專利名稱：土壤水勢速測儀及其測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土壤水勢測定技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤水勢速測儀及其測定土壤水勢的方法。
背景技術(shù)：
土壤水勢高低是作物是否需要灌溉的主要指標(biāo)。張力計是利用負(fù)壓計測定土壤水分，是從能量角度研究土壤水分運動的工具，其具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度較高，使用方便等優(yōu)點，可以定位連續(xù)測定土壤水勢動態(tài)變化。但張力計的缺點是儀器埋入土壤后，土壤水勢參數(shù)的獲得需要在儀器與土壤之間水力達(dá)到平衡之后，而這種平衡時間常常要幾個小時。因此，用普通張力計就難以對土壤水勢進(jìn)行快速測定。本發(fā)明是對張力計的儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計、制作而成。

發(fā)明內(nèi)容
所解決的技術(shù)問題本發(fā)明針對目前使用張力計測定土壤水勢的缺陷，提供一種土壤水勢速測儀及其測定土壤水勢的方法，該土壤水勢速測儀可以迅速測定土壤水勢，縮短使用原有張力計測定土壤水勢的時間。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種土壤水勢速測儀， 包括數(shù)據(jù)采集裝置和顯示器，其中數(shù)據(jù)采集裝置包括壓力傳感器、集氣室和水勢探頭，所述集氣室通過連接管與水勢探頭密封連接，壓力傳感器設(shè)于集氣室上，壓力傳感器通過數(shù)據(jù)線與顯示器連接。所述水勢探頭為陶土頭，其空隙小于2. 8微米，漏氣值大于1巴，透水速度為0. 8
毫升/巴 分 厘米2。所述集氣室包括集氣管，集氣管一端設(shè)有活塞閥，活塞閥與集氣管密封連接，集氣管身設(shè)有排氣口和壓力傳感器連接口，所述排氣口上設(shè)有閥門。所述活塞閥為螺旋活塞，螺旋活塞頭部設(shè)有注射器皮頭；所述集氣管與螺旋活塞連接端的管身車有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋下方套有注射器管。所述排氣口閥門為螺栓，排氣口車有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋靠近集氣管身的一端設(shè)有0 型橡皮圈。 所述數(shù)據(jù)采集裝置還包括溫度傳感器，溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線顯示器連接。所述顯示器包括顯示屏、數(shù)據(jù)信號接口和電源。所述壓力傳感器為MPC型壓力傳感器，測試范圍0 lOOKPa。土壤水勢速測儀測定方法，測定步驟為使用前，將水勢探頭在水中浸泡1個小時以上；關(guān)閉排氣口，擰開集氣管上的螺旋活塞，向集氣管內(nèi)注入無氣水，直到加滿為止，將儀器直立，并見水從陶土管表面滲出，擰松排氣口螺絲，使之可以通氣透水，擰上螺旋活塞后，活塞的位置應(yīng)停留在距活塞底尚有5飛mm距離的地方，再擰緊排氣口螺栓；用吸水紙吸陶土頭內(nèi)水分；或?qū)μ胀令^吹風(fēng)，加速儀器內(nèi)水分從陶頭散發(fā)，使真空度上升，約30飛0分鐘；豎直儀器，輕拍連接管，使氣泡集中于集氣室，擰松排氣口，擰出螺栓活塞，往儀器內(nèi)加滿水，排除氣泡，擰入螺栓活塞，使活塞的位置仍停留在距活塞底尚有5飛mm距離的地方， 擰緊排氣口螺栓；將速測儀垂直插入水中，水浸沒水勢探頭二分之一高度處，約3分鐘后， 記下顯示屏顯示讀數(shù)h，為儀器內(nèi)水柱壓力引起的水勢數(shù)據(jù)；在選好的測定點用土鉆打孔至預(yù)定深度，把水勢探頭插入洞中，并使水勢探頭與土壤密切接觸；擰螺旋活塞，使顯示器數(shù)字顯示為35Kpa上下，觀察顯示的吸力數(shù)字變化趨勢，若數(shù)字變小，表明土壤吸力低于 35Kpa ；再向下擰螺旋活塞，使顯示數(shù)為20Kpa，然后再觀察顯示屏上的數(shù)字變化趨勢，若此時顯示數(shù)字往大的方向變，那么我們再向上擰動螺旋活塞，使儀器內(nèi)真空度變大，達(dá)^Kpa 上下，如此反復(fù)觀察顯示數(shù)字與操作螺旋活塞，找到儀器系統(tǒng)內(nèi)部真空度與土壤水吸力的平衡點，顯示屏上數(shù)字不再變化，儀器所顯示的讀數(shù)減去h，得到土壤水勢值。工作原理土壤水勢速測儀的感應(yīng)原件陶土頭是一種多孔體。當(dāng)儀器內(nèi)完全充滿水，陶土頭與土壤緊密接觸后，陶土頭孔隙中的水便與土壤孔隙中的水相接，產(chǎn)生水力上的聯(lián)系。土壤系統(tǒng)的水吸力與儀器系統(tǒng)的水吸力不相等時，水便由吸力低處通過陶土頭向吸力高處流動，直至兩個系統(tǒng)的吸水力平衡為止。因為儀器是密封的，儀器中就產(chǎn)生真空度。 對儀器內(nèi)真空度的測量即可獲得土壤水勢值。儀器內(nèi)的壓力與土壤中水的吸力平衡過程，即是儀器中水分向土壤擴(kuò)散(或相反) 的過程，平衡所需的時間是比較長的。因為水從陶土頭流向土壤及更遠(yuǎn)處，直至平衡是一個漸進(jìn)的過程。特別在土壤比較干燥時，平衡所需時間更長，約需數(shù)小時，甚至10多個小時。 因此，以往張力計不能在10分鐘內(nèi)測準(zhǔn)土壤水勢數(shù)據(jù)。本儀器在集氣室內(nèi)裝上螺旋活塞以后就改變了這種情況。而且利用壓力傳感器能快速準(zhǔn)確反映壓力情況的功能，使本儀器可供快速測定土壤濕度用。擰動螺旋活塞可快速改變儀器內(nèi)部的壓力，根據(jù)顯示器上壓力數(shù)字變化，就能較快地判斷出當(dāng)時土壤水勢值。陶土頭與土壤密切接觸后，觀察顯示器上吸力數(shù)值變化趨勢。 在擰動活塞后，若顯示的壓力數(shù)字在上升，表明這時土壤吸水力大于儀器內(nèi)部真空度，應(yīng)將活塞向上擰(增加儀器內(nèi)部真空度)，相反，則向下擰。重復(fù)操作幾次后，顯示器上吸力數(shù)字變化速度趨緩，直至不變，即找到了平衡點。這時顯示屏上數(shù)字就是需要的測值了。由活塞升降獲得的儀器與土壤吸力平衡點的快速尋找，使經(jīng)過陶土頭的水分很少，從而使平衡時間大大縮短。有益效果本發(fā)明提供的土壤水勢速測儀可以迅速測定土壤水勢，縮短測定的時間，提高工作效率。測定過程中，同時可以收集其他土壤環(huán)境數(shù)據(jù)。要實施科學(xué)用水、節(jié)約用水，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、團(tuán)場基層管水員手中應(yīng)該備有價位較低、能較快測定各地塊土壤水分狀況的器件。這種器件測得的土壤水分信息應(yīng)能與作物當(dāng)時水分需求直觀相關(guān)。土壤水勢是土壤水分的強度指標(biāo)、土壤水勢值的高低與各種植物是否需要灌水直接有關(guān)。張力計本可適用于這個要求，它可直讀土壤水勢，價位也較低。但是其讀數(shù)的獲得需要的平衡時間長，只可進(jìn)行定點埋設(shè)觀察，而難以在短時間內(nèi)進(jìn)行多田塊測定。本項發(fā)明即能提供管水員這種需求。為灌溉管理科學(xué)化提供技術(shù)支撐。


圖1為本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1陶土頭、2連接塑管、3集氣室、4 0型橡皮圈、5排氣口螺栓、6橡皮圈、7螺旋活塞、8螺紋、9壓力傳感器、10傳感器選擇開關(guān)、11 顯示屏、12顯示器、13低電壓顯示燈、14溫度傳感器接口、15電源開關(guān)、16壓力傳感器接口、 17充電器插孔；
圖2為本發(fā)明集氣室的集氣管結(jié)構(gòu)示意圖，圖中4 0型橡皮圈、19注射器管身； 圖3為本發(fā)明集氣室的螺旋活塞結(jié)構(gòu)示意圖，圖中18注射器皮頭； 圖4為本發(fā)明集氣室的排氣螺栓結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下通過具體實施方案介紹本發(fā)明的實現(xiàn)及所帶來的有益效果，但不對本發(fā)明保護(hù)范圍構(gòu)成任何限定。
實施例1
一種土壤水勢速測儀，包括數(shù)據(jù)采集裝置和顯示器，其中數(shù)據(jù)采集裝置包括壓力傳感器9、集氣室3和水勢探頭，所述集氣室通過連接管與水勢探頭密封連接，壓力傳感器設(shè)于集氣室上，壓力傳感器通過數(shù)據(jù)線與顯示器連接。所述水勢探頭為陶土頭1，其空隙小于 2. 8微米，漏氣值大于1巴，透水速度為0. 8毫升/巴 分 厘米2。所述集氣室包括集氣管，集氣管一端設(shè)有活塞閥，活塞閥與集氣管密封連接，集氣管身設(shè)有排氣口和壓力傳感器連接口，所述排氣口上設(shè)有閥門。所述活塞閥為螺旋活塞7，螺旋活塞頭部設(shè)有注射器皮頭 18 ；所述集氣管與螺旋活塞連接端的管身車有內(nèi)螺紋8，內(nèi)螺紋下方套有注射器管19。排氣口閥門為螺栓，排氣口車有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋靠近集氣管身的一端設(shè)有0型橡皮圈4。顯示器包括顯示屏11，數(shù)據(jù)信號接口和電源。壓力傳感器為MPC型壓力傳感器，測試范圍0 IOOKPa0 實施例2
如實施例中所描述的土壤水勢速測儀，其數(shù)據(jù)采集裝置還包括溫度傳感器，溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線顯示器連接。
實施例3 儀器結(jié)構(gòu)
土壤水勢速測儀由陶土頭、顯示器、壓力傳感器、集氣室、排氣口螺栓、連接管、螺旋活塞等部件構(gòu)成(圖1)
集氣管上端為注水口，可擰上螺旋活塞封閉。集氣管旁側(cè)有一個接口與壓力傳感器聯(lián)接，另一測有一排氣口。擰緊排氣口 0形橡皮圈，可封閉排氣口。集氣管下端通過連接管與陶土頭相接。壓力傳感器經(jīng)四芯電纜與顯示器相連。 1、陶土頭陶土頭是一種多孔素?zé)掌?，其孔隙小?. 8微米；漏氣值大于1巴；透水速度約為0. 8毫升/巴 分 厘米2。2、集氣室集氣室不僅用來連接各個部件，而且重要作用是通過旋擰螺旋活塞增減儀器內(nèi)部壓力，用來縮減儀器內(nèi)部與土壤之間水力平衡時間。3、壓力傳感器采用MPC型壓力傳感器，測試范圍為(TlOOKpa。4、壓力顯示器該顯示器一面向傳感器提供1.5mA恒流工作電源，并將來自傳感器的電壓信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號顯示在數(shù)顯屏上。顯示至小數(shù)后二位，即* * . * *。5、連接管可根據(jù)欲測土層深度，選用PVC連接管的長度。
儀器使用步驟
(一)使用前(陶土頭入土之前)儀器的準(zhǔn)備工作
1、使用前水勢探頭(陶土頭)應(yīng)在水中浸泡1個小時以上。2、關(guān)閉排氣口，擰開集氣管上的螺旋活塞，向集氣管內(nèi)徐徐注入經(jīng)煮沸后新冷卻的無氣水，直到加滿為止，將儀器直立，并見水從陶土管表面滲出。擰松排氣口螺絲，(注意 加滿水，擰緊螺旋活塞之前，若不打開排氣口。擰緊螺旋活塞時劇烈增加的壓力，會損壞傳感器內(nèi)的單晶硅薄片。)使之可以通氣透水。擰上螺旋活塞后，活塞的位置應(yīng)停留在距活塞底尚有5飛mm距離的地方。再擰緊排氣口螺栓。3、用吸水紙吸陶土頭內(nèi)水分；或?qū)μ胀链碉L(fēng)，加速儀器內(nèi)水分從陶頭散發(fā)，使真空度上升，約3(Γ60分鐘。4、豎直儀器，輕拍連接管，使氣泡集中于集氣室。擰松排氣口。擰出螺栓活塞，往儀器內(nèi)加滿水，排除氣泡。擰入螺栓活塞，使活塞的位置仍停留在距活塞底尚有5飛mm距離的地方。擰緊排氣口螺栓。經(jīng)過上述操作，儀器反應(yīng)會十分靈敏。5、將傳感器電纜插頭插入顯示器插座處。打開顯示器電源開關(guān)。儀器桿子垂直插入水中，水浸沒陶土頭二分之一高度處。約3分鐘后，記下顯示屏顯示讀數(shù)h。. h。為儀器內(nèi)水柱壓力引起的水勢數(shù)據(jù)。
(二)測試時的操作步驟
1、在選好的測定點用土鉆打孔至預(yù)定深度。把水勢探頭插入洞中。并使陶土頭與土壤密切接觸。2、擰螺旋活塞，使顯示器數(shù)字顯示為35Kpa上下。觀察顯示的吸力數(shù)字變化趨勢。 若數(shù)字變小，表明土壤吸力低于35Kpa。再向下擰螺旋活塞，使顯示數(shù)為20Kpa。然后再觀察顯示屏上的數(shù)字變化趨勢。假如，此時顯示數(shù)字往大的方向變。那么我們再向上擰動螺
旋活塞，使儀器內(nèi)真空度變大，達(dá)^Kpa上下，......如此反復(fù)觀察顯示數(shù)字與操作
螺旋活塞，我們很快能找到儀器系統(tǒng)內(nèi)部真空度與土壤水吸力的平衡點。這時，顯示屏上數(shù)字不再變化，儀器所顯示的讀數(shù)減去h。數(shù)值就是土壤水勢值了。儀器制作工藝
集氣室是本儀器的關(guān)鍵器件。它是由長113mm，外徑32mm，內(nèi)徑18mm有機(jī)玻管車制而成。(圖2)頂部21mm車成內(nèi)螺紋。在內(nèi)螺紋下方，膠上一截30mm長的注射器管子。距底部40mm處開二個孔。一個孔直徑6mm，它用來膠結(jié)MPC壓力傳感器的進(jìn)氣嘴。另一個孔直徑為10mm，這個孔膠上外徑為IOmm的排氣口管子。排氣口頂部5mm處也車有內(nèi)螺紋，內(nèi)放一個〇型橡皮圈，當(dāng)擰上排氣口螺釘時，它就起到封閉作用。集氣室頂部可用集氣室螺栓擰緊封口。該螺栓尺寸如圖2所示。螺栓的頂部裝上醫(yī)用注射器的橡皮活塞。擰動螺栓，改變活塞位置時，就會改變儀器內(nèi)真空度。集氣室下端將內(nèi)徑18mm有機(jī)管擴(kuò)至20mm。以便膠結(jié)20mm外徑的PVC管(或有機(jī)玻管)，在PVC管上膠接20mm的陶土頭。壓力顯示器選用SM-4型壓力顯示器，它可對壓力傳感器提供1. 5mA DC恒流驅(qū)動電源。測壓范圍為0 - lOOKpa，并精確顯示小數(shù)后2位壓力數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種土壤水勢速測儀，其特征在于包括數(shù)據(jù)采集裝置和顯示器，其中數(shù)據(jù)采集裝置包括壓力傳感器(9)、集氣室(3)和水勢探頭，所述集氣室通過連接管與水勢探頭密封連接，壓力傳感器設(shè)于集氣室上，壓力傳感器通過數(shù)據(jù)線與顯示器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水勢速測儀，其特征在于所述水勢探頭為陶土頭(1)，其空隙小于2. 8微米，漏氣值大于1巴，透水速度為0. 8毫升/巴 分 厘米2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水勢速測儀，其特征在于所述集氣室包括集氣管，集氣管一端設(shè)有活塞閥，活塞閥與集氣管密封連接，集氣管身設(shè)有排氣口和壓力傳感器連接口， 所述排氣口上設(shè)有閥門。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤水勢速測儀，其特征在于所述活塞閥為螺旋活塞(7)，螺旋活塞頭部設(shè)有注射器皮頭(18);所述集氣管與螺旋活塞連接端的管身車有內(nèi)螺紋(8)，內(nèi)螺紋下方套有注射器管(19)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤水勢速測儀，其特征在于所述排氣口閥門為螺栓，排氣口車有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋靠近集氣管身的一端設(shè)有0型橡皮圈(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水勢速測儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集裝置還包括溫度傳感器，溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線顯示器連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水勢速測儀，其特征在于所述顯示器包括顯示屏(11)、 數(shù)據(jù)信號接口和電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤水勢速測儀，其特征在于所述壓力傳感器為MPC型壓力傳感器，測試范圍0 lOOKPa。
9.土壤水勢速測儀測定方法，其特征在于測定步驟為a.使用前，將水勢探頭在水中浸泡1個小時以上；b.關(guān)閉排氣口，擰開集氣管上的螺旋活塞，向集氣管內(nèi)注入無氣水，直到加滿為止，將儀器直立，并見水從陶土管表面滲出，擰松排氣口螺絲，使之可以通氣透水，擰上螺旋活塞后，活塞的位置應(yīng)停留在距活塞底尚有5飛mm距離的地方，再擰緊排氣口螺栓；c.用吸水紙吸陶土頭內(nèi)水分；或?qū)μ胀令^吹風(fēng)，加速儀器內(nèi)水分從陶頭散發(fā)，使真空度上升，約3(Γ60分鐘；d.豎直儀器，輕拍連接管，使氣泡集中于集氣室，擰松排氣口，擰出螺栓活塞，往儀器內(nèi)加滿水，排除氣泡，擰入螺栓活塞，使活塞的位置仍停留在距活塞底尚有5飛mm距離的地方，擰緊排氣口螺栓；e.將速測儀垂直插入水中，水浸沒水勢探頭二分之一高度處，約3分鐘后，記下顯示屏顯示讀數(shù)h，為儀器內(nèi)水柱壓力引起的水勢數(shù)據(jù)；f.在選好的測定點用土鉆打孔至預(yù)定深度，把水勢探頭插入洞中，并使水勢探頭與土壤密切接觸；g.擰螺旋活塞，使顯示器數(shù)字顯示為35Kpa上下，觀察顯示的吸力數(shù)字變化趨勢，若數(shù)字變小，表明土壤吸力低于35Kpa ；再向下擰螺旋活塞，使顯示數(shù)為20Kpa，然后再觀察顯示屏上的數(shù)字變化趨勢，若此時顯示數(shù)字往大的方向變，那么我們再向上擰動螺旋活塞，使儀器內(nèi)真空度變大，達(dá)^Kpa上下，如此反復(fù)觀察顯示數(shù)字與操作螺旋活塞，找到儀器系統(tǒng)內(nèi)部真空度與土壤水吸力的平衡點，顯示屏上數(shù)字不再變化，儀器所顯示的讀數(shù)減去h，得到土壤水勢值。
全文摘要
土壤水勢速測儀及其測定方法，該測定儀包括數(shù)據(jù)采集裝置和顯示器，其中數(shù)據(jù)采集裝置包括壓力傳感器、集氣室和水勢探頭，所述集氣室通過連接管與水勢探頭密封連接，壓力傳感器設(shè)于集氣室上，壓力傳感器通過數(shù)據(jù)線與顯示器連接。本發(fā)明提供的土壤水勢速測儀可以迅速測定土壤水勢，縮短測定的時間，提高工作效率。測定過程中，同時可以收集其他土壤環(huán)境數(shù)據(jù)。
文檔編號G01N7/00GK102183434SQ201110058858
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者徐富安 申請人:中國科學(xué)院南京土壤研究所