專利名稱：熱脈沖土壤水分傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測定土壤含水量的傳感器，特別涉及一種用熱脈沖和熱 擴散原理測定土壤含水量的傳感器。
背景技術(shù)：
土壤含水量是農(nóng)業(yè)水土工程學、灌溉排水科學、作物栽培學、水文學、 土壤學等眾多學科領(lǐng)域進行科研所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。因此準確測定土壤 含水量對于上述領(lǐng)域內(nèi)和相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究具有重要意義。根據(jù)測量原理的 不同，土壤含水量測量儀器主要有電阻式土壤水分傳感器、電磁波土壤水分
傳感器(如TDR土壤水分傳感器，Trime 土壤水分測量儀，Diviner 土壤水分 測量儀等)，電磁輻射土壤水分測量儀(如中子水分儀等)。在實際應(yīng)用中， 電磁波土壤水分傳感器和電磁輻射土壤水分傳感器應(yīng)用較為廣泛，但是電磁 波土壤水分傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不方便，對土壤破壞較大，且價格比較昂 貴，電磁輻射土壤水分測量儀雖然價格稍微較低，但是由于其具有較強輻射， 在使用時會對人體產(chǎn)生輻射而影響身體健康，因此其使用的數(shù)量在逐漸減少。

實用新型內(nèi)容
為解決上述問題，本實用新型的目的是提供一種熱脈沖土壤水分傳感器， 它安裝方便，對土壤破壞較小，可定位連續(xù)測定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，靈 敏度高，通用性好，且成本也相對較低。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案
一種熱脈沖土壤水分傳感器，由一號探針、二號探針、三號探針、手柄 和接線端子組成， 一號探針、二號探針和三號探針都為管狀，其特征是所 述一號、二號和三號探針均固定在手柄上， 一號和三號探針等距離的布置在 二號探針的兩邊， 一號探針和三號探針都由細管構(gòu)成， 一號探針和三號探針 的管腔中分別設(shè)置有一號感溫元件和三號感溫元件，二號探針由內(nèi)套管和外 套管嵌套構(gòu)成，內(nèi)套管的內(nèi)腔中設(shè)置有二號感溫元件，在內(nèi)套管和外套管之 間的縫隙中設(shè)置有電熱元件，該電熱元件與手柄內(nèi)的電源線連接，電源線引 出后與接線端子連接，所述一號、二號、三號感溫元件都與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連 接，手柄內(nèi)的導(dǎo)線引出后與接線端子相連。
所述一號感溫元件由熱電偶構(gòu)成，該熱電偶的兩根偶絲分別通過焊點與 兩補償線連接，該兩補償線與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接。
所述三號感溫元件由熱電偶構(gòu)成，該熱電偶的兩根偶絲分別通過焊點與兩補償線連接，該兩補償線與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接。
所述電熱元件由電熱絲構(gòu)成，該電熱絲纏繞在內(nèi)套管的外壁上。 所述二號感溫元件由熱電偶構(gòu)成，該熱電偶的兩根偶絲分別通過焊點與 兩補償線連接，該兩補償線與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接。
使用時，將水分傳感器的一號探針、二號探針和三號探針水平或者垂直 插入待測土壤中，通過采集控制器在某一時刻，給二號探針一熱脈沖信號， 這時熱脈沖信號以二號探針為軸，以同心圓的形式向周圍傳輸熱量。通過測 量一號和三號探針的溫度變化，結(jié)合二號探針發(fā)射脈沖的準確時間，確定一 號和三號探針溫度到達最大時需要的時間，通過己經(jīng)建立的土壤含水量和時 間公式計算實際土壤含水量。


圖1是本實用新型的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實用新型一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本實用新型的使用狀態(tài)示意圖。
具體實施方式
圖中標號
1 一號探針2 二號探針3三號探針
4手柄5接線端子6采集控制器7插口8導(dǎo)線9導(dǎo)線
10細管ll熱電偶12偶絲13偶絲
14焊點15焊點16補償線17補償線
18耐高溫絕緣膠19耐高溫絕緣膠20內(nèi)套管
21熱電偶22偶絲23偶絲
24焊點25焊點26補償線27補償線
28耐高溫絕緣膠29耐高溫絕緣膠
30細管31熱電偶32偶絲33偶絲
34焊點35焊點36補償線37補償線
38耐高溫絕緣膠39耐高溫絕緣膠40外套管
41焊點42焊點43電熱絲44電源線
45電源線46導(dǎo)線47導(dǎo)線48 土壤
請參照圖l、圖2，本實用新型是一種熱脈沖土壤水分傳感器，由一號探 針l、 二號探針2、三號探針3、手柄4、接線端子5、采集控制器6組成， 一號探針1、 二號探針2和三號探針3都為管狀， 一號探針1、 二號探針2 和三號探針3均固定在手柄4上， 一號探針1和三號探針3等距離的布置在 二號探針2的兩邊， 一號探針1和三號探針3結(jié)構(gòu)相同。一號探針l由細管10構(gòu)成，細管10的管腔中設(shè)置有一號感溫元件，一 號感溫元件由熱電偶11構(gòu)成，熱電偶11的兩根偶絲12、 13分別通過焊點 14、 15與補償線16、 17連接，補償線16、 17分別通過耐高溫絕緣膠18、 19 固定在細管10的內(nèi)壁上。
三號探針3由細管30構(gòu)成，細管30內(nèi)腔中設(shè)置有三號感溫元件，三號 感溫元件由熱電偶31構(gòu)成，熱電偶31的兩根偶絲32、 33分別通過焊點34、 35與補償線36、 37連接，補償線36、 37分別通過耐高溫絕緣膠38、 39固定 在細管30的內(nèi)壁上。
上述的補償線16與補償線36通過焊點41焊接在一起后與手柄4內(nèi)的導(dǎo) 線8連接，導(dǎo)線8引出后與接線端子5連接。
上述的補償線17與補償線37通過焊點42焊接在一起后與手柄4內(nèi)的導(dǎo) 線9連接，導(dǎo)線9引出后與接線端子5連接。
細管10、 30由不銹鋼管制成。
二號探針2由內(nèi)套管20和外套管40嵌套構(gòu)成，內(nèi)套管20的內(nèi)腔中設(shè)置 有二號感溫元件，二號感溫元件由熱電偶21構(gòu)成，熱電偶21的兩根偶絲22、 23分別通過焊點24、 25與補償線26、 27連接。
補償線26、27分別通過耐高溫絕緣膠28、29固定在內(nèi)套管20的內(nèi)壁上。 內(nèi)套管20和外套管40之間的縫隙內(nèi)設(shè)置有電熱元件，電熱元件為電熱絲43， 電熱絲43纏繞在內(nèi)套管20的外壁上。
電熱絲43的兩端分別與手柄4內(nèi)的電源線44、 45上，電源線44、 45 引出后與接線端子5連接。接線端子5與采集控制器6上的插口7連接。采 集控制器6的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)有技術(shù)。
內(nèi)套管20和外套管40由不銹鋼管制成。
補償線26、 27分別與手柄4內(nèi)的導(dǎo)線46、 47連接，導(dǎo)線46、 47引出后 與接線端子5相連。
請參照圖3，使用時，將一號、二號、三號探針1、 2、 3水平或者垂直 插入土壤48中，通過采集控制器6在某一時間給二號探針2施加熱脈沖信號， 用二號探針2內(nèi)的二號感溫元件準確測定施加熱脈沖的時間，用一號、三號 探針1、 3內(nèi)的一號、三號感溫元件測定土壤溫度的變化，通過溫度變化波形， 確定溫度達到最大值的時間，最后通過已經(jīng)建立的土壤含水量和時間的關(guān)系 公式計算土壤含水量。
本實用新型是一種基于熱脈沖、熱擴散原理測定土壤水分的傳感器。其 計算公式如下在各向同性均質(zhì)土壤中熱擴散方程為
<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
式中F—土壤溫度；Z—時間；X,》Z分別為三個坐標軸；土壤熱
擴散率，和土壤水分有關(guān)，可以表示成^ = /(句，^為土壤含水量。 若熱源為線源，沿Z軸方向，這時方程(l)可以變化成棄棄
(2)
若在f=0時加一熱脈沖，單位長度的熱流量為0。當時，沒有熱』 輸入，這時熱量開始從線性熱源向外擴散。通過傅里葉變換，可以求得在
時刻，在位置(X,少)處土壤溫度K的解析表達式為
4*
exp
化
(3)
式中^為熱脈沖后的時間；apW表示;c自然指數(shù)。其他符號定義同公式 (1)。
公式(3)顯示出，若(？+,)="2為一定值，說明在以線性熱源為圓心， 以r為半徑的圓上，在^時刻溫度均相等，為F。
在半徑為r的圓上，溫度經(jīng)歷了從小(原始土壤溫度)到逐漸增加的過 程，當熱源到達r處時溫度達到最大值，然后逐漸降低。若r確定，則溫度 達到最大值時的時間可通過對公示(3)求導(dǎo)獲得。經(jīng)過計算，溫度到達最大 時的時間^為
(4)
公式中r， 4， ；r均為定值，這時可得時間^和土壤熱擴散率yt的關(guān)系為:
"么丄 4;r "
(5)
通過儀器測量半徑為r處土壤溫度達到最大時的時間，就可以計算出相 應(yīng)位置的土壤熱擴散率A:。由于土壤熱擴散率是土壤含水量的函數(shù)。在較小 時段內(nèi)土壤含水率變化較小，可以認為是一個定值。這時可以根據(jù)試驗建立
土
(6)
含水量和測定的溫度達到最大時的時間,r的關(guān)系，艮卩 6 = /("
/(0為函數(shù)表達式，可通過試驗來確定。
從上面的分析可以得到，只要測定了半徑為r處，土壤溫度達到最大值 時的時間^，根據(jù)試驗建立的公式(6)，就可以計算出土壤含水率。
權(quán)利要求1.一種熱脈沖土壤水分傳感器，由一號探針、二號探針、三號探針、手柄和接線端子組成，一號探針、二號探針和三號探針都為管狀，其特征是所述一號、二號和三號探針均固定在手柄上，一號和三號探針等距離的布置在二號探針的兩邊，一號探針和三號探針都由細管構(gòu)成，一號探針和三號探針的管腔中分別設(shè)置有一號感溫元件和三號感溫元件，二號探針由內(nèi)套管和外套管嵌套構(gòu)成，內(nèi)套管的內(nèi)腔中設(shè)置有二號感溫元件，在內(nèi)套管和外套管之間的縫隙中設(shè)置有電熱元件，該電熱元件與手柄內(nèi)的電源線連接，電源線引出后與接線端子連接，所述一號、二號、三號感溫元件都與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接，手柄內(nèi)的導(dǎo)線引出后與接線端子相連。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱脈沖土壤水分傳感器，其特征是所述一號感 溫元件由熱電偶構(gòu)成，該熱電偶的兩根偶絲分別通過焊點與兩補償線連接， 該兩補償線與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接。
3. 如權(quán)利要求1所述的熱脈沖土壤水分傳感器，其特征是所述三號感 溫元件由熱電偶構(gòu)成，該熱電偶的兩根偶絲分別通過焊點與兩補償線連接， 該兩補償線與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的熱脈沖土壤水分傳感器，其特征是所述電熱元 件由電熱絲構(gòu)成，該電熱絲纏繞在內(nèi)套管的外壁上。
5. 如權(quán)利要求1所述的熱脈沖土壤水分傳感器，其特征是所述二號感 溫元件由熱電偶構(gòu)成，該熱電偶的兩根偶絲分別通過焊點與兩補償線連接, 該兩補償線與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接。
專利摘要一種熱脈沖土壤水分傳感器，由一號探針、二號探針、三號探針、手柄和接線端子組成，一號探針、二號探針和三號探針都為管狀，一號、二號和三號探針均固定在手柄上，一號和三號探針等距離的布置在二號探針的兩邊，一號探針和三號探針都由細管構(gòu)成，一號探針和三號探針的管腔中分別設(shè)置有一號感溫元件和三號感溫元件，二號探針由內(nèi)套管和外套管嵌套構(gòu)成，內(nèi)套管的內(nèi)腔中設(shè)置有二號感溫元件，在內(nèi)套管和外套管之間的縫隙中設(shè)置有電熱元件，該電熱元件通過電源線與接線端子連接，各感溫元件都與手柄內(nèi)的導(dǎo)線連接，手柄內(nèi)的導(dǎo)線引出后與接線端子相連。本產(chǎn)品安裝方便，對土壤破壞較小，可定位連續(xù)測定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，靈敏度高，通用性好。
文檔編號G01N25/56GK201429578SQ20092010958
公開日2010年3月24日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者劉海軍 申請人:北京師范大學