農田多路張力計土壤水勢動態采集儀的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種農田多路張力計土壤水勢動態采集儀，主機內置有水勢變送器、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232線與筆記本電腦連接。本發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。本發明路數多，體積小，智能化強，操作簡單，可適用于農田，主根群區和無灌溉設施的草地和果園的水分變化觀測和監測。
【專利說明】農田多路張力計土壤水勢動態采集儀
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種監測農田多路張力計土壤水勢的儀器。
【背景技術】
[0002] [0002]農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，多采用傳統的土鉆供干法。由 于測定土壤質地復雜，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測定農田土壤水勢動 態變化的要求。其次，由于農田用土鉆法破壞農田作物面積大，如對較多的觀測點進行同步 連續觀測，若采用土鉆法進行測量，這樣測得的水分結構將會有很大的失真誤差或使數據 處理復雜。
【發明內容】
[0003] 為了更好地掌握農田土壤水勢、水分動態變化過程，本發明的目的在于提供一種 農田多路張力計土壤水勢動態監測儀。
[0004] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現： 一種農田多路張力計土壤水勢動態采集儀，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] 本發明的優點和產生的有益效果是： 1、本發明采用了先進的微機單片機，C0MS集成數字電路技術，利用單片機將數據儲存、 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。本儀器路數多，體積小，智能化強，操作簡 單，連續采集沙地水分只需一人完成全部測量工作，無需觀測人員在現場就可以按序置功 能自動采集，有2、本發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田土 壤水勢、水分資料的積累過程，可以獲得農田水分的細微變化，沒有嚴重的滯濕現象，便于 農田水分運動、入滲峰面移動等現象的研究，更重要的是它能實時動態監測農田農作物需 水情況，為農業人員提供大量的、準確的觀測作物水分資料，大大縮短和減輕農業人員對一 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用最少的人力、物力取得較 快的、較好的科研成果，使農作物的到節水高產。
[0007] 速入滲和人為破壞測點環境的影響；采用陶土管它具有不氧化、不變質、滯濕現象 小，靈敏度高等特點。長期埋在土壤里，內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據。
[0008] 3、本發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 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，具有極低的內部自放電特性，能夠給出 穩定的大電流放電電壓。可見蓄電瓶都具有優良的性能與硅太陽能電池配合時更能顯示出 其之優越性，兩者結合起來就可以構成適合野外用的電源裝置。
[0009] 4、本發明根據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 便可根據觀測的土壤水張力隨時得知相應的土壤含水率，依據試驗得到的土壤水張力指標 就可指導農田灌溉，條件許可時，還可根據土壤水張力指標自動控制灌溉。為作物生長提供 必要的科學數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明示意圖。
【具體實施方式】
[0011] -種農田多路張力計土壤水勢動態采集儀，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232線25與 筆記本電腦26連接。
[0012] 下面就農田多路張力計土壤水勢動態采集儀分述如下： 一、供電裝置 儀器設置在野外農田觀測現場，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，必須有一個穩定的電源裝置，本發明采用硅 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。根據作物的種類和田間的農作物根系深度和農田水分狀態，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 裝調試完畢。土壤水勢感濕探頭1與土壤水連接，產生水力上的導通。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232線25連接到筆記本電腦26操作農田多路張力計土 壤水勢的儀器，讀取下載、進行數據存儲顯示。當陶土管1內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，直至兩個系統的水勢平衡為止。平衡后由單片 機采集儀主機12顯示讀數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] 本發明根據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，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，本發明顯示的吸水力 數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；Η-土壤水吸力常數。
[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 值愈小；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、多路轉換模擬開關電路 多路轉換模擬開關電路由邏輯電平轉換電路、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構。然后經多路開關分時傳輸，取樣/保持電路保持， 再經轉化成二進制數字量，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 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，后四位顯水分值，小數點兩位。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 根據作物的種類和田間的土壤水分狀態，水勢感濕探頭1 (陶土管）適用于易于濕潤的 土壤，主根群區，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構，水勢感濕探頭1 (陶土管)埋設深度根據 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內產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. 一種農田多路張力計土壤水勢動態采集儀，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 優先權日:2013年4月16日
【發明者】馮起, 趙愛國, 劉蔚, 趙晶, 李宏, 肖建華, 李建國 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所