专利名称：开关式土壤水分传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种土壤水分传感器，特别是涉及一种开关式土壤水分传感器。
开关式土壤水分传感器是根据负压计原理，将土壤水势信号转换为开关式电讯号而启动灌机的。将负压计的土壤水势数值转换为电讯号可以通过压敏元件来实现。但是，由于压敏元件的价格较贵，用它制作的压阻式土壤水分传感器一般成本较高。其所产生的电讯号在进入程控器之前必须经过放大调制，这将进一步增加自动灌溉系统的成本。
本实用新型的上述目的是这样实现的一种开关式土壤水分传感器，传感器本体为一管状体，传感器本体的一端连接有陶土头，传感器本体的另一端固定有盖体，其关键在于，传感器本体的内部封装有U形水银压力计，U形水银压力计的U形管一臂上部封闭着空气柱，另一臂顶部封接着感压薄膜，并且在该臂顶部靠近封接着感压薄膜的位置处连接有调零管，该调零管自传感器本体的内部经由盖体向外伸出，在该向外伸出的管口上配合有止气阀，U形管在装有感压薄膜一臂上，设置有至少两个金属导线触点，其中的1个金属导线触点在水银面以下，靠近U形管的下部，它始终与水银柱处于导通状态，与其相接的导线直接引出在传感器本体外，作为传感器的一条外接线，而其余的金属导线触点的连接导线分别穿过传感器本体，被顺序焊接在控制开关的各档焊片上，控制开关的动触片与另一条外接线相接。
本实用新型所述的开关式土壤水分传感器，其中该盖体为橡皮塞。
本实用新型所述的开关式土壤水分传感器，其中该止气阀通过软质皮管与所述调零管的管口连接。
本实用新型所述的开关式土壤水分传感器，其中该金属导线触点的数目为12个，而该控制开关为刷形开关。
下面，结合具体实施例及其附图，对本实用新型作进一步详细说明。
从
图1中可以看出，U形水银压力计3被封装于传感器本体2的内部，该U形水银压力计3的U形管一臂31上部封闭着空气柱32，另一臂33顶部封接着感压薄膜34，臂33上按有金属导线触点35a、35b，其中的1个金属导线触点35a在水银面以下，靠近U形管的下部，不论该U形水银压力计3处于何种负压，它始终与水银柱处于导通状态，与其相接的导线A直接引出在传感器本体2外，作为传感器的一条外接线，而其余的金属导线触点35b的连接导线分别穿过传感器本体2，被顺序焊接在刷形开关4的各档焊片上，刷形开关4的动触片与另一条外接线B相接。
从图1中还可以看出，U形水银压力计3的U形管的臂33顶部靠近封接着感压薄膜34的位置处连接有调零管5，该调零管5自传感器本体2的内部经由盖体6向外伸出，在该向外伸出的管口上配合有止气阀7。
充满水的传感器埋入土中后，土壤基质吸力经由陶土头1孔隙内水膜作用于传感器本体2的内部，传感器本体2内部少量水分经陶土头1流入土壤，传感器本体2内即产生负压。负压力通过感压薄膜34的传递，使U形水银压力计3内水银面作有规律的移动。通过刷形开关4的换档，我们即可获得事先设定土壤水势的触点电讯号。例如事先我们将刷形开关4的选择档定在0.5巴上，当土壤吸力达到0.5巴时，传感器即可起到电器开关的作用，起动灌机或开亮灌溉指示灯，起到控制灌溉的作用。本传感器刷形开关4共有11位选择档，它们分别提供0.1、0.2、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.6、0.7、0.8、0.85巴触点电讯号。
传感器长期在负压条件下工作，有时会有微量漏气现象发生，使水银位面在土水吸力为零时回不到零位。调零管5以及止气阀7的设置即可解决这个问题。当水银位面不回零时，打开一下止气阀7，水银面即回到零位。
参照图2，其为U形水银压力计负压状态示意图。由土壤吸力引起传感器本体2内部的真空度，通过感压薄膜34传递，使水银面上升，同时使空气柱32变长。当不考虑感压薄膜34的张力时，U形水银压力计3所显示出来的土壤吸力，即负压，可由下式表示P=P0-[h0h1P0-(h1-h0)×276]]]>式中h0——封装时(1个大气压、20℃标准条件下)空气柱长度，为6厘米；h1——某一时刻的空气柱高度厘米数；P0——标准大气压值(等于1)；P——土壤吸力(负大气压数)。
根据上述公式计算出相应触点距原水银位面的距离数值列于表1，表1显示出了水银柱移动距离与所显示的负压关系。
表1
实际上，所用U形管的内径并非处处相等；而且在高吸力条件下，感压薄膜34的张力对水银上升高度也有一定影响。因此，在实际制作中，各触点的位置可用实验的方法加以确定。即在一个透明而密闭的管道内，对压力计施加不同标准的负压，量测出各相应负压下水银面的实际位置。
理论计算表明，当水银由零位(吸力为零)上升到12厘米时，它所标志的吸力为负0.983个大气压。而传感器内实际上只能达到负0.85个大气压左右。所以设置12厘米水银柱移动距离已经够了。
本传感器的负压传感系统的设计，是综合采用了水银压力计式负压计、空气压力计式负压计和气传感型负压计的各自特点，满足了触点式土壤水分传感器的要求。
接着，结合图1所示的实施例，对本实用新型所述的开关式土壤水分传感器的设计原理以及工作过程加以简单说明。
U型管的一臂封闭有6厘米长的空气柱，U型管的下部装有水银，一方面，它在负压作用下，上下移动以提供触点电讯号。另一方面，当负压增高时，由水银柱高差所产生的压力，与传感器系统内负压(吸力)方向相反，它将减少空气柱在负压下被拉长的距离，这就可使压力计的尺寸缩短。在U形管的另一端装有感压薄膜，它的作用一方面是使压力计感受负压计系统内的负压力，另一方面，它阻断了含离子水的进入，它的压力传感方式是通过空气传递的。由于整个压力计尺寸的缩短，以及U形管二端均处于封闭状态，就有可能将压力计装入传感器的连接管内部。
采用开关式土壤水分传感器，其平衡时间要长于普通的负压计。因为在传感器内负压与土壤吸力平衡过程中，此种传感器内流经陶土头的水分将多一些。表2的资料是将真空表型负压计和开关式传感器同时埋入干土后，不同时间里负压计和土壤水分传感器的土壤吸力值，其单位为毫巴。值得说明的是，由开关式土壤水分传感器量出的吸力值通常比负压计低一些，因为它的量程是跳跃式的，因此，观察4小时后，反映的数值已可视作与负压计相近。
这一资料表明，二者在试验开始时差异较大，到4个小时以后，二者所反映的土壤吸力值已相接近。作为指示灌溉用的水分传感器，它长期埋设于田间，这样的仪器平衡时间是可以允许的。
表2
传感器内采用空气压力计式原理的传感器件，影响其测定土壤吸力精度的因素主要有二个方面一是在低吸力区段，空气柱的长度(即水银位面)变化较小，由刻度(触点位置)造成的相对误差较大，如在0.05-0.1巴时，与汞柱式负压计相比，其相对误差可达4.5-8.3％；另一方面，传感器精度还受温度和气压变化的影响，因为在灌装空气柱时是在标准条件下(20℃，1个大气压)进行的，而传感器工作时并不是标准条件，这就会影响其精度。
表3资料列出了这种传感器在不同负压区段的精度，其由水银压力计参照显示。总的来说，低负压段误差大一些，高负压段较小。实际测定的结果表明环境温度变化10℃时，传感器压力计的误差不大于10毫巴，其相对误差约为±1.7％。
在传感器制作时应考虑到温度和气压因素。在灌装空气柱时，应根据传感器使用地区灌溉季节的平均土温和气压资料进行封装。特别在高原或山区使用时，更应注意到这一点。例如，在海拨1500米高原地区，年平均气压在850毫巴上下，因此，制作传感器时，气压影响的因素必须加以考虑。
表3
本实用新型所述的开关式土壤水分传感器可以应用于以下几个方面一、制成土壤湿度报警器将埋设于田间的传感器接线引入办公室或泵房电子门铃系统。将刷形开关旋扭拨在预设的吸力(如0.5巴)档上。按一下按钮，若指示灯亮了，即表示需要灌水，就可人工起动灌机进行灌溉。
二、作简单自动灌溉系统的土壤湿度感应器件在简单的自动灌溉系统里，将土壤水分传感器接在延时继电器上，由继电器控制电源电磁开关或电磁阀工作。这种系统适用于小型喷、滴灌系统。当传感器感知土壤缺水时，传感器触点处于导通状态，使延时继电器工作，接通电磁阀，打开水源实施灌溉。灌水时间则由事先设定的延时继电器延时时间来确定。当继电器的电流不够大时，可通过大型交流接触器放大电流。这种自动灌溉系统成本较低。
三、作为自动灌溉系统程序控制器的土壤湿度感应部件在一个比较复杂的自动灌溉系统里，往往由单板机或微处理机为中心制成程序控制器，以指挥分区灌溉的实施和各种电机运转及阀门的开闭。这时仍由开关式土壤水分传感器根据土壤湿度提供开关讯号，使继电器闭合，程控器按设定的程序自动操作灌机及阀门的动作。
权利要求1.一种开关式土壤水分传感器，传感器本体为一管状体，传感器本体的一端连接有陶土头，传感器本体的另一端固定有盖体，其特征在于，传感器本体的内部封装有U形水银压力计，U形水银压力计的U形管一臂上部封闭着空气柱，另一臂顶部封接着感压薄膜，并且在该臂顶部靠近封接着感压薄膜的位置处连接有调零管，该调零管自传感器本体的内部经由盖体向外伸出，在该向外伸出的管口上配合有止气阀，U形管在装有感压薄膜一臂上，设置有至少两个金属导线触点，其中的1个金属导线触点在水银面以下，靠近U形管的下部，它始终与水银柱处于导通状态，与其相接的导线直接引出在传感器本体外，作为传感器的一条外接线，而其余的金属导线触点的连接导线分别穿过传感器本体，被顺序焊接在控制开关的各档焊片上，控制开关的动触片与另一条外接线相接。
2.如权利要求1所述的开关式土壤水分传感器，其特征在于，所述盖体为橡皮塞。
3.如权利要求2所述的开关式土壤水分传感器，其特征在于，所述止气阀通过软质皮管与所述调零管的管口连接。
4.如权利要求1、2或3所述的开关式土壤水分传感器，其特征在于，所述金属导线触点的数目为12个，所述控制开关为刷形开关。
专利摘要一种开关式土壤水分传感器，其由陶土头、传感器本体、U形水银压力计、刷形开关、调零管和盖体组成。传感器本体的一端连接有陶土头、而另一端形成集气室，盖体封装于传感器本体的集气室一端，U形水银压力计被封装于传感器本体的内部，该U形水银压力计的U形管一臂上部封闭着空气柱，另一臂顶部封接着感压薄膜，该臂上还安有金属导线触点，其中的1个触点在水银面以下，靠近U形管的下部，始终与水银柱处于导通状态，与其相接的导线作为传感器的一条外接线，而其余触点的连接导线分别被顺序焊接在刷形开关的各档焊片上，刷形开关的动触片与另一条外接线相接，传感器还具有调零管，该调零管的管口上配合有止气阀。
文档编号G01N7/00GK2585222SQ02245600
公开日2003年11月5日 申请日期2002年12月19日 优先权日2002年12月19日
发明者徐富安 申请人:中国科学院南京土壤研究所