潛水面)以上土壤層中的水分，是水資源中最重要和最復(fù)雜的部分，土壤水的合理研究，能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)恢復(fù)、環(huán)境治理以及水資源合理利用提供有效的理論指導(dǎo)，針對(duì)土壤水的研究，需要準(zhǔn)確掌握其運(yùn)移參數(shù)，由于受地形、土壤、植被、氣候等條件的影響，土壤水運(yùn)移特征復(fù)雜，因此在研究時(shí)能夠準(zhǔn)確測(cè)量到土壤水流速就顯得尤為重要。

在多孔介質(zhì)或表面薄層，如礫石表面層或馬路上的水流速度測(cè)量，一般可采用色素或電解質(zhì)脈沖的測(cè)量方法得到較為準(zhǔn)確的流速數(shù)據(jù)，電解質(zhì)脈沖法，是在流動(dòng)水流上游極短的時(shí)間內(nèi)給水流注入電解質(zhì)(其過(guò)程可看作一個(gè)占空比極小的脈沖波形)，當(dāng)布置在水流下游的探針檢測(cè)到電解質(zhì)時(shí)，儀器記錄下從電解質(zhì)注入開(kāi)始到檢測(cè)到電解質(zhì)的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間與探針到電解質(zhì)脈沖發(fā)生裝置的距離對(duì)應(yīng)著一個(gè)流速關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)表面層的水流速度測(cè)量，電解質(zhì)脈沖法雖然簡(jiǎn)便精準(zhǔn)，但是土壤或類似森林中的枯葉層中，因其多孔介質(zhì)成分復(fù)雜，電解質(zhì)在其中會(huì)被大量吸收，無(wú)法采用這種示蹤法提供準(zhǔn)確的水流數(shù)據(jù)。

熱脈沖法測(cè)量對(duì)應(yīng)于電解質(zhì)脈沖法，該方法用熱替代電解質(zhì)作為示蹤劑，通過(guò)檢測(cè)多孔介質(zhì)流動(dòng)方向上的水流溫度變化來(lái)計(jì)算速度，目前所用的熱脈沖探針，采取的結(jié)構(gòu)是在一個(gè)探頭上橫向布置三根極細(xì)的探針?lè)绞剑虚g探針為加熱電阻絲，兩側(cè)探針為熱電偶傳感器，三根探針插入土壤，與水流動(dòng)方向平行，中間探針給定一個(gè)熱脈沖，其給出的熱量在土壤的傳導(dǎo)以及水流的作用下，使探針周圍的土壤區(qū)間溫度發(fā)生變化，通過(guò)探頭分布兩側(cè)的熱電偶采集的溫度-時(shí)間變化數(shù)據(jù)，擬合其理論推導(dǎo)的熱交換模型關(guān)系式，該模型以多孔介質(zhì)流場(chǎng)導(dǎo)熱關(guān)系式為基礎(chǔ)(即在一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系中三維非穩(wěn)態(tài)有一個(gè)對(duì)流作用的導(dǎo)熱微分方程式)，給定一個(gè)有限加熱時(shí)間和無(wú)限加熱熱源為邊界條件，得到其流場(chǎng)傳熱關(guān)系式解析解，該解用流場(chǎng)上游和下游兩點(diǎn)位置(即探針熱電偶位置)溫度極值之差為變量，從而得到流場(chǎng)流速，但是，此種探針存在的問(wèn)題在于其直徑過(guò)細(xì)，在插入土壤中的時(shí)候熱電偶傳感器與加熱電阻絲之間的距離會(huì)受到影響，進(jìn)而影響其測(cè)量精度；同時(shí)該探針的理論推導(dǎo)傳熱模型為考慮探針有限性影響(有限熱導(dǎo)率和有限直徑)，對(duì)其測(cè)量后計(jì)算的結(jié)果存在一定影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量精確且傳熱穩(wěn)定的基于熱脈沖法測(cè)量土壤水流速的裝置及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于熱脈沖法測(cè)量土壤水流速的裝置，其特征在于，該裝置包括探針、采集模塊和控制器；所述探針包括導(dǎo)熱金屬鋼殼體、加熱電阻絲和熱電偶裸線，所述導(dǎo)熱金屬鋼殼體內(nèi)部填充有耐高溫絕緣導(dǎo)熱材料，所述導(dǎo)熱金屬鋼殼體頂部設(shè)置通孔，所述加熱電阻絲穿過(guò)所述通孔插設(shè)固定在所述絕緣導(dǎo)熱材料中，所述加熱電阻絲外周均勻分布所述熱電偶裸線，所述熱電偶裸線從上到下依次縱向固定設(shè)置在所述導(dǎo)熱金屬鋼殼體內(nèi)壁；所述熱電偶裸線的輸出端通過(guò)所述采集模塊連接所述控制器，所述控制器通過(guò)控制所述采集模塊對(duì)所述導(dǎo)熱金屬鋼殼體表面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；另外，所述控制器還連接所述加熱電阻絲，用于控制所述加熱電阻絲的加熱方式和加熱時(shí)間。

優(yōu)選地，所述熱電偶裸線的數(shù)量為三個(gè)，且三個(gè)所述熱電偶裸線相隔120度設(shè)置在所述加熱電阻絲的外周。

優(yōu)選地，所述絕緣導(dǎo)熱材料采用氧化鎂材料。

優(yōu)選地，所述的基于熱脈沖法測(cè)量土壤水流速裝置的方法，包括以下步驟：

1)將整個(gè)探針全部垂直置入飽和土壤中并使得土壤和探針緊密接觸；

2)待土壤中水流穩(wěn)定之后，控制器控制采集模塊啟動(dòng)，并控制加熱電阻絲進(jìn)行加熱，加熱電阻絲發(fā)出的熱量經(jīng)絕緣導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)到導(dǎo)熱金屬鋼殼體上使殼體溫度發(fā)生變化；

3)所述探針溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，到達(dá)最大值后在水流作用下溫度開(kāi)始下降，慢慢恢復(fù)到恒定溫度，三個(gè)熱電偶裸線將測(cè)量到的導(dǎo)熱金屬鋼殼體表面從上升開(kāi)始到穩(wěn)定狀態(tài)的溫度數(shù)據(jù)變化過(guò)程經(jīng)采集模塊發(fā)送到控制器；

4)控制器將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到溫度—時(shí)間曲線，并得到關(guān)系式：

T＝(T₁-T₀)e^-Ht+T₀ (1)

其中，T為t時(shí)刻所述探針表面溫度，t是時(shí)間，T₁是所述探針達(dá)到的最高溫度,T₀是所述探針達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后的平均溫度，H為直接與流速相關(guān)的對(duì)流參數(shù)系數(shù)，對(duì)流參數(shù)系數(shù)與流速的關(guān)系式：

$H=-\frac{h_0(1+bV)}{C}---\left(2\right)$

其中，h₀為無(wú)對(duì)流作用下的換熱系數(shù)，b為換熱參數(shù)相關(guān)系數(shù)，C為所述探針熱容，V是水流速率；

5)根據(jù)公式(1)和(2)得到流速求解關(guān)系式：

$V=\frac{C}{{\mathrm{bh}}_{0}t}ln\left(\frac{T-T_0}{T_1-T_0}\right)-\frac{1}{b}---\left(3\right)$

根據(jù)已知參數(shù)h₀、b、C和所得數(shù)據(jù)T、T₀、T₁和t，并通過(guò)關(guān)系式(3)計(jì)算出土壤水的流速V。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于裝置應(yīng)用單探針設(shè)計(jì)，其探針內(nèi)部裝配加熱電阻絲和熱電偶而不是多探針式的多探針?lè)謩e裝配加熱電阻絲和熱電偶，相比于多探針，單探針有較大直徑，既滿足裝配需求，又保證足夠強(qiáng)度，這樣探針在置入土壤時(shí)不會(huì)發(fā)生彎曲等影響其測(cè)量精度的情況，測(cè)量更精確。2、本發(fā)明在探針流速計(jì)算方法上，以探針本體的換熱模型為基礎(chǔ)，推出其解析解模型，并根據(jù)對(duì)流系數(shù)與流速的關(guān)系推導(dǎo)出流速求解關(guān)系式并求出土壤水流速，分析方式更為簡(jiǎn)便，且采取的解析方法以單探針傳熱分析為基礎(chǔ)，其傳熱更為穩(wěn)定，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于土壤水流速的測(cè)量中。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于熱脈沖法測(cè)量土壤水流速的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的探針結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明探針的溫度—時(shí)間曲線圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)為溫度，單位為開(kāi)爾文。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1～2所示，本發(fā)明的基于熱脈法測(cè)量土壤水流速的裝置包括探針1、采集模塊2和控制器3；探針1全部垂直插入土壤4中，且與土壤4緊密接觸，探針1包括導(dǎo)熱金屬鋼殼體11、絕緣導(dǎo)熱材料12、加熱電阻絲13和熱電偶裸線14，導(dǎo)熱金屬鋼殼體11內(nèi)部填充有耐高溫的絕緣導(dǎo)熱材料12例如氧化鎂，絕緣導(dǎo)熱材料12用于傳導(dǎo)加熱電阻絲13通電工作時(shí)發(fā)出的熱量，導(dǎo)熱金屬鋼殼體11頂部中心設(shè)置有通孔(圖中未示出)，加熱電阻絲13穿過(guò)通孔插設(shè)固定于絕緣導(dǎo)熱材料12中，加熱電阻絲13的外周相隔120度設(shè)置一熱電偶裸線14，三熱電偶裸線14從上到下依次縱向固定設(shè)置在導(dǎo)熱金屬鋼殼體11內(nèi)壁，三熱電偶裸線14均用于測(cè)量導(dǎo)熱金屬鋼殼體11表面的溫度信號(hào)，三熱電偶裸線14位于不同高度使得采集到的溫度信號(hào)反映探針1整體的傳熱特性；三熱電偶裸線14的輸出端分別通過(guò)信號(hào)傳輸線連接采集模塊2的輸入端，采集模塊2用于采集熱電偶裸線14測(cè)量到的導(dǎo)熱金屬鋼殼體11表面溫度數(shù)據(jù)；控制器3分別連接加熱電阻絲13和采集模塊2，用于控制加熱電阻絲13的加熱時(shí)間，使熱量能以一根瞬時(shí)脈沖的形式進(jìn)入土壤，同時(shí)控制采集模塊2進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

下面通過(guò)具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明采用本發(fā)明的基于熱脈沖法測(cè)量土壤水流速的裝置對(duì)土壤水的流速進(jìn)行測(cè)量的方法：

1)本發(fā)明在測(cè)量土壤水流速時(shí)，將整個(gè)探針1全部垂直置入飽和土壤4中并保證土壤4和探針1緊密接觸；

2)待土壤4中水流穩(wěn)定之后，控制器3控制采集模塊2啟動(dòng)，并自動(dòng)給加熱電阻絲13提供一個(gè)定時(shí)電壓使加熱電阻絲13得到足夠功率，加熱電阻絲13達(dá)到足夠溫度(40℃至60℃之間)，在加熱電阻絲13工作的時(shí)候，加熱電阻絲13發(fā)出的熱量經(jīng)絕緣導(dǎo)熱材料12氧化鎂傳導(dǎo)到導(dǎo)熱金屬鋼殼體11上使殼體溫度發(fā)生變化；

3)探針1溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，到達(dá)最大值后在水流作用下溫度開(kāi)始下降，慢慢恢復(fù)到恒定溫度，三個(gè)熱電偶裸線14將測(cè)量到的導(dǎo)熱金屬鋼殼體11表面從上升開(kāi)始到穩(wěn)定狀態(tài)的溫度數(shù)據(jù)變化過(guò)程經(jīng)采集模塊2發(fā)送到控制器3；

4)采集模塊2將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到如圖3所示的溫度—時(shí)間曲線，以探針本體的換熱模型為基礎(chǔ)，假設(shè)探針在無(wú)限長(zhǎng)熱源作用下，同性均質(zhì)，且與四周水流土壤處于同一初始溫度條件下，得到關(guān)系式：

T＝(T₁-T₀)e^-Ht+T₀ (1)

其中，T為t時(shí)刻探針表面溫度(K)，t是時(shí)間(s)，T₁是探針達(dá)到的最高溫度(K),T₀是探針達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后的平均溫度(K)，H為直接與流速相關(guān)的對(duì)流參數(shù)系數(shù)，對(duì)流參數(shù)系數(shù)與流速的關(guān)系式：

$H=-\frac{h_0(1+bV)}{C}---\left(2\right)$

其中，h₀為無(wú)對(duì)流作用下的換熱系數(shù)(W/m²·K)，b為換熱參數(shù)相關(guān)系數(shù)，C為探針熱容(J/m³·K)，V是水流速率(m/s)；

5)根據(jù)公式(1)和(2)得到流速求解關(guān)系式：

$V=\frac{C}{{\mathrm{bh}}_{0}t}ln\left(\frac{T-T_0}{T_1-T_0}\right)-\frac{1}{b}---\left(3\right)$

根據(jù)已知參數(shù)h₀、b、C和圖2中所給數(shù)據(jù)T、T₀、T₁和t，并通過(guò)關(guān)系式(3)計(jì)算出土壤水的流速V。

上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。