专利名称：测量土壤孔隙水流速的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用热脉冲示踪技术对土壤孔隙水流速进行测量的测量土 壤孔隙水流速的方法及其装置。
背景技术：
由Ren et al (2000)提出的，热脉冲(heat pulse)测定土壤水通量密度 (soil water flux density)的方法，目前已成为国际上的研究热点，它改变 了过去土壤孔隙水流速值只能由达西定律通过水头进行推算而不能现场实测的 局面，对土壤水特性研究、土质堤坝的安全检测等研究和生产应用领域都具有 重要意义。
但现有的测量方法及其装置存在以下不足首先，采用的方法是通过测量 测点热脉冲热扩散曲线的变化，计算出热波动速度，再对热波动速度进行修正， 获得土壤水通量密度，然后将土壤水通量密度除以土壤含水量才能获得土壤孔 隙水流速。监测热扩散曲线的变化，至少需要百分之一的分辨率，现有技术及 其装置测点热扩散曲线的峰值一般不能低于0.6°C (分辨率0.006°C)。过大的 加热量，不仅会增加能耗，还容易引起土壤水分的重新分布，进而影响到测量 结果，受分辨率的限制，该问题也不能通过减少加热量解决；其次，直接测量 的是热波动速度，而不是土壤水通量密度或土壤孔隙水流速，还需要土壤、溶 液参数进行修正，因而不可避免的存在修正误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种能减少加热量和 修正带来的误差的测量土壤孔隙水流速的方法及其装置。
本发明的目的是这样实现的-一种测量土壤孔隙水流速的方法，具体如下
首先，在测量探头支架上安装一个加热器，用于加热土壤，在距离加热器 的正上方和正下方等距离S处的探头支架上各安装一对温度传感器，用于检测 温差。上对温度传感器的两个温度传感器，在距离加热器的正上方S处探头支 架上和S处的正上方探头支架上依次分开布置。与上对温度传感器对称，下对
温度传感器的两个温度传感器，在距离加热器的正下方s处探头支架上和s处
的正下方探头支架上依次分开布置。加热器和温度传感器处于同一个平面上，
其次，通过两个计时器，分别记录上、下两对温度传感器温差出现的时间， 启动加热器对土壤进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温 度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，两个计时器记录的时间，分别
代表热流到达的时间Ts、 Tn，
然后，用公式(3): V产(S/Ts—S/L)/2，计算出所测土壤的孔隙水流速Vj。 在上述土壤孔隙水流速测量中，设置上路温差检测部分、下路温差检测部
分与中路主控制部分，
中路主控制部分包括控制计算机、与控制计算机相连接的232与TTL电平转
换电路、通过串口和232与TTL电平转换电路相连接的主单片机、通过数字输入
端与主单片机相连接的D/A转换电路和与D/A转换电路的模拟输出端相连接的加
热器，
上路温差检测部分包括热电偶温度传感器、温差放大电路、单片机、A/D转 换电路、D/A转换电路、电压减法器和电压比较器，其中，温度传感器和温差放 大电路的差分输入端相连接，温差放大电路的输出端分为两路，分别与A/D转换 电路的模拟输入端和电压减法器的正输入端相连接，A/D转换电路的数字输出端
和单片机相连接，单片机和D/A转换电路的数字输入端相连接，D/A转换电路的 模拟输出端和电压减法器的负输入端相连接，电压减法器的输出端和电压比较 器的输入端相连接，电压比较器的输出端和单片机的中断l端口相连接，
下路温差检测部分包括热电偶温度传感器、温差放大电路、单片机、A/D转 换电路、D/A转换电路、电压减法器和电压比较器，其中，温度传感器和温差放 大电路的差分输入端相连接，温差放大电路的输出端分为两路，分别与A/D转换 电路的模拟输入端和电压减法器的正输入端相连接，A/D转换电路的数字输出端 和单片机相连接，单片机和D/A转换电路的数字输入端相连接，D/A转换电路的 模拟输出端和电压减法器的负输入端相连接，电压减法器的输出端和电压比较 器的输入端相连接，电压比较器的输出端和单片机的中断l端口相连接，
中路主控制部分主单片机的一个端口和上路温差检测单片机的外部中断O 端口相连接，上路温差检测单片机的一个端口和中路主控制部分主单片机的外 部中断0端口相连接，
中路主控制部分主单片机的一个端口和下路温差检测单片机的外部中断O 端口相连接，下路温差检测单片机的一个端口和中路主控制部分主单片机的外 部中断l端口相连接，
控制计算机通过232与TTL电平转换电路向中路主控制部分主单片机发送土 壤孔隙水流速采集指令，主单片机收到土壤孔隙水流速采集指令后，根据土壤 孔隙水流速釆集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热， 加热电压的二进制数字值通过D/A转换电路转换为模拟电压加到加热器上，按指 令中的加热时间长度在中路主控制部分主单片机的控制下瞬间加热土壤，在启 动加热后立刻将中路主控制部分主单片机的两个16位定时器即定时器0和定时 器l清零启动计时，同时向上下路温差检测部分的控制单片机的中断O发出中断
请求，其中，定时器o为上路温差检测计时，定时器l为下路温差检测计时， 上下路温差检测控制单片机的中断o得到响应后，在各自的中断服务程序中
分别启动A/D转换和D/A转换，分别将温差放大电路输出的温度漂移电压锁存到 电压减法器的负输入端，再分别去减温差放大电路直接加在电压减法器的正输 入端的实时输出电压，此时电压减法器的输出电压为零，完成了 "动态校零" 动作，然后分别关闭单片机的中断O，开放中断1并退出各自的中断0服务程序， 等待热流的到达，
当热流到达上对热电偶温度传感器或到达下对热电偶温度传感器，与之相 连的相应的上路温差放大器的输出电压或下路温差放大器的输出电压将增大， 减去相应的锁存在上路电压减法器或下路电压减法器负输入端的温度漂移电 压，相应的上路电压减法器或下路电压减法器的输出电压将由零逐渐增大，分 别送入相应的上路电压比较器或下路电压比较器，与预先设定的温差阈值电压 进行比较，
当上路减法器的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器 翻转，其输出向上路控制单片机的外部中断l发出中断请求，上路控制单片机响 应外部中断l后，在外部中断l的服务程序中向中路主控制部分主单片机的外部 中断0发出中断请求并关闭单片机的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做 准备，然后退出单片机的外部中断l服务程序，中路主控制部分主单片机响应外 部中断0后，在外部中断O的服务程序中停止上路温差检测定时器O的计时，退出 主单片机的外部中断O服务程序，
当下路减法器的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器 翻转，其输出向下路控制单片机的外部中断l发出中断请求，控制单片机响应外 部中断1后，在外部中断l的服务程序中向中路主控制部分主单片机的外部中断l
发出中断请求并关闭单片机的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，
然后退出单片机的外部中断l服务程序，中路主控制部分主单片机响应外部中断 l后，在外部中断l的服务程序中停止下路温差检测定时器l的计时，退出主单片 机的外部中断l服务程序，
就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片机 将定时器0和定时器1的计时数据，分别代表Ts、 Tn，通过232与TTL电平转换电路 发送给控制计算机，控制计算机将计时数据和安装探头时已经确定的距离S代入 公式(3)，计算出所测土壤的孔隙水流速并显示在屏幕上，在所测土壤被施加 的热量全部消退后，进行下一轮土壤孔隙水流速测量，并重复同样的过程。
一种测量土壤孔隙水流速的装置，包括测量探头支架、安装在测量探头支 架上的用于加热土壤的加热器，其特征在于在距离加热器的正上方和正下方 等距离S处的探头支架上各安装一对温度传感器，用于检测温差，上对温度传感 器的两个温度传感器，在距离加热器的正上方S处探头支架上和S处的正上方探 头支架上依次分开布置，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度 传感器，在距离加热器的正下方S处探头支架上和S处的正下方探头支架上依次 分开布置，加热器和温度传感器处于同一个平面上，
该装置还包括上路温差检测部分、下路温差检测部分与中路主控制部分， 上路温差检测部分和下路温差检测部分是互为对称的结构，并且参数相同，
中路主控制部分包括控制计算机、与控制计算机相连接的232与TTL电平转 换电路、通过串口和232与TTL电平转换电路相连接的主单片机、通过数字输入 端与主单片机相连接的D/A转换电路和与D/A转换电路的模拟输出端相连接的加 热器，
上路温差检测部分包括热电偶温度传感器、温差放大电路、单片机、A/D转 换电路、D/A转换电路、电压减法器和电压比较器，其中，温度传感器和温差放 大电路的差分输入端相连接，温差放大电路的输出端分为两路，分别与A/D转换 电路的模拟输入端和电压减法器的正输入端相连接，A/D转换电路的数字输出端 和单片机相连接，单片机和D/A转换电路的数字输入端相连接，D/A转换电路的 模拟输出端和电压减法器的负输入端相连接，电压减法器的输出端和电压比较 器的输入端相连接，电压比较器的输出端和单片机的中断l端口相连接，
下路温差检测部分包括热电偶温度传感器、温差放大电路、单片机、A/D转 换电路、D/A转换电路、电压减法器和电压比较器，其中，温度传感器和温差放 大电路的差分输入端相连接，温差放大电路的输出端分为两路，分别与A/D转换 电路的模拟输入端和电压减法器的正输入端相连接，A/D转换电路的数字输出端 和单片机相连接，单片机和D/A转换电路的数字输入端相连接，D/A转换电路的 模拟输出端和电压减法器的负输入端相连接，电压减法器的输出端和电压比较 器的输入端相连接，电压比较器的输出端和单片机的中断l端口相连接，
中路主控制部分主单片机的一个端口和上路温差检测单片机的外部中断O 端口相连接，上路温差检测单片机的一个端口和中路主控制部分主单片机的外 部中断0端口相连接，
中路主控制部分主单片机的一个端口和下路温差检测单片机的外部中断O 端口相连接，下路温差检测单片机的一个端口和中路主控制部分主单片机的外 部中断l端口相连接。
本发明具有如下积极效果
本发明可以直接测量土壤空隙水流速，有效地减少了对土壤的加热量和修 正误差，因此具有工作稳定、结构简单、经济实用、安全可靠、准确率高的优
点。
本发明在测量探头支架上安装一个加热器，用于加热土壤。在距离加热器 的正上方和正下方等距离处的探头支架上各安装一对温度传感器(以下简称上 对温度传感器和下对温度传感器)，每对温度传感器的两个传感器是距离加热器 远近分开布置的，用于温差测量。加热器和温度传感器处于同一个平面上。
通过加热器对土壤进行瞬间加热，形成一个热脉冲，加热器虽然停止加热， 但在热势能的作用下，热量仍会向加热器周围同时传递，热流到达加热器上下 两对温度传感器时，由于每对温度传感器的两个传感器是距离加热器远近分开 布置的，热流不可能同时到达任何一对温度传感器的两个传感器，因此，将有 温差输出，温差出现的时间可以代表热流到达的时间。
由于温度传感器安装的对称性，如果土壤孔隙水流速为零，热流将同时到 达上下两对温度传感器，也就是说上下两对温度传感器温差出现的时间相同。 如果土壤孔隙水流速不为零，并假定流向是向上的，热流受到土壤孔隙水流速 的推送(相对于上对温度传感器)或顶逆(相对于下对温度传感器)，热流将 先到达上对温度传感器，而后到达下对温度传感器，也就是说上对温度传感器 温差出现的时间先于下对温度传感器温差出现的时间。
热流移动的速度可以看成热扩散速度(这里的热扩散速度可以理解为土壤 孔隙水流速为零时的热流移动速度。由于安装的对称性，向上和向下的热扩散
速度是相等的，以下简称vk)和土壤孔隙水流速(以下简称Vj)两个速度共同
作用的结果。因此，可以套用数学竞赛的流水行船问题的计算方法，计算土壤
孔隙水流速Vj。
船在江河里航行时，除了本身的前进速度外，还受到流水的推送或顶逆， 在这种情况下计算船只的航行速度、时间和所行的路程，叫做流水行船问题。流水行船问题，是行程问题中的一种，因此行程问题中三个量(速度、时 间、路程)的关系在这里将要反复用到。此外，流水行船问题还有以下两个基 本公式
顺水速度=船速+水速 (1)
逆水速度=船速一水速 (2) 这里，船速是指船本身的速度，也就是在静水中单位时间里所走过的路程。 水速，是指水在单位时间里流过的路程.顺水速度和逆水速度分别指顺流航行时 和逆流航行时船在单位时间里所行的路程。
设上对温度传感器距离加热器的距离为s，由于安装的对称性，下对温度传
感器距离加热器的距离也为S。热扩散速度Vk相当于流水行船问题的船速，土壤 孔隙水流速Vj相当于流水行船问题的水速，热流移动顺土壤孔隙水流动方向的 速度相当于流水行船问题的顺水速度，而热流移动逆土壤孔隙水流动方向的速 度相当于流水行船问题的逆水速度。设热流移动顺土壤孔隙水流动方向到达相 应的那对温度传感器的时间为Ts，热流移动逆土壤孔隙水流动方向到达相应的 那对温度传感器的时间为Tn，套用流水行船问题的计算公式(1)和(2)就有 如下两个数学表述式
S/Ts=Vk+Vj
S/T =Vk—Vj
两式相减 —
V产(S/L—S/TJ/2 (3) 因为，温差出现的时间可以代表热流到达的时间。Ts、 L可以通过以下方法间接 获得需要两个计时器，分别记录上下两对温度传感器温差出现的时间。启动 加热器为土壤加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别
检测到温差后关闭相应的计时器。两个计时器记录的时间，分别代表Ts、 Tn 。 安装加热器和上下两对温度传感器时(3)式中的S已经确定，至此，(3)式等 号右侧的参数全部确定，因此，可以通过(3)式计算出土壤孔隙水流速Vj 。
该方法正常工作，加热量的下限是上下两对温度传感器能准确检测到热流 到达时出现的温差。因此，理论上可以通过提高检测温差灵敏度的方法来减少 加热量。
为了减少温度传感器的体积，减少热惯性带来的响应延迟，提高对称性， 本发明采用了一致性好，在常温内线性度好的T型热电偶。实际应用时采用了 Omega型号为TFT-36的T型热电偶线自制，测温结点直径可以小至O. 3mm，远远小 于其它类型的温度传感器，减少迎水面，非常有利于土壤孔隙水流速的测量。 但是T型热电偶的输出比较小，仅有4(^v广C,要检测远远小于0.6'C的温差，达 到减少加热量的目的，就涉及远远小于24W电压信号的放大问题，例如检测O. 1 i:的温差就涉及小于4l^电压信号的放大问题。实现微伏级接近于直流的低频信 号放大主要的限制因素是噪声和温度漂移。温差信号为差模信号需要用共模信 号抑制性能好的仪表放大器来放大，不幸的是，目前性能最好的仪表放大器也 不能同时做到噪声和温度漂移最小。非常幸运的是，温差检测不是连续进行的， 每次的温差检测均发生在启动加热器后的4分钟以内，而4分钟内环境温度的变 化是很小的，其温度漂移电压远远小于温差电压信号。本发明采用了一种"动 态校零"技术，启动加热的同时将温差放大器输出的漂移电压通过A/D和D/A 转换锁存到电压减法器的一端，去减送入电压减法器另一端的温差放大器输出 的实时信号，这样温度漂移就被有效地限定在4分钟内环境温度变化引起的漂移 范围内，其温度漂移电压远远小于温差电压信号。
采用本发明的技术方案，所需加热量远远小于现有装置。温度传感器采用
Omega型号为TFT-36的T型热电偶线自制，测点温差阈值(温差上升至该值时关
闭计时器)仅有o. rc，工作稳定可靠。
图l为本发明探头结构安装布置图。
图2为本发明测量方法示意图。
图3为本发明测量装置的流程和电路连接图。
图4为本发明测量装置实施例的上路温差检测部分电路图。
图5为本发明测量装置实施例的中路主控制部分电路图。
图6为本发明测量装置实施例的下路温差检测部分电路图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明探头由加热器2，上对温度传感器包括温度传感器3、 4，下对温度传感器包括温度传感器5、 6三部分组成。
在测量探头支架1上安装一个加热器2。在距离加热器2的正上方和正下方 等距离S处的探头支架1上各安装一对温度传感器，简称上对温度传感器和下 对温度传感器。上对温度传感器包括温度传感器3和温度传感器4，下对温度传 感器包括温度传感器5和温度传感器6。上对温度传感器的两个温度传感器3、 4，在距离加热器2的正上方S处探头支架1上和S处的正上方探头支架1上依 次分开布置，同样，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度传感 器5、 6,在距离加热器2的正下方S处探头支架1上和S处的正下方探头支架 l上依次分开布置。加热器2和温度传感器3、 4、 5、 6处于同一个平面上。
如图2所示，本发明的测量方法如下首先，在测量探头支架1上安装一 个加热器2，用于加热土壤，在距离加热器2的正上方和正下方等距离S处的探 头支架1上各安装一对温度传感器，用于检测温差，上对温度传感器的两个温
度传感器3、 4,在距离加热器2的正上方S处探头支架1上和S处的正上方探 头支架1上依次分开布置，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温 度传感器5、 6，在距离加热器2的正下方S处探头支架1上和S处的正下方探 头支架1上依次分开布置，其次，需要两个计时器，分别记录上、下两对温度 传感器温差出现的时间，启动加热器2对土壤进行瞬间加热的同时清零并启动 两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，两 个计时器记录的时间，分别代表热流到达的时间Ts 、 Tn，然后，用公式(3)艮卩 V产(S/Ts—S/Tn)/2，计算出所测土壤的孔隙水流速Vj，
以热电偶作为温度传感器为例进一步说明如何实施本发明。如图3所示，本 发明测量装置由上路温差检测和下路温差检测与中路主控制三部分组成，上路 温差检测和下路温差检测两部分互为对称结构，并参数相同。
中路主控制部分包括控制计算机22， 232与TTL电平转换电路21，主单片 机20， D/A转换电路19和加热器2。
上路温差检测部分包括热电偶温度传感器3、 4，温差放大电路7，单片机 11， A/D转换电路9， D/A转换电路13，电压减法器15,电压比较器17。
下路温差检测部分包括热电偶温度传感器5、 6，温差放大电路8，单片机 12, A/D转换电路10， D/A转换电路14，电压减法器16，电压比较器18。
如图3所示，本发明测量装置电路连接如下
中路主控制部分，控制计算机22和232与TTL电平转换电路21相连接，232与 TTL电平转换电路21和主单片机20的串口相连接，主单片机20和D/A转换电路19 的数字输入端相连接，D/A转换电路19的模拟输出端和加热器2相连接。
上路温差检测，热电偶温度传感器3、 4和温差放大电路7的差分输入端相连 接，温差放大电路7的输出端分为两路，分别与A/D转换电路9的模拟输入端和电
压减法器15的正(被减数)输入端相连接，A/D转换电路9的数字输出端和单片 机11相连接，单片机11和D/A转换电路13的数字输入端相连接，D/A转换电路13 的模拟输出端和电压减法器15的负(减数)输入端相连接，电压减法器15的输 出端和电压比较器17的输入端相连接，电压比较器17的输出端和单片机11的中 断l端口相连接。
下路温差检测，热电偶温度传感器5、 6和温差放大电路8的差分输入端相连 接，温差放大电路8的输出端分为两路，分别与A/D转换电路10的模拟输入端和 电压减法器16的正(被减数)输入端相连接，A/D转换电路10的数字输出端和单 片机12相连接，单片机12和D/A转换电路14的数字输入端相连接，D/A转换电路 14的模拟输出端和电压减法器16的负(减数)输入端相连接，电压减法器16的 输出端和电压比较器18的输入端相连接，电压比较器18的输出端和单片机12的 中断l端口相连接。
中路主控制部分和上下路温差检测部分是通过单片机的中断端口相互连接 的，中断方式延迟最小，有利于提高测量的准确性。
中路主控制部分主单片机20的一个端口和上路温差检测单片机11的外部中 断O端口相连接，上路温差检测单片机l 1的一个端口和中路主控制部分主单片机 20的外部中断0端口相连接。
中路主控制部分主单片机20的一个端口和下路温差检测单片机12的外部中 断O端口相连接，下路温差检测单片机12的一个端口和中路主控制部分主单片机 20的外部中断1端口相连接。
如图3所示，本发明测量装置的工作流程如下
控制计算机22通过232与TTL电平转换电路21向中路主控制部分主单片机20 发送土壤孔隙水流速采集指令，中路主控制部分主单片机20收到土壤孔隙水流
速采集指令后，根据土壤孔隙水流速采集指令中的加热时间长度和加热电压的
二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过D/A转换电路19转换为模 拟电压加到加热器2上，按指令中的加热时间长度在中路主控制部分主单片机20 的控制下瞬间加热土壤。在启动加热后立刻将中路主控制部分主单片机20的两 个16位定时器即定时器0和定时器1清零启动计时，同时向上下路温差检测部分 的控制单片机ll、 12的中断0发出中断请求，其中，定时器O为上路温差检测计 时，定时器l为下路温差检测计时(定时器2为串行口波特率发生器，因此，需 要选用具有3个定时器的单片机例如89C52)。
上下路温差检测控制单片机ll、 12的中断0得到响应后，在各自的中断服务 程序中分别启动A/D转换9、 10和D/A转换13、 14，分别将温差放大电路7、 8输出 的温度漂移电压锁存到电压减法器15、 16的负(减数)输入端，再分别去减温 差放大电路7、 8直接加在电压减法器15、 16的正(被减数)输入端的实时输出 电压，此时电压减法器15、 16的输出电压为零，完成了 "动态校零"动作，然 后分别关闭单片机ll、 12的中断0，开放中断1并退出各自的中断0服务程序，等 待热流的到达。
当热流到达上对热电偶温度传感器3、 4或到达下对热电偶温度传感器5、 6， 与之相连的相应的上路温差放大器7的输出电压或下路温差放大器8的输出电压 将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器15或下路电压减法器16负(减数) 输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器15或下路电压减法器16的输出 电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比较器17或下路电压比较器18， 与预先设定的温差阈值电压进行比较。
当上路减法器15的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较 器17翻转，其输出向上路控制单片机ll的外部中断l发出中断请求，上路控制单
片机ll响应外部中断l后，在外部中断l的服务程序中向中路主控制部分主单片
机20的外部中断0发出中断请求并关闭单片机11的外部中断1开放中断0，为下一 轮温差检测做准备，然后退出单片机ll的外部中断l服务程序。中路主控制部分 主单片机20响应外部中断0后，在外部中断O的服务程序中停止上路温差检测定 时器O的计时，退出主单片机20的外部中断0服务程序。
当下路减法器16的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较 器18翻转，其输出向下路控制单片机12的外部中断1发出中断请求，控制单片机 12响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向中路主控制部分主单片机20 的外部中断1发出中断请求并关闭单片机12的外部中断1开放中断0，为下一轮温 差检测做准备，然后退出单片机12的外部中断1服务程序。中路主控制部分主单 片机20响应外部中断1后，在外部中断l的服务程序中停止下路温差检测定时器l 的计时，退出主单片机20的外部中断1服务程序。
当中路主控制部分主单片机20的外部中断0和外部中断1均发生并退出后， 也就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片 机20将定时器0和定时器1的计时数据(分别代表Ts、 Tn)通过232与TTL电平转换 电路21发送给控制计算机22，控制计算机22将计时数据和安装探头时已经确定 的距离S代入(3)式，计算出所测土壤的孔隙水流速并显示在屏幕上。在所测 土壤被施加的热量全部消退后，进行下一轮土壤孔隙水流速测量，并重复同样 的过程。
图4、 5、 6为本发明的一个实施例，流程图3与实施例电路图4 、 5、 6的电 路对应如下如图3、 4所示，图3中的热电偶温度传感器3、 4为图4中的PR0BE—A， 图4中集成电路U1A、 U2A组成了流程图3的温差放大电路7，图3的单片机11为图4 中U9A，图4中的U3A、 U7A组成了图3的A/D转换电路9，图4中的U5A、 U8A组成了图3的D/A转换电路13，图3的电压减法器15为图4中U4A，图3的电压比较器17为 图4中U6A。同样，如图3、 6所示，图3中的热电偶温度传感器5、 6为图6中的 PROBE--B，图6中集成电路U1B、 U2B组成了流程图3的温差放大电路8，图3的单 片机12为图6中U9B，图6中的U3B、 U7B组成了图3的A/D转换电路10，图6中的U5B、 U8B组成了图3的D/A转换电路14，图3的电压减法器16为图6中U4B，图3的电压比 较器18为图6中U6B。如图3、 5所示，图3的232与TTL电平转换电路21为图5中U4， 图3的主单片机20为图5中U3，图5中的U1、 U2、 Ql、 Q2组成了图3的D/A转换电路 19，图3的加热器2为图5中H0TER。
如图5所示，中路主控制部分，232与TTL电平转换电路U4的一端通过J2和 控制计算机PC相连接，另一端和主单片机U3的串口相连接。主单片机U3和D/A转 换电路U1、 U2、 Ql、 Q2的数字输入端相连接，D/A转换电路U1、 U2、 Ql、 Q2的模 拟输出端和加热器HOTE財目连接。
如图4所示，上路温差检测，热电偶温度传感器PROBE--A和温差放大电路 U1A、 U2A的差分输入端相连接，温差放大电路U1A、 U2A的输出端分为两路，分 别与A/D转换电路U3A、 U7A的模拟输入端和电压减法器U4A的正(被减数)输入 端相连接，A/D转换电路U3A、 U7A的数字输出端和单片机U9A相连接，单片机U9A 和D/A转换电路U5A、 U8A的数字输入端相连接，D/A转换电路U5A、 U8A的模拟输 出端和电压减法器U4A的负(减数)输入端相连接，电压减法器U4A的输出端和 电压比较器U6A的输入端相连接，电压比较器U6A的输出端和单片机U9A的中断1 端口相连接。
如图6所示，下路温差检测，热电偶温度传感器PROBE--B和温差放大电路 U1B、 U2B的差分输入端相连接，温差放大电路U1B、 U2B的输出端分为两路，分 别与A/D转换电路U3B、 U7B的模拟输入端和电压减法器U4B的正(被减数)输入
端相连接，A/D转换电路U3B、 U7B的数字输出端和单片机U9B相连接，单片机U9B 和D/A转换电路U5B、 U8B的数字输入端相连接，D/A转换电路U5B、 U8B的模拟输 出端和电压减法器U4B的负(减数)输入端相连接，电压减法器U4B的输出端和 电压比较器U6B的输入端相连接，电压比较器U6B的输出端和单片机U9B的中断1 端口相连接。
如图4、 5、 6所示，中路主控制部分和上下路温差检测部分是通过单片机的 中断端口相互连接的，中断方式延迟最小，有利于提高测量的准确性。主控制 部分主单片机U3的一个端口和上路温差检测单片机U9A的外部中断0端口相连 接，上路温差检测单片机U9A的一个端口和主控制部分主单片机U3的外部中断0 端口相连接。主控制部分主单片机U3的一个端口和下路温差检测单片机U9B的外 部中断O端口相连接，下路温差检测单片机U9B的一个端口和主控制部分主单片 机U3的外部中断1端口相连接。
如图4、 5、 6所示，本发明实施例的工作过程如下控制计算机PC通过232 与TTL电平转换电路U4向主控制部分主单片机U3发送土壤孔隙水流速采集指令， 主控制部分主单片机U3收到土壤孔隙水流速采集指令后，根据土壤孔隙水流速 采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的 二进制数字值通过D/A转换电路U1、 U2、 Ql、 Q2转换为模拟电压加到加热器H0TER 上，按指令中的加热时间长度在主控制部分主单片机U3的控制下瞬间加热土壤。 在启动加热后立刻将主控制部分主单片机U3的两个16位定时器即定时器0和定 时器l清零启动计时，同时向上下路温差检测部分的控制单片机U9A、 U9B的中断 O发出中断请求，其中，定时器O为上路温差检测计时，定时器l为下路温差检测 计时(定时器2为串行口波特率发生器，U3为具有3个定时器的单片机89C52)。
控制单片机U9A、 U9B的中断0得到响应后，在各自的中断服务程序中分别启
动A/D转换U3A、 U7A、 U3B、 U7B和D/A转换U5A、 U8A、 U5B、 U8B，分别将温差放 大电路U1A、 U2A、 U1B、 U2B输出的温度漂移电压锁存到电压减法器U4A、 U4B的 负(减数)输入端，再分别去减温差放大电路U1A、 U2A、 U1B、 U2B直接加在电 压减法器U4A、 U4B的正(被减数)输入端的实时输出电压，此时电压减法器U4A、 U4B的输出电压为零，完成了 "动态校零"动作，然后分别关闭单片机U9A、 U9B 的中断0，开放中断1并退出各自的中断0服务程序，等待热流的到达。
当热流到达上对热电偶温度传感器PROBE—A或到达下对热电偶温度传感器 PROBE--B,与之相连的相应的上路温差放大器U1A、 U2A的输出电压或下路温差 放大器U1B、 U2B的输出电压将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器U4A或下 路电压减法器U4B负(减数)输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器U4A 或下路电压减法器U4B的输出电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比 较器U6A或下路电压比较器U6B，与预先设定的温差阈值电压进行比较。
当上路减法器U4A的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比 较器U6A翻转，其输出向上路控制单片机U9A的外部中断1发出中断请求，上路控 制单片机U9A响应外部中断1后，在外部中断l的服务程序中向主控制部分主单片 机U3的外部中断0发出中断请求并关闭单片机U9A的外部中断1开放中断0，为下 一轮温差检测做准备，然后退出单片机U9A的外部中断1服务程序。主单片机U3 响应外部中断O后，在外部中断O的服务程序中停止上路温差检测定时器O的计 时，退出主单片机U3的外部中断0服务程序。
当下路减法器U4B的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比 较器U6B翻转，其输出向下路控制单片机U9B的外部中断1发出中断请求，控制单 片机U9B响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向主控制部分主单片机U3 的外部中断1发出中断请求并关闭单片机U9B的外部中断1开放中断0，为下一轮
温差检测做准备，然后退出单片机U9B的外部中断1服务程序。主单片机U3响应 外部中断1后，在外部中断l的服务程序中停止下路温差检测定时器l的计时，退 出主单片机U3的外部中断1服务程序。
当主单片机U3的外部中断0和外部中断1均发生并退出后，也就是说完成了 上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片机U3将定时器0和 定时器l的计时数据(分别代表Ts、 Tn)通过232与TTL电平转换电路U4发送给控 制计算机PC，控制计算机PC将计时数据和安装探头时已经确定的距离S代入(3) 式，计算出所测土壤的孔隙水流速并显示在屏幕上。在所测土壤被施加的热量 全部消退后，进行下一轮土壤孔隙水流速测量，并重复同样的过程。
在本发明实施例电路图中U1A、 U1B使用INA128， Ul、 U2A、 U2B使用0P07， U3A 、 U3B、 U4A、 U4B、 U5A、 U5B使用AD820， U6A、 U6B使用LM219， U9A、 U9B使 用89C2051， U3使用89C52， U4使用MAX232， U2使用DAC7611， U7A、U7B使用ADS7818， U8A、 U8B使用TLV5616, Q1使用2SD2495， Q2使用2SK30。
权利要求
1、一种测量土壤孔隙水流速的方法，其特征在于首先，在测量探头支架(1)上安装加热器(2)，用于加热土壤；在距离加热器(2)的正上方和正下方等距离S处的探头支架(1)上各安装一对温度传感器，用于检测温差，上对温度传感器的两个温度传感器(3、4)，在距离加热器(2)的正上方S处探头支架(1)上和S处的正上方探头支架(1)上依次分开布置，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度传感器(5、6)，在距离加热器(2)的正下方S处探头支架(1)上和S处的正下方探头支架(1)上依次分开布置，加热器(2)和温度传感器(3、4、5、6)处于同一个平面上，其次，通过两个计时器，分别记录上、下两对温度传感器温差出现的时间，启动加热器(2)对土壤进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，两个计时器记录的时间，分别代表热流到达的时间Ts、Tn，然后，用公式(3)即Vj＝(S/Ts-S/Tn)/2，计算出所测土壤的孔隙水流速Vj。
2、 根据权利要求l所述的测量土壤孔隙水流速的方法，其特征在于在 上述土壤孔隙水流速测量中设置上路温差检测部分、下路温差检测部分与中 路主控制部分，中路主控制部分包括控制计算机(22)、与控制计算机(22)相连接的232 与TTL电平转换电路(21)、通过串口和232与TTL电平转换电路(21)相连接 的主单片机(20)、通过数字输入端与主单片机(20)相连接的D/A转换电路(19)和与D/A转换电路(19)的模拟输出端相连接的加热器(2)，上路温差检测部分包括温度传感器(3、 4)、温差放大电路(7)、单片机 (11)、 A/D转换电路(9)、 D/A转换电路(13)、电压减法器(15)和电压比 较器(17)，其中，温度传感器(3、 4)和温差放大电路(7)的差分输入端 相连接，温差放大电路(7)的输出端分为两路，分别与A/D转换电路(9)的 模拟输入端和电压减法器(15)的正输入端相连接，A/D转换电路(9)的数 字输出端和单片机(11)相连接，单片机(11)和D/A转换电路(13)的数字 输入端相连接，D/A转换电路(13)的模拟输出端和电压减法器(15)的负输 入端相连接，电压减法器(15)的输出端和电压比较器(17)的输入端相连 接，电压比较器(17)的输出端和单片机(11)的中断l端口相连接，下路温差检测部分包括热电偶温度传感器(5、 6)、温差放大电路(8)、 单片机(12)、 A/D转换电路(10)、 D/A转换电路(14)、电压减法器(16)和 电压比较器(18)，其中，温度传感器(5、 6)和温差放大电路(8)的差分 输入端相连接，温差放大电路(8)的输出端分为两路，分别与A/D转换电路 (10)的模拟输入端和电压减法器(16)的正输入端相连接，A/D转换电路(10) 的数字输出端和单片机(12)相连接，单片机(12)和D/A转换电路(14)的 数字输入端相连接，D/A转换电路(14》的模拟输出端和电压减法器(16)的 负输入端相连接，电压减法器(16)的输出端和电压比较器(18)的输入端 相连接，电压比较器(18)的输出端和单片机(12)的中断l端口相连接，中路主控制部分主单片机(20)的一个端口和上路温差检测单片机(11) 的外部中断0端口相连接，上路温差检测单片机(11)的一个端口和中路主控 制部分主单片机(20)的外部中断0端口相连接，中路主控制部分主单片机(20)的一个端口和下路温差检测单片机(12)的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机(12)的一个端口和中路主控 制部分主单片机(20)的外部中断l端口相连接，控制计算机(22)通过232与TTL电平转换电路(21)向中路主控制部分 主单片机(20)发送土壤孔隙水流速采集指令，主单片机(20)收到土壤孔 隙水流速采集指令后，根据土壤孔隙水流速采集指令中的加热时间长度和加 热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过D/A转换电路 (19)转换为模拟电压加到加热器(2)上，按指令中的加热时间长度在中路 主控制部分主单片机(20)的控制下瞬间加热土壤，在启动加热后立刻将中 路主控制部分主单片机(20)的两个16位定时器即定时器0和定时器1清零启 动计时，同时向上下路温差检测部分的控制单片机(11、 12)的中断O发出中 断请求，其中，定时器O为上路温差检测计时，定时器l为下路温差检测计时，上下路温差检测控制单片机(11、 12)的中断O得到响应后，在各自的中 断服务程序中分别启动A/D转换(9、 10)和D/A转换(13、 14)，分别将温差 放大电路(7、 8)输出的温度漂移电压锁存到电压减法器(15、 16)的负输 入端，再分别去减温差放大电路(7、 8)直接加在电压减法器(15、 16)的 正输入端的实时输出电压，此时电压减法器(15、 16)的输出电压为零，完 成了 "动态校零"动作，然后分别关闭单片机(11、 12)的中断O，开放中断 l并退出各自的中断O服务程序，等待热流的到达，当热流到达上对热电偶温度传感器(3、 4)或到达下对热电偶温度传感 器(5、 6)，与之相连的相应的上路温差放大器(7)的输出电压或下路温差 放大器(8)的输出电压将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器(15)或 下路电压减法器(16)负输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器(15) 或下路电压减法器(16)的输出电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比较器(17)或下路电压比较器(18)，与预先设定的温差阈值电压进行 比较，当上路减法器(15)的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电 压比较器(17)翻转，其输出向上路控制单片机(11)的外部中断l发出中断 请求，上路控制单片机(11)响应外部中断l后，在外部中断l的服务程序中 向中路主控制部分主单片机(20)的外部中断O发出中断请求并关闭单片机 (11)的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机 (11)的外部中断l服务程序，中路主控制部分主单片机(20)响应外部中断 0后，在外部中断O的服务程序中停止上路温差检测定时器O的计时，退出主单 片机(20)的外部中断O服务程序，当下路减法器(16)的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电 压比较器(18)翻转，其输出向下路控制单片机(12)的外部中断l发出中断 请求，控制单片机(12)响应外部中断l后，在外部中断l的服务程序中向中 路主控制部分主单片机(20)的外部中断l发出中断请求并关闭单片机(12) 的外部中断l开放中断O,为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机(12) 的外部中断l服务程序，中路主控制部分主单片机(20)响应外部中断l后， 在外部中断l的服务程序中停止下路温差检测定时器l的计时，退出主单片机 (20)的外部中断l服务程序，当中路主控制部分主单片机(20)的外部中断0和外部中断1均发生并退 出后，也就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时， 主单片机(20)将定时器0和定时器1的计时数据，分别代表Ts、 Tn，通过232 与TTL电平转换电路(21)发送给控制计算机(22),控制计算机(22)将计 时数据和安装探头时已经确定的距离S代入(3)式，计算出所测土壤的孔隙水流速并显示在屏幕上，在所测土壤被施加的热量全部消退后，进行下一轮 土壤孔隙水流速测量，并重复同样的过程。
3、 一种测量土壤孔隙水流速的装置，包括测量探头支架(1)、安装在测量探头支架(1)上的用于加热土壤的加热器(2)，其特征在于在距离加热器(2)的正上方和正下方等距离S处的探头支架(1)上各安 装一对温度传感器，用于检测温差，上对温度传感器的两个温度传感器(3、 4)，在距离加热器(2)的正上方S处探头支架(1)上和S处的正上方探头支 架(1)上依次分开布置，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温 度传感器(5、 6)，在距离加热器(2)的正下方S处探头支架(1)上和S处的 正下方探头支架(1)上依次分开布置，加热器(2)和温度传感器(3、 4、 5、 6)处于同」个平面上，该装置还包括上路温差检测部分、下路温差检测部分与中路主控制部分， 上路温差检测部分和下路温差检测部分是互为对称的结构，并且参数相同，中路主控制部分包括控制计算机(22)、与控制计算机(22)相连接的232 与TTL电平转换电路(21)、通过串口和232与TTL电平转换电路(21)相连接 的主单片机(20)、通过数字输入端与主单片机(20)相连接的D/A转换电路(19)和与D/A转换电路(19)的模拟输出端相连接的加热器(2)，上路温差检测部分包括温度传感器(3、 4)、温差放大电路(7)、单片机(11)、 A/D转换电路(9)、 D/A转换电路(13)、电压减法器(15)和电压比 较器(17)，其中，温度传感器(3、 4)和温差放大电路(7)的差分输入端 相连接，温差放大电路(7)的输出端分为两路，分别与A/D转换电路(9)的 模拟输入端和电压减法器(15)的正输入端相连接，A/D转换电路(9)的数 字输出端和单片机(11)相连接，单片机(11)和D/A转换电路(13)的数字输入端相连接，D/A转换电路(13)的模拟输出端和电压减法器(15)的负输 入端相连接，电压减法器(15)的输出端和电压比较器(17)的输入端相连 接，电压比较器(17)的输出端和单片机(11)的中断l端口相连接，下路温差检测部分包括热电偶温度传感器(5、 6)、温差放大电路(8)、 单片机(12)、 A/D转换电路(10)、 D/A转换电路(14)、电压减法器(16)和 电压比较器(18)，其中，温度传感器(5、 6)和温差放大电路(8)的差分 输入端相连接，温差放大电路(8)的输出端分为两路，分别与A/D转换电路 (10 )的模拟输入端和电压减法器(16 )的正输入端相连接，A/D转换电路(10) 的数字输出端和单片机(12)相连接，单片机(12)和D/A转换电路(14)的 数字输入端相连接，D/A转换电路(14)的模拟输出端和电压减法器(16)的 负输入端相连接，电压减法器(16)的输出端和电压比较器(18)的输入端 相连接，电压比较器(18)的输出端和单片机(12)的中断l端口相连接，中路主控制部分主单片机(20)的一个端口和上路温差检测单片机(11) 的外部中断0端口相连接，上路温差检测单片机(11)的一个端口和中路主控 制部分主单片机(20)的外部中断0端口相连接，中路主控制部分主单片机(20)的一个端口和下路温差检测单片机(12) 的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机(12)的一个端口和中路主控 制部分主单片机(20)的外部中断l端口相连接。
4、根据权利要求3所述的测量土壤孔隙水流速的装置，其特征在于在 中路主控制部分中，其具体电路连接关系为232与TTL电平转换电路U4的 一端通过接口 J2和控制计算机PC相连接，另一端和主单片机U3的串口相连 接，主单片机U3和D/A转换电路U1、 U2、 Ql、 Q2的数字输入端相连接，D/A 转换电路U1、 U2、 Ql、 Q2的模拟输出端和加热器H0TER相连接。
5、 根据权利要求3所述的测量土壤孔隙水流速的装置，其特征在于在上路温差检测部分中，其具体电路连接关系为温度传感器PR0BE--A和温差 放大电路U1A、 U2A的差分输入端相连接，温差放大电路U1A、 U2A的输出端分 为两路，分别与A/D转换电路U3A、 U7A的模拟输入端和电压减法器U4A的正输 入端相连接，A/D转换电路U3A、 U7A的数字输出端和单片机U9A相连接，单片 机U9A和D/A转换电路U5A、 U8A的数字输入端相连接，D/A转换电路U5A、 U8A的 模拟输出端和电压减法器U4A的负输入端相连接，电压减法器U4A的输出端和 电压比较器U6A的输入端相连接，电压比较器U6A的输出端和单片机U9A的中断 l端口相连接。
6、 根据权利要求3所述的测量土壤孔隙水流速的装置，其特征在于在 下路温差检测部分中，其具体电路连接关系为热电偶温度传感器PROBE--B 和温差放大电路U1B、 U2B的差分输入端相连接，温差放大电路U1B、 U2B的输 出端分为两路，分别与A/D转换电路U3B、 U7B的模拟输入端和电压减法器U4B 的正输入端相连接，A/D转换电路U3B、 U7B的数字输出端和单片机U犯相连接， 单片机U9B和D/A转换电路U5B、 U8B的数字输入端相连接，D/A转换电路U5B、 U8B的模拟输出端和电压减法器U4B的负输入端相连接，电压减法器U4B的输出 端和电压比较器U6B的输入端相连接，电压比较器U6B的输出端和单片机U9B的 中断l端口相连接。
7、 根据权利要求3所述的测量土壤孔隙水流速的装置，其特征在于中 路主控制部分分别与上路温差检测部分、下路温差检测部分的具体电路连接 关系为主控制部分主单片机U3的一个端口和上路温差检测单片机U9A的外部 中断0端口相连接，上路温差检测单片机U9A的一个端口和主控制部分主单片 机U3的外部中断0端口相连接，主控制部分主单片机U3的一个端口和下路温差检测单片机U9B的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机U9B的一个端口 和主控制部分主单片机U3的外部中断1端口相连接。
8、根据权利要求3所述的测量土壤孔隙水流速的装置，其特征在于所 述的温度传感器为热电偶温度传感器。
全文摘要
本发明涉及一种测量土壤孔隙水流速的方法及其装置，尤其涉及一种采用热脉冲示踪技术直接测量土壤孔隙水流速的方法及其装置，在测量探头支架上安装一个加热器，用于加热土壤，在距离加热器的正上方和正下方等距离S处的探头支架上各安装一对温度传感器，用于检测温差。每对温度传感器的两个传感器是距离加热器远近分开布置的，并且加热器和温度传感器处于同一个平面上。启动加热器对土壤进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，将两个计时器记录时间和S代入公式得到土壤孔隙水流速，有效地减少了对土壤的加热量，具有工作稳定、经济实用、安全可靠的优点。
文档编号G01P5/18GK101339201SQ200810141080
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者李发贵, 高任翔, 高胜国 申请人:中国农业科学院农田灌溉研究所