一種深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器及檢測方法
【專利說明】一種深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器及檢測方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及土壤熱參數(shù)測量技術及其應用領域，特別涉及電纜周圍深層土壤熱參 數(shù)實時監(jiān)測的便攜式傳感器。 【【背景技術】】
[0002] 近些年來，熱探針法在測量土壤熱參數(shù)時的適用越來越廣泛，熱探針法通過測量 埋入土壤中的探針的溫度變化曲線以及相應的數(shù)學模型可以計算出被測量土壤的熱參數(shù)。
[0003] 然而，上述測量方法在實際使用中仍然存在亟待解決的技術問題：
[0004] (1)在傳統(tǒng)熱探針測量時，建立的熱探針模型基于其長度遠大于探針直徑的理想 化假設，在實際中往往不能滿足；
[0005] (2)熱探針表面無法保證為一個理想的等溫面，影響測量的準確性；
[0006] (3)測量過程中忽略熱探針自身的自熱容，影響測量的準確性；
[0007] (4)測量過程中忽略探針與土壤之間的接觸熱阻，影響測量的準確性。
[0008] (5)目前傳統(tǒng)熱探針適用范圍有限，主要用于表層土壤和實驗室測量。
[0009]因此，設計、制作一種精確、快速測量的便攜的土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器，以解決以 上所述基于傳統(tǒng)熱探針法測量土壤熱參數(shù)所面臨的現(xiàn)實問題，是當前業(yè)界重要的研宄課題 之一。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0010] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器，具有測 量快速精確、安全、便攜且可以長期深埋地下等特點，以克服現(xiàn)有傳統(tǒng)熱探針法技術在實際 工程和研宄應用中存在的不足和困難。
[0011] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0012] 一種深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器，主要包含：直流電源DC11，用于為探針加熱電 路提供能量；絕緣電熱絲H11，用于將電能轉(zhuǎn)換為熱能，均勻貼付在探針內(nèi)壁，對探針進行 加熱；球形探頭，與土壤直接接觸，產(chǎn)生熱量以測量土壤的熱參數(shù)；測溫模塊T11，用于測量 球形探針表面的溫度變化；絕緣電熱絲電壓監(jiān)測模塊R11，用于監(jiān)測絕緣電熱絲的電壓信 號；絕緣電熱絲電流監(jiān)測模塊R12,用于監(jiān)測絕緣電熱絲的電流信號；雙擲開關S11，用于選 擇電路工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集及處理單元D11。
[0013] 所述球形探頭為銅鋅合金制作的空心球殼，通過兩個半球殼拼接在一起。
[0014] 所述絕緣電熱絲為表面絕緣的電熱絲，為保證絕緣電熱絲均勻緊貼在球形探針內(nèi) 表面，采用兩根電熱絲并聯(lián)，分別均勻貼附在球形探針外殼的兩個半球內(nèi)表面，。
[0015] 所述測溫模塊采用PT100熱電阻作為溫度傳感器，通過密封膠粘貼在球形探針內(nèi) 表面，以測量空心球殼表面的溫度變化。
[0016] 所述PT100熱電阻通過雙恒流源三運放差分調(diào)理放大電路將信號傳輸給數(shù)據(jù)采 集單元。
[0017] 所述雙恒流源三運放差分調(diào)理放大電路包括三運放差分集成測量芯片，以及與該 芯片相連的第一和第二恒流源，所述第一和第二恒流源均包括直流電源、穩(wěn)壓二極管，以及 三極管，所述三極管的基極和發(fā)射極之間串聯(lián)有第一電阻和所述穩(wěn)壓二極管，所述三極管 的集電極通過標準電阻或PT100熱電阻接地；所述穩(wěn)壓二極管和第一電阻之間的節(jié)點與直 流電源相連，所述穩(wěn)壓二極管與三極管的基極相連的一端通過第二電阻接地，所述第一和 第二恒流源通過集電極與三運放差分集成測量芯片的輸入相連。
[0018] 所述絕緣電熱絲電壓監(jiān)測模塊，由兩個電阻R21和R22串聯(lián)形成電壓分壓器。
[0019] 所述絕緣電熱絲電流監(jiān)測模塊，由與電熱絲串聯(lián)的已知阻值的小電阻R23的電壓 值測量回路電流值，所述小電阻R23的阻值小于1D。所述直流電源的兩端并聯(lián)有平衡電阻 R13,該平衡電阻R13與直流電源的正極之間串有雙擲開關，該雙擲開關可以接通平衡電阻 或電熱絲，該平衡電阻的阻值與所用電熱絲常溫下阻值相等，用于使得輸出電壓在開通時 更為穩(wěn)定。
[0020] 一種基于上述深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器的檢測方法，在時間t內(nèi)，通過測溫模 塊采集所測土壤的一系列溫度數(shù)據(jù)，將該系列溫度數(shù)據(jù)根據(jù)目標函數(shù)進行最小二乘法進行 擬合，最終得到土壤的熱參數(shù)；所述目標函數(shù)為：
[0022] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明傳感器只需要將球形探 針埋入需要測量的點，在一定的時間范圍內(nèi)通過球形探針表面的溫度變化以及電熱絲兩端 電壓、電流的值，通過數(shù)學擬合和計算，最終可以計算出土壤的熱參數(shù)，使得測量效率高，速 度快，測量操作方便，便攜性強。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器的一個實施例的主電路結(jié)構示意圖。
[0024] 圖2是圖1中電熱絲電壓和電流信號的監(jiān)測電路示意圖。
[0025] 圖3是圖1中電熱絲繞制結(jié)構示意圖。
[0026] 圖4是圖1中測溫模塊的電路結(jié)構圖。
[0027] 圖5是本發(fā)明深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器的一個實施例中溫度響應數(shù)據(jù)及其擬 合曲線。 【【具體實施方式】】
[0028] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加的清楚，下面將結(jié)合附圖和實施例對 本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0029] 如圖1所示，是本發(fā)明深層土壤熱參數(shù)監(jiān)測傳感器的一個實施例。該深層土壤熱 參數(shù)監(jiān)測傳感器主要包括：直流電源DC11，絕緣電熱絲H11，球形探針，測溫模塊T11，電熱 絲電壓監(jiān)測模塊，電熱絲電流監(jiān)測模塊，以及數(shù)據(jù)采集和處理單元。
[0030] 其中，直流電源DC為加熱電路提供能量，為保證加熱功率選取在準確測量的范圍 內(nèi)，在一個實施例中選擇輸出為12V，1A的直流穩(wěn)壓電源。
[0031] 選取表面經(jīng)過絕緣處理的電熱絲，以防止電熱絲與球形探針殼體直接接觸形成短 路，并且需要均勻緊貼粘附在球形探針球殼的內(nèi)表面。在一個實施例中，絕緣電熱絲選取耐 高溫表面絕緣鐵鉻鋁電熱絲，電熱絲線徑為0. 31mm，每米電阻為20. 27Q，選擇兩根相同長 度的電熱絲，長度都為1. 5m，則單根電熱絲常溫下電阻為30. 4Q，并聯(lián)總電阻為15. 2Q，理 論計算其發(fā)熱功率為9. 47W。通過環(huán)氧膠將電熱絲均勻緊貼球形探針殼體內(nèi)表面，盡量保證 傳熱均勻，電熱絲在殼體內(nèi)的纏繞方式如圖3所示。
[0032] 球形探針為直接與土壤接觸進行傳熱的部分，在一個實施例中，球形探針殼體選 擇銅鋅合金制作的空心球殼，在保證具有高導熱率的同時具有一定的硬度，以使探針可以 長期深埋地下而不易變形，球徑為l〇cm，壁厚1_，球頂有0. 5cm的孔，方便引出線。
[0033] 測溫模塊，以PT100熱電阻作為溫度傳感器，直接緊貼粘連在球形探針球殼的內(nèi) 表面，并連接到雙恒流源三運放差分調(diào)理放大電路，在一個實施例中，電路和參數(shù)的選擇如 圖3所示，恒流源電路直流電源選用12V鋰電池，在三極管發(fā)射極和基極間連接一個4kD 電阻以及穩(wěn)壓二極管1N4738,三極管集電極輸出1. 8mA恒定電流，一個恒流源中三極管集 電極連接標準電阻，另一個恒流源中三極管集電極連接PT100熱電阻，標準電阻的阻值與 PT100常溫阻值相同，為100Q，將標準電阻的電壓和PT100的電壓連接到三運放差分集成 測量芯片AD620的輸入端口，選擇如圖參數(shù)時，放大倍數(shù)為100。因此，當球形探針球殼表面 的溫度每升高1°C，經(jīng)過調(diào)理放大后的測量電壓增加0. 07V。
[0034] 圖2中，R21、R22為一組分壓器，用以測量電熱絲電壓，R23為電流取樣電阻，用以 測量加熱回路的電流值。在一個實施例中，由于電熱絲電阻約為16Q，因此，選用的分壓器 電阻R21、R22應盡可能大，R23盡量小，因此選擇R21 = 50kD，R22 =lOOkD，測得R21電 壓為U1，則可以得到電熱絲電壓為3U