專利名稱：沙質土地面蒸發量自記儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于農林業及水文監測技術領域，具體涉及一種定位監測自然環境地面蒸發量，并能實時自動記錄生態環境因子的沙質土地面蒸發量自記儀。
背景技術：
地面蒸發量是生態環境監測的重要因子，它綜合反映了生態環境的能量平衡和水分循環過程，也是水分平衡研究的主要指標。由于諸多因素的交互影響，地面蒸發量是一個難以準確監測的指標，目前在標準的地面氣象觀測系統中，尚未將此指標作為觀測對象。在科研實踐中地面蒸發量常采取半監測半理論推算的方法取得，在人工水分均衡場也可采用蒸滲儀法通過水分平衡的原理測得。截至目前，還沒有一種適用于長期野外定位監測，直接測定地面蒸發量的儀器。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構簡單、使用方便，測定結果連續、可靠的沙質土地面蒸發量自記儀。本發明可全天候不間斷地測定生態環境地面蒸發量。本發明是通過以下技術方案來實現上述目的
一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于它包括蒸發皿系統，毛細管接續裝置，水位控制補水裝置，土壤濕度監測及電子程序控制系統，數據記錄儲存顯示系統，滲流排出接收系統，外殼；蒸發皿系統與毛細管接續裝置相連接，水位控制補水裝置與毛細管接續裝置相連接；土壤濕度監測及電子程序控制系統包括濕度監測電子程序控制器、壓力傳感器、 兩個熱敏電阻及兩個溫度傳感器，電子程序控制器與壓力傳感器、兩個熱敏電阻及兩個溫度傳感器相連接，壓力傳感器安裝于水位控制補水裝置，蒸發皿系統、毛細管接續裝置與水位控制補水裝置安裝在外殼內，滲流排出接收系統與水位控制補水裝置相連通；電子程序控制器與數據記錄儲存顯示系統相連接。蒸發皿系統包括底部設有通孔的蒸發皿，蒸發皿下部設置有水分擴散層，水分擴散層上面鋪設有原狀土層；毛細管接續裝置包括儲水槽、燈芯和升降電機；升降電機與電子程序控制器相連接，升降電機放置在外殼底部，升降電機上方設有托盤，托盤上面放置儲水槽，儲水槽內裝水并設有恒定水位線，燈芯的頂部位于通孔上方的水分擴散層，燈芯的下部置于儲水槽水里；第一熱敏電阻及第一溫度傳感器置于原狀土層表層，第二熱敏電阻及第二溫度傳感器置于自然地面表層。水位控制補水裝置包括供水瓶、水位控制箱和連通管；供水瓶的瓶口向下，供水瓶裝水并具有水位線，瓶口裝有密封塞，供水瓶裝有進氣管，進氣管上口位于水位線上方，下口位于密封塞外面，水位控制箱與儲水槽固定連接，水位控制箱裝水，連通管將水位控制箱與儲水槽相連通，控制水位與儲水槽的恒定水位線處于同一水平面，供水瓶裝有水位控制管，水位控制管中部是乳膠管，乳膠管兩端固定連接剛性管，水位控制管上口與供水瓶水相通，下口與水位控制箱的控制水位相平齊，水位控制管下部固定在水位控制箱上部，壓力傳感器安裝于供水瓶。滲流排出接收系統由下滲量溢出管與滲流杯構成，下滲量溢出管上部位于水位控制箱，下滲量溢出管上口與水位控制箱的控制水位相平齊，下口位于滲流杯。本發明使用時，儀器設置于被測定環境，將電子程序控制器與數據記錄儲存顯示系統放置在地表，將外殼與裝于外殼的蒸發皿系統、毛細管接續裝置及水位控制補水裝置埋設于被測定環境地面以下，蒸發皿的原狀土層的表面與自然地面相平齊，蒸發皿隔絕了蒸發皿內土壤與外界土壤的聯系，由毛細管接續裝置代替毛細管對水分的垂直輸導作用。 當自然地面蒸發時，毛細管接續裝置可在土壤濕度監測及電子程序控制系統的控制下，通過升降電機垂直上、下運動，調節輸水燈芯的長度，達到人工蒸發面和自然蒸發面濕度一致，從而保證兩者蒸發量一致。水位控制補水裝置通過水位控制管和水位控制箱內的控制水位控制儲水槽的水位線恒定不變；并當原狀土層蒸發，儲水槽的恒定水位線下降時，水位控制管向下適度補水，恢復恒定水位線到原始位置。水位控制管向下補充的水量即為地面蒸發量，補充的水量由設置在供水瓶底部的壓力傳感器監測得到，監測結果通過電子程序控制器再傳輸并儲存在數據記錄儲存顯示系統。遇下雨氣候，如有降雨下滲，蒸發皿內下滲的水量可通過滲流排出接收系統的下滲量溢出管排泄到滲流杯中，始終保持儲水槽內的水位線不變；雨后的地面蒸發量由原狀土層的飽和含水量(或現實含水量)減去原狀土層常態含水量獲得。由于從自然地面直接測定蒸發量是很困難的，本發明設計了人工蒸發皿系統來間接測定自然環境的地面蒸發量。關鍵的技術是使蒸發皿蒸發量與自然地面蒸發量持續保持一致。根據相關物理學知識，本發明應用的理論是，當蒸發皿和自然地面的表層理化性質和結構相同且蒸發環境一致時，蒸發皿和自然地面蒸發面濕度相同則蒸發量相同，蒸發量相同則地表溫度相同，兩者的蒸發面濕度相同與蒸發量相同是本發明結構設計的依據，蒸發量相同與地表溫度相同是本發明結構控制的依據。本發明設計原理是自然界開放系統的蒸發量難以測定，必須設計一個封閉系統確定蒸發量。封閉系統中的蒸發皿切斷了毛管水通道，利用毛細管接續裝置補充蒸發面的水分消耗，毛管水補充的強度由土壤濕度監測及電子程序控制系統調節，使蒸發皿的蒸發面濕度趨近于自然蒸發面的濕度，毛管水來源于由水位控制補水裝置控制的恒定水位面， 并由其提供補給水量，將補給水量通過壓力傳感器傳輸到土壤濕度監測及電子程序控制系統的濕度監測電子程序控制器，并由數據記錄儲存及顯示系統記錄并保存。本發明實時自動記錄生態環境因子、自動補水，具有結構簡單，使用方便，適應于全天候天氣，可連續準確測定地面蒸發量等特點，可滿足野外長期定位監測的要求，特別適用于沙土地使用。
圖1是本發明的結構示意圖，
圖2是本發明第一、第二熱敏電阻與橋式電路的關系圖。圖中1一蒸發皿，101—通孔，2—原狀土層，3—水分擴散層，4一燈芯，5—燈芯固定蓋板，501—蓋板通孔，6—儲水槽，7—升降電機，8—恒定水位線，
9 一供水瓶，10—進氣管，11 一密封塞，12—水位控制管，121—乳膠管，13—連接板，14一水位控制箱，15—連通管，16—供水瓶水位，17—控制水位，18—下滲量溢出管，19一滲流杯，20—壓力傳感器，21—外殼，22-自然地面，23—電子程序控制器，24—數據記錄儲存器，25—數據顯示器，洸_第一熱敏電阻，27—第二熱敏電阻，第一溫度傳感器，29-H 二溫度傳感器，30—托盤，31—繩結。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明。如圖1所示一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于它包括蒸發皿系統，毛細管接續裝置，水位控制補水裝置，土壤濕度監測及電子程序控制系統，數據記錄儲存顯示系統，滲流排出接收系統，外殼21 ；蒸發皿系統與毛細管接續裝置相連接，水位控制補水裝置與毛細管接續裝置相連接；土壤濕度監測及電子程序控制系統包括濕度監測電子程序控制器23、壓力傳感器20、第一熱敏電阻沈、第二熱敏電阻27、第一溫度傳感器觀及第二溫度傳感器29，電子程序控制器23與壓力傳感器20、兩個熱敏電阻沈、27及兩個溫度傳感器觀、四相連接，壓力傳感器20安裝于水位控制補水裝置，蒸發皿系統、毛細管接續裝置與水位控制補水裝置安裝在外殼21內，滲流排出接收系統與水位控制補水裝置相連通；數據記錄儲存顯示系統包括數據記錄儲存器M與數據顯示器25，電子程序控制器23與數據記錄儲存器M相連接，數據記錄儲存器M與數據顯示器25相連接。蒸發皿系統的功能是提供一個人工蒸發面，毛細管接續裝置起到代替毛細管對水分的垂直輸導作用。土壤濕度監測及電子程序控制系統的作用是調節毛管水補充的強度， 保持蒸發皿的蒸發面濕度始終趨近于自然蒸發面的濕度。水位控制補水裝置的作用是控制恒定水位線保持穩定，并提供補給水量。數據記錄儲存及顯示系統起記錄、保存測定結果和儀器運行狀態的作用。滲流排出接收系統的作用是排除降雨下滲水，保證儀器全天候正常運行。蒸發皿系統包括底部設有通孔101的蒸發皿1，蒸發皿1下部設置有水分擴散層 3，水分擴散層3上面鋪設有原狀土層2 ；水分擴散層3由抗腐蝕吸水纖維構成；原狀土層2 取自于被測環境原狀土，原狀土層的機械組成、密度和結構與被測環境原狀土保持不變，水分擴散層3與原狀土層2緊密接觸。毛細管接續裝置位于蒸發皿1的正下方，毛細管接續裝置包括儲水槽6、燈芯4和升降電機7 ；升降電機7與電子程序控制器23相連接，升降電機7放置在外殼21底部，升降電機7上方設有托盤30，托盤30上面放置儲水槽6，升降電機7置于儲水槽6的下方正中，在土壤濕度監測及電子程序控制系統的控制下行往復垂直運動，來調節燈芯的垂直長度，從而調控儲水槽6向原狀土層2的輸水流量。儲水槽6由抗腐蝕金屬材料制成，儲水槽 6內裝水并設有恒定水位線8，燈芯4的頂部位于通孔101上方的水分擴散層2，燈芯4的下部置于儲水槽6水里淹沒于水中，燈芯4的作用是連接蒸發皿1和恒定水位線8毛細管水； 第一熱敏電阻26及第一溫度傳感器觀置于原狀土層2表層，第二熱敏電阻27及第二溫度傳感器觀置于自然地面22表層。燈芯4由抗腐蝕吸水纖維制成，燈芯4上端設有膨大的頭部，膨大的頭部與水分擴散層3緊密接觸，保證毛細管暢通；儲水槽6由抗腐蝕金屬材料構成。水位控制補水裝置包括供水瓶9、水位控制箱14和連通管15 ；供水瓶9為玻璃質地，供水瓶9的瓶口向下，供水瓶9裝水并具有水位線16，瓶口裝有密封塞11，供水瓶9裝有進氣管10，進氣管10上口位于水位線16上方，下口位于密封塞11外面，水位控制箱14 抗腐蝕金屬材料制成，水位控制箱14與儲水槽6經連接板13固定連接，將水位控制箱14 儲水槽6連為一體；水位控制箱14裝水，連通管15將水位控制箱14與儲水槽6相連通形成連通器，保證控制水位17與儲水槽6的恒定水位線8處于同一水平面，供水瓶9裝有水位控制管12，水位控制管中部是乳膠管121，使水位控制箱14隨儲水槽6上下運動，乳膠管 121兩端固定連接剛性管，水位控制管12上口與供水瓶9水相通，下口與水位控制箱14的控制水位17相平齊，水位控制管12下部固定在水位控制箱14上部，壓力傳感器20安裝于供水瓶9的底部，用于監測供水瓶水位變化，供水瓶減少的水量即為蒸發皿的蒸發量。水位控制箱14抗腐蝕金屬材料制成，滲流排出接收系統由下滲量溢出管18與滲流杯19構成，下滲量溢出管18上部位于水位控制箱14，下滲量溢出管14上口與水位控制箱14的控制水位17相平齊，下口位于滲流杯19。滲流排出接收系統用于排出降雨下滲的水量到滲流杯19中，保持恒定水位線和控制水位穩定不變。在降雨以后，地面濕度會高于正常狀態，或處于飽和或過飽和狀態，毛細管系統會停止運動或發生倒流，這時會發生暗蒸發現象儀器無法測得，可用原狀土層的飽和含水量(或現實含水量)減去原狀土層常態含水量獲得當時的蒸發量。為了防止異物落入和燈芯下落造成水位升高；作為本發明的完善，儲水槽6的端口上面設有燈芯固定蓋板5 ；燈芯固定蓋板5設有供燈芯4下部通過的蓋板通孔501，燈芯4 下部設有繩結31，繩結31卡在燈芯固定蓋板5上面。燈芯固定蓋板5由抗腐蝕金屬制成。水位控制補水裝置的工作原理是當原狀土層2形成的蒸發面蒸發時，儲水槽6的恒定水位線8下降，同時水位控制箱14的控制水位17下降，水位控制管12的下口脫離水平，供水瓶9中的水沿著水位控制管12向水位控制箱補充，這時供水瓶9中的壓力下降，進氣管10向瓶提供氣體補充壓力損失，當水位恢復到原位，水位控制管12的下口沒入水面， 補水停止。電子程序控制器14裝有控制電路，控制電路包括橋式電路，參見圖2 第一熱敏電阻17和第二熱敏電阻18連接在橋式電路中，若兩個熱敏電阻完全相同，它們的阻抗隨溫度發生同樣變化。以第一熱敏電阻和第二熱敏電阻的阻抗相等或不等作為電信號對系統進行程序控制。控制的原理是若蒸發皿原狀土層的濕度低于自然地面的濕度、蒸發皿的蒸發量小于自然地面的蒸發量時，蒸發皿的溫度高于自然地面，第一熱敏電阻的阻抗高于第二熱敏電阻，橋式電路輸出正信號，升降電機向上運動，縮短燈芯的垂直長度，增大了燈芯的浸水長度，增加了毛管水的補充量，提高蒸發皿原狀土層的濕度。反之則橋式電路輸出負信號，升降電機向下運動，增加燈芯的垂直長度，縮短了燈芯的浸水長度，減少了毛管水的補充量，降低蒸發皿原狀土層的濕度。如此往復運動直到蒸發皿原狀土層和自然地面的濕度一致。當兩者濕度相同、蒸發量相同時，兩者溫度相同，阻抗相同，橋式電路輸出零信號，升降電機保持靜止狀態。第一溫度傳感器觀和第二溫度傳感器四分別用于監測原狀土層2蒸發面和自然地面11的溫度。使用時，儀器設置于被測定環境，電子程序控制器與數據記錄儲存顯示系統放置在地表，外殼與裝于外殼的蒸發皿系統、毛細管接續裝置及水位控制補水裝置埋設于被測定環境地面以下，蒸發皿的原狀土層的表面與自然地面相平齊。
權利要求
1.一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于它包括蒸發皿系統，毛細管接續裝置， 水位控制補水裝置，土壤濕度監測及電子程序控制系統，數據記錄儲存顯示系統，滲流排出接收系統，外殼；蒸發皿系統與毛細管接續裝置相連接，水位控制補水裝置與毛細管接續裝置相連接；土壤濕度監測及電子程序控制系統包括濕度監測電子程序控制器、壓力傳感器、兩個熱敏電阻及兩個溫度傳感器，電子程序控制器與壓力傳感器、兩個熱敏電阻及兩個溫度傳感器相連接，壓力傳感器安裝于水位控制補水裝置，蒸發皿系統、毛細管接續裝置與水位控制補水裝置安裝在外殼內，滲流排出接收系統與水位控制補水裝置相連通；電子程序控制器與數據記錄儲存顯示系統相連接。
2.如權利要求1所述的一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于蒸發皿系統包括底部設有通孔的蒸發皿，蒸發皿下部設置有水分擴散層，水分擴散層上面鋪設有原狀土層； 毛細管接續裝置包括儲水槽、燈芯和升降電機；升降電機與電子程序控制器相連接，升降電機放置在外殼底部，升降電機上方設有托盤，托盤上面放置儲水槽，儲水槽內裝水并設有恒定水位線，燈芯的頂部位于通孔上方的水分擴散層，燈芯的下部置于儲水槽水里；第一熱敏電阻及第一溫度傳感器置于原狀土層表層，第二熱敏電阻及第二溫度傳感器置于自然地面表層，蒸發皿的原狀土層表面與自然地面相平齊。
3.如權利要求2所述的一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于原狀土層是被測環境的原狀土，原狀土層的機械組成、密度和結構與被測環境原狀土相一致，水分擴散層與原狀土層緊密接觸。
4.如權利要求2所述的一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于燈芯上端設有膨大的頭部，膨大的頭部與水分擴散層緊密接觸。
5.如權利要求2所述的一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于儲水槽的端口上面設有燈芯固定蓋板；燈芯固定蓋板設有蓋板通孔；燈芯下部設有繩結，繩結卡在燈芯固定蓋板上面。
6.如權利要求1所述的一種地面蒸發量自記儀，其特征在于水位控制補水裝置包括供水瓶、水位控制箱和連通管；供水瓶的瓶口向下，供水瓶裝水并具有水位線，瓶口裝有密封塞，供水瓶裝有進氣管，進氣管上口位于水位線上方，下口位于密封塞外面，水位控制箱與儲水槽固定連接，水位控制箱裝水，連通管將水位控制箱與儲水槽相連通，控制水位與儲水槽的恒定水位線處于同一水平面，供水瓶裝有水位控制管，水位控制管中部是乳膠管，乳膠管兩端固定連接剛性管，水位控制管上口與供水瓶水相通，下口與水位控制箱的控制水位相平齊，水位控制管下部固定在水位控制箱上部，壓力傳感器安裝于供水瓶。
7.如權利要求1至6任意一項所述的一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于數據記錄儲存顯示系統包括數據記錄儲存器與數據顯示器，電子程序控制器與數據記錄儲存器相連接，數據記錄儲存器與數據顯示器相連接。
8.如權利要求7所述的一種沙質土地面蒸發量自記儀，其特征在于滲流排出接收系統由下滲量溢出管與滲流杯構成，下滲量溢出管上部位于水位控制箱，下滲量溢出管上口與水位控制箱的控制水位相平齊，下口位于滲流杯。
全文摘要
本發明涉及一種定位監測自然環境地面蒸發量并能實時自動記錄生態環境因子的沙質土地面蒸發量自記儀。它包括蒸發皿系統，毛細管接續裝置，水位控制補水裝置，土壤濕度監測及電子程序控制系統，數據記錄儲存顯示系統，滲流排出接收系統，外殼；蒸發皿系統、水位控制補水裝置與毛細管接續裝置相連接；土壤濕度監測及電子程序控制系統包括濕度監測電子程序控制器、壓力傳感器、兩個熱敏電阻及兩個溫度傳感器，電子程序控制器與壓力傳感器、熱敏電阻及溫度傳感器連接，壓力傳感器安裝于水位控制補水裝置，蒸發皿系統、毛細管接續裝置與水位控制補水裝置安裝在外殼。它適應于全天候天氣野外長期定位監測，可連續準確測定地面蒸發量，特別適用于沙土地。
文檔編號G01W1/00GK102169193SQ20111002802
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者康建軍, 張繼強, 戚登臣, 朱麗, 李廣宇, 王芳, 趙明, 邴丹琿, 陳文業, 魏強 申請人:甘肅省林業科學研究院