專利名稱：一種土面蒸發量的補償式自動測量系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種測量系統及方法，特別是關于一種用于實時測量土面蒸發量的補償式自動測量系統及方法。
背景技術：
在水資源緊缺和生態環境雙重制約下，農業用水必須向節水、高效的方向發展。目前，我國農業節水的最大潛力在田間，作物吸收的水分僅有-2%用于作物器官的形成， 其它絕大部分水分以作物蒸騰和棵間蒸發的方式散失，因此田間蒸發蒸騰是農業生產耗水的主要形式。為了減少田間水分的無效蒸發蒸騰，迫切需要能夠實時、準確獲取田間蒸發的測量數據，提高水分利用效率，但是田間蒸發蒸騰是一個相當復雜的連續過程，實時測量田間蒸發蒸騰存在很大的困難。微型蒸發器是一種觀測土體蒸發的器皿，自從1982年Boast提出利用微型蒸發器測定土體蒸發量以來，不少學者針對不同研究目的設計了一些不同功能的微型蒸發器。但是現有的微型蒸發器以人工稱重為主，費時費力，不僅不能獲取連續的實時數據，而且對農田環境的影響也較大。目前測量土體蒸發量最直接的方法是利用大型稱重式蒸滲儀測定裸土蒸發量，但是利用大型稱重式蒸滲儀測定裸土蒸發量存在價格昂貴、裝土困難和定期維護困難等問題，而且大型稱重式蒸滲儀體積龐大，不能直接測定密植作物棵間蒸發，只能獲取蒸發蒸騰總量。此外，由于現有的微型蒸發器是一種封底的小型蒸發器皿，測量土體與田間土體之間的聯系被割裂開來，沒有相應的連通或補償裝置，導致微型蒸發器內、外土體之間的含水狀況產生明顯差異，為了盡量減小微型蒸發器內、外土體的差異，一般采用頻繁換土的方式， 但在監測時段內，微型蒸發器內、外土體之間水勢的差異必將導致蒸發量測量數據存在較大誤差。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠保持測量土體與田間土體水勢一致的田間土面蒸發量的補償式自動測量系統及方法。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種土面蒸發量的補償式自動測量系統，其特征在于它包括一土體測量裝置、一蒸發稱重傳感器、一負壓補償裝置、一補償稱重傳感器和一控制裝置；所述土體測量裝置包括從下向上依次設置的一底盤、一陶土板和一土柱筒；所述陶土板底面與所述底盤之間具有一導水區，所述導水區連通一設置在所述底盤上的導水孔；所述土體測量裝置放置在所述蒸發稱重傳感器上；所述負壓補償裝置包括一通過管路連接所述導水孔的補水瓶，一通過管路連接所述補水瓶的負壓緩沖瓶，一通過管路依次連接所述負壓緩沖瓶的負壓傳感器和負壓泵，以及一連接有另一負壓傳感器的張力計陶瓷頭；所述補水瓶放置在所述補償稱重傳感器上；所述控制裝置包括一單片機、 一時鐘電路、一 A/D轉換器、一數據存貯器、一通信接口電路、一電源和一驅動電路；所述單片機控制所述A/D轉換器采集數據，所述A/D轉換器將采集到的兩個所述負壓傳感器的測量數據進行A/D轉換后發送給所述單片機，所述單片機對兩個信號進行比較后，通過所述驅動電路啟動所述負壓泵正向或反向驅動；所述時鐘電路控制所述單片機兩次采集所述蒸發稱重傳感器和補償傳感器數據的時間間隔，并通過所述A/D轉換器經A/D轉換后輸入所述數據存貯器。所述土體測量裝置還設置有一壓盤，所述壓盤套設在所述土柱筒的下部，且壓在所述陶土板的頂面。所述陶土板與測量土體接觸的表面設置有一層聚酰胺多孔膜。所述一土體測量裝置、一負壓補償裝置和一控制裝置相互對應為多個時，所述控制裝置的通信接口電路通過一個SDI-12總線接口連接一外部計算機或數據采集器實現多組測量土體分小區測量。采用所述系統的一種土面蒸發量的補償式自動測量方法，其包括如下步驟1)設置一包括有土體測量裝置、蒸發稱重傳感器、負壓補償裝置、補償稱重傳感器和控制裝置的測量系統；幻測量前，用環刀取出測量土體，放入所述土體測量裝置中，加水攪拌至稀軟， 并埋設在田間土體中，將負壓補償裝置的補水瓶通過管路連接土體測量裝置的導水區，將負壓補償裝置的負壓緩沖瓶通過負壓傳感器連接負壓泵，再將負壓補償裝置中連接另一負壓傳感器的陶瓷頭插入田間土體中；；3)控制裝置的A/D轉換器分別采集兩個負壓傳感器對測量土體的水勢和田間土體的水勢測量結果，并將測量數據轉換后輸入控制裝置的單片機進行數據對比；4)控制裝置的單片機根據步驟幻得到的對比結果，通過控制裝置的驅動電路啟動負壓補償裝置的負壓泵對測量土體的水勢和田間土體的水勢進行調節，以保證二者水勢一致力)控制裝置的時鐘電路根據單片機設定的時間間隔，控制單片機兩次采集蒸發稱重傳感器和補償傳感器稱重數據的時間，并通過所述A/D轉換器轉換后輸入所述控制裝置的數據存貯器；6)單片機根據蒸發稱重傳感器和補償稱重傳感器兩次測量的數據，得到測量土體的損失水量和補水瓶的補充水量，二者之間的差值即為給定時間內測量土體的蒸發量，進而得到給定時間間隔內田間土體的蒸發總量。在所述A/D轉換器采集所述蒸發稱重傳感器和補償稱重傳感器稱重數據期間，所述單片機通過所述驅動電路停止負壓泵的操作。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由于設置了一套負壓補償裝置，因此可以隨時保證測量土體的含水率與周圍田間土體的含水率一致，避免和減少了現有測量土體與田間土體隔離而帶來的測量誤差，極大的提高了測量精度。2、本發明由于設置了蒸發稱重傳感器、補償稱重傳感器和兩個負壓傳感器，因此可以隨時對測量土體的水勢、田間土體水勢、測量土體蒸發量和補水瓶補給水量等數據進行采集，并通過控制裝置對測量土體和田間土體的水勢進行自動調節，實現田間土體蒸發過程的連續測量。3、 本發明可以根據不同需要通過單片機設置數據采集間隔，同時利用總線技術將數據輸入外部的計算機或數據采集器，進而組成一個測量土體觀測網絡，即可以實現多組測量土體分小區測量，又可以實現對某一小區的單獨測量，操作十分方便靈活。4、本發明由于實現了田間土體蒸發過程的連續測量，因此可以根據需要，隨時對田間土體的蒸發總量進行測量。本發明結構簡單、合理、成本低，在田間實施安全性較高，對農田環境影響小，它可以廣泛應用于各種田間土體蒸發量的測量中。
圖1是本發明的補償式自動測量系統結構示意圖；圖2是本發明的土體測量裝置剖面示意圖；圖3是本發明的土體測量裝置整體剖面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1 3所示，本發明的補償式自動測量系統包括一土體測量裝置1(左側虛框內)、一蒸發稱重傳感器2、一負壓補償裝置3、一補償稱重傳感器4和一控制裝置5 (右側虛框內)。本發明的土體測量裝置1包括一底盤11、一圓盤狀的陶土板12、一導水區13、一環柱狀的土柱筒14和一壓盤15。其中，底盤11設置有一階梯形凹槽110 (如圖2所示)。 需要對土體進行測量時，首先將陶土板12放置在底盤11的階梯形凹槽110內，并且陶土板 12和底盤11的頂面平齊，陶土板12和階梯形凹槽110之間形成一導水區13，在位于導水區13的底盤11 一側設置一個導水孔111。用環刀取出需要測量的田間土體，將土柱筒14 水平倒置，從土柱筒14的左側或右側裝入測量土體，這時將土柱筒14豎直放置在陶土板12 上，再將壓盤15套設在土柱筒14的下部并且壓在陶土板12的上面，完成土體測量裝置1 的安裝，最后將土體測量裝置1放置到蒸發稱重傳感器2上，并埋設在田間土體中。上述實施例中，導水孔111是設置在底盤11的側面，根據實際的測量需要導水孔 111還可以設置在底盤11的底面。壓盤15為一環狀體，其作用類似墊圈，目的是固定陶土板12并且保證土柱筒14穩定地放在底盤11上。土柱筒14放置到陶土板12之前需要將與陶土板12接觸的測量土體加水攪拌至稀軟，目的是使測量土體與陶土板12充分接觸。陶土板12與測量土體接觸的表面設置有一層聚酰胺多孔膜，用于提升陶土板12的導氣值，更好、更大程度的迅速測到土柱筒14里面土體的水勢，而且可以彌補陶土板12制造工藝的缺陷，使其密度均勻，(注土體的水勢是一種衡量土壤水能量的指標，是在土壤和水的平衡系統中，單位數量的水在恒溫條件下，移動到參照狀況的純自由水體所能做的功)。本發明的負壓補償裝置3包括一導水管31、一補水瓶32、兩負壓管33、34、一負壓緩沖瓶35、一負壓泵36、兩負壓傳感器37、38和一張力計陶瓷頭39。負壓補償裝置3安裝時，導水管31的一端插入導水孔111中，導水管31的另一端伸入到補水瓶32的底部水中。 負壓管33的一端插到補水瓶32的上面，且負壓管33置于補水瓶32的水的上方且不能接觸到水，負壓管33的另一端插入到負壓緩沖瓶35內。另一負壓管34的一端插入到負壓緩沖瓶35內，另一端連接到負壓泵36上，并且在負壓管34上串聯一負壓傳感器37。另一負壓傳感器38連接一張力計陶瓷頭39。測量時，補水瓶32放置在補償稱重傳感器4上，張力計陶瓷頭39放置在埋有土體測量裝置1的田間土體中。上述實施例中，負壓緩沖瓶35用來對負壓進行穩定，且可以保護負壓泵36不會進入液體。本發明的控制裝置5包括一電源51、一驅動電路52、一單片機53、一時鐘電路54、 一 A/D轉換器55、一數據存貯器56和一通信接口電路57。測量時，電源51連接到驅動電
6路52上，驅動電路52連接到負壓泵36上。單片機53通過驅動電路52驅動負壓泵36正向或反向對土柱筒14的內、外水勢平衡調節。單片機53設定采集數據的時間后，發送給時鐘電路M —個定時間隔，時鐘電路M定時觸發單片機53控制A/D轉換器55通過信號線采集兩個負壓傳感器37、38、蒸發稱重傳感器2、補償稱重傳感器4的測量數據，將所有測量的數據記錄在數據存貯器56中，通信接口電路57用USB可以將測量數據發送到外部的計算機，實現對補償式自動測量系統運行參數的修改和存儲數據的下載。上述實施例中，通信接口電路57還置有一個SDI-12總線接口，通過SDI-12總線接口輸入外部的計算機或數據采集器，進而組成一個測量土體觀測網絡，可以實現多組測量土體分小區測量(圖中未示出)。利用上述土面蒸發量的補償式自動測量系統，在一段時間內對田間土體蒸發總量的測量方法包括如下步驟1)測量前，用環刀取出測量土體，將測量土體裝入土柱筒14中，土體上加水攪拌至稀軟，完成土體測量裝置1的安裝后，將其放置在蒸發稱重傳感器2上組成整個測量裝置，將整個測量裝置埋設在田間土體中，并且將張力計陶瓷頭39放置在埋有整個測量裝置的田間土體中。2)測量時，蒸發稱重傳感器2和補償稱重傳感器4分別接通電源51，兩個負壓傳感器37、38分別對土柱筒14內測量土體的水勢和田間土體的水勢進行測量，單片機53實時控制采集負壓傳感器37、38的測量數據，A/D轉換器55分別采集兩個負壓傳感器對測量土體的水勢和田間土體的水勢的測量結果，并將測量數據經過A/D轉換后輸入控制裝置5 的單片機53進行數據對比。3)單片機53根據步驟2、得到的對比結果，啟動驅動電路52驅動負壓泵36對土柱筒14內測量土體水勢和田間土體水勢進行調節，最終使土柱筒14內測量土體的水勢與田間土體水勢保持一致。如果測量得到土柱筒14內測量土體的水勢高于田間土體的水勢，負壓使陶土板 12從土柱筒14的土體中吸取水分，一直維持一定的負壓將土柱筒14中的水分抽取到補水瓶22中；如果測量得到的土柱筒14中土體的水勢低于田間土體水勢，陶土板12將從補水瓶22中吸取水分輸送給土柱筒14的土體中進行水分補充，最終使土柱筒14內測量土體的水勢與田間土體的水勢保持一致。4)在完成水勢調節以后，時鐘電路M根據單片機53設定的時間間隔，定時觸發單片機53兩次采集蒸發稱重傳感器2和補償稱重傳感器4稱重數據的時間，并通過一 A/D轉換器陽轉換后輸入數據存貯器56中。5)分別計算蒸發稱重傳感器2和補償稱重傳感器4前后兩次測量數據的差值，即得到土柱筒14的測量土體損失水量和補水瓶32內的補充水量，將測量土體損失水量和補充水量相減，最終得到在給定的時間隔內土柱筒14的測量土體蒸發量，通過測量土體的面積和田間土體的面積換算則可以得到給定時間內田間土體的蒸發總量。上述實施例中，為避免負壓泵36工作時影響稱重測量精度，在A/D轉換器采集蒸發稱重傳感器2和補償稱重傳感器4的稱重數據期間，單片機53控制驅動電路52停止工作，稱重數據采集完成后，繼續實現負壓控制。綜上所述，本發明采用負壓補償裝置，保證測量土體水勢與田間土體的水勢保持一致，有效解決了傳統稱重式蒸發器土體與田間土體隔離帶來的誤差，極大地提高了測量精度。 上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和實施方法的步驟等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種土面蒸發量的補償式自動測量系統，其特征在于它包括一土體測量裝置、一蒸發稱重傳感器、一負壓補償裝置、一補償稱重傳感器和一控制裝置；所述土體測量裝置包括從下向上依次設置的一底盤、一陶土板和一土柱筒；所述陶土板底面與所述底盤之間具有一導水區，所述導水區連通一設置在所述底盤上的導水孔；所述土體測量裝置放置在所述蒸發稱重傳感器上；所述負壓補償裝置包括一通過管路連接所述導水孔的補水瓶，一通過管路連接所述補水瓶的負壓緩沖瓶，一通過管路依次連接所述負壓緩沖瓶的負壓傳感器和負壓泵，以及一連接有另一負壓傳感器的張力計陶瓷頭；所述補水瓶放置在所述補償稱重傳感器上；所述控制裝置包括一單片機、一時鐘電路、一 A/D轉換器、一數據存貯器、一通信接口電路、一電源和一驅動電路；所述單片機控制所述A/D轉換器采集數據，所述A/D轉換器將采集到的兩個所述負壓傳感器的測量數據進行A/D轉換后發送給所述單片機，所述單片機對兩個信號進行比較后，通過所述驅動電路啟動所述負壓泵正向或反向驅動；所述時鐘電路控制所述單片機兩次采集所述蒸發稱重傳感器和補償傳感器數據的時間間隔，并通過所述A/D轉換器經A/D轉換后輸入所述數據存貯器。
2.如權利要求1所述的一種土面蒸發量的補償式自動測量系統，其特征在于所述土體測量裝置還設置有一壓盤，所述壓盤套設在所述土柱筒的下部，且壓在所述陶土板的頂
3.如權利要求1所述的一種土面蒸發量的補償式自動測量系統，其特征在于所述陶土板與測量土體接觸的表面設置有一層聚酰胺多孔膜。
4.如權利要求2所述的一種土面蒸發量的補償式自動測量系統，其特征在于所述陶土板與測量土體接觸的表面設置有一層聚酰胺多孔膜。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種土面蒸發量的補償式自動測量系統，其特征在于所述一土體測量裝置、一負壓補償裝置和一控制裝置相互對應為多個時，所述控制裝置的通信接口電路通過一個SDI-12總線接口連接一外部計算機或數據采集器實現多組測量土體分小區測量。
6.采用如權利要求1 5任一項所述系統的一種土面蒸發量的補償式自動測量方法， 其包括如下步驟1)設置一包括有土體測量裝置、蒸發稱重傳感器、負壓補償裝置、補償稱重傳感器和控制裝置的測量系統；2)測量前，用環刀取出測量土體，放入所述土體測量裝置中，加水攪拌至稀軟，并埋設在田間土體中，將負壓補償裝置的補水瓶通過管路連接土體測量裝置的導水區，將負壓補償裝置的負壓緩沖瓶通過負壓傳感器連接負壓泵，再將負壓補償裝置中連接另一負壓傳感器的陶瓷頭插入田間土體中；3)控制裝置的A/D轉換器分別采集兩個負壓傳感器對測量土體的水勢和田間土體的水勢測量結果，并將測量數據轉換后輸入控制裝置的單片機進行數據對比；4)控制裝置的單片機根據步驟幻得到的對比結果，通過控制裝置的驅動電路啟動負壓補償裝置的負壓泵對測量土體的水勢和田間土體的水勢進行調節，以保證二者水勢一致；5)控制裝置的時鐘電路根據單片機設定的時間間隔，控制單片機兩次采集蒸發稱重傳感器和補償傳感器稱重數據的時間，并通過所述A/D轉換器轉換后輸入所述控制裝置的數據存貯器；6)單片機根據蒸發稱重傳感器和補償稱重傳感器兩次測量的數據，得到測量土體的損失水量和補水瓶的補充水量，二者之間的差值即為給定時間內測量土體的蒸發量，進而得到給定時間間隔內田間土體的蒸發總量。
7.如權利要求6所述一種土面蒸發量的補償式自動測量方法，其特征在于在所述A/D 轉換器采集所述蒸發稱重傳感器和補償稱重傳感器稱重數據期間，所述單片機通過所述驅動電路停止負壓泵的操作。
全文摘要
本發明涉及一種土面蒸發量的補償式自動測量系統及方法，它包括土體測量裝置、蒸發稱重傳感器、負壓補償裝置、補償稱重傳感器和控制裝置；土體測量裝置包括底盤、陶土板和土柱筒；陶土板與底盤之間具有導水區，底盤上設置有導水孔；負壓補償裝置包括通過管路連接導水孔的補水瓶，通過管路連接補水瓶的負壓緩沖瓶，通過管路依次連接負壓緩沖瓶的負壓傳感器和負壓泵，以及連接有另一負壓傳感器的張力計陶瓷頭；控制裝置包括單片機、時鐘電路、A/D轉換器、數據存貯器、通信接口電路、電源和驅動電路；A/D轉換器將采集到的兩個負壓傳感器的數據給單片機；時鐘電路控制兩次采集蒸發稱重傳感器和補償傳感器數據的時間間隔，并通過A/D轉換器輸入數據存貯器。本發明廣泛應用于各種田間土體蒸發量的測量中。
文檔編號G01N5/00GK102353602SQ20111016007
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月15日 優先權日2011年6月15日
發明者劉鈺, 張寶忠, 張楠楠, 李新, 蔡甲冰, 許迪 申請人:中國水利水電科學研究院, 北京時域通科技有限公司