一种差压式土壤基质势测量装置的制作方法

本发明涉及无补水土壤基质势差压测量技术领域，具体涉及一种差压式土壤基质势测量装置。

背景技术：

土壤基质势，作为土壤水势的重要组成部分，代表了土壤中水分的是能部分，是研究土壤水在土壤中的运动过程、运动规律的基础。在现有的水文研究中，土壤基质势是衡量土壤水分的一个重要指标，是进行农业生产、观测土壤水分的空间时间变化的一种重要测量手段。

对于土壤基质势的测量方法研究在国内外都有较长的发展历史，这些研究中测量的方法主要分为两类：直接测量与间接测量，直接测量又以水银负压计为主，例如公开号为CN204832185U，名为“一种刻度式水势测定仪”的发明专利，土壤基质势的大小通过水量的刻度来表示，这种方法虽然直观，但是必须人工进行读数，测量作业量达，费时费力，而且读数存在误差，不利于高精度的测量研究，间接测量中，比较突出的包括：利用电容变化以及热容变化的负压计。间接测量装置的“间接性”问题，往往导致测量精度不高、对土壤要要求大。另外，在水文研究中，需要对于数据进行记录分析，现有的数据记录方法偏向于人工记录，例如公开号为CN103792336A，名为“一种现场土壤水势测量仪及其使用方法”的发明专利，虽然解决了土壤基质势的测量，但是读数是通过负压计显示，需要人工现场记录。又如公开号为CN105850331A，名为“水肥一体化温室黄瓜负压灌溉系统”的发明专利，该系统虽然能实现自动灌溉，但是利用水量到达额定水量时自动加水的原理，不利于数据获取以及研究。

技术实现要素：

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种高强度、高精度的差压式土壤基质势测量装置。

为了实现上述目的，本发明所设计的差压式土壤基质势测量装置，包括差压传感器，上端开口的陶瓷头，所述陶瓷头由陶瓷套管密封，所述陶瓷套管内设置有差压传感器，所述差压传感器的一个压力感应口与陶瓷头内腔连通，另一个压力感应口与大气连通，所述差压传感器还与外部供电装置和信号接收装置连接。

进一步地，所述陶瓷套管顶端中部设置有输出接口电路，陶瓷套管顶端外围设置有打击盘，所述差压传感器通过输出接口电路与外部供电装置和信号接收装置连接。打击盘与陶瓷套管管口处于同一水平面，打击盘的设置方便将装置插入土壤中。

更进一步地，所述输出接口电路包括正极接口、负极接口和信号极接口，所述差压传感器的正极、负极和信号极分别连接在输出接口电路的对应接口上，所述正极接口与外部供电装置连接，负极接口接地，信号极接口与外部信号接收装置连接。接口电路实现了数据测量、装置供电与信号传输的一体化电路设计，各个部分独立运行，通过一个三线端子实现与外部设备的连接。节省了陶瓷头内部体积，为整个装置的便携性提供了基础。摆脱了以往产品中接口众多且标准不易统一的缺点。能适应多种外部数据收集器，可以根据外部接收装置标准灵活使用。

再进一步地，所述差压传感器上的压力感应口均通过尼龙管分别与陶瓷头内腔和大气连通。尼龙管的气密性以及柔韧性极好，有良好的可塑性，耐腐蚀，很好的利用了陶瓷头内的空间。

再进一步地，所述陶瓷套管通过带密封胶圈的螺纹卡口与陶瓷头连接。以保证整体装置的气密性以及测量结果的准确性。

再进一步地，还包括PCB板和焊接在PCB板上的的保护电路，所述保护电路由稳压管并联一个电阻和两个电容后与一个电阻串联组成，所述PCB板设置在陶瓷套管内，所述差压传感器的正极和负极连接保护电路后与输出接口电路连接。由于内部电路的集成度很高，电路集成在PCB板上，保护电路能防止测试数据受到干扰，并且在某一部分电路出现故障时能保证其他部分能够正常运作，因为所有电路集成在一块PCB板上，更换以及检修也更加方便。

再进一步地，所述PCB板通过卡口卡接在陶瓷套管内。由于装置的埋设需要一定的土壤深度，卡口的设计能让整个测量电路的稳定性更高，在一定程度上能缓解打击盘带来的冲击震动。

本发明的优点在于：利用差压的土壤基质势测量，适合于大部分土壤测量条件，具有高强度、高精度等特点。相对于以往产品，通过差压传感器测量土壤基质势，且把测量结果输送给外部信号接收装置，信号接收装置通过输出电压的大小与土壤基质势的大小成线性关系，通过绘制输出电压的变化曲线即可绘制实时的土壤基质势变化曲线。从而克服了自动化程度低、易受干扰等困难，降低了学习、使用成本低，有效的提高了我国水文研究方面的设备力量。利用差压测量土壤基质势，实现了物理量到模拟量的转化，配合外部设备进行数据的采集与处理，有效的提高了工作效率。该装置具有很高的科学价值。

附图说明

图1为本发明差压式土壤基质势测量装置结构示意图。

图2为图1的左视图。

图中：陶瓷套管1，陶瓷头2，螺纹卡口3，稳压管4，电容5，电阻6，PCB板7，正极接口8，负极接口9，另一个压力感应口10，信号极接口11，保护电路12，一个压力感应口13，信号线14，差压传感器15，打击盘16，输出接口电路17。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图中所示的差压式土壤基质势测量装置，包括上端开口的陶瓷头2，陶瓷头2由陶瓷套管1密封，陶瓷套管1通过带密封胶圈的螺纹卡口与陶瓷头2连接，以保证整体装置的气密性以及测量结果的准确性。陶瓷套管1内设置有差压传感器15，差压传感器15的一个压力感应口13与陶瓷头2内腔连通，另一个压力感应口10与大气连通，差压传感器15还与外部供电装置和信号接收装置连接，信号接收装置用于接收压差传感器压差信号。差压传感器15的压力感应口一般通过尼龙套管分别与陶瓷头2内腔和大气连接。陶瓷套管1通过选装卡口与陶瓷头2密封连接。尼龙管的气密性以及柔韧性极好，有良好的可塑性，耐腐蚀，很好的利用了陶瓷头内的空间。

其中，陶瓷套管1顶端中部设置有输出接口电路17，陶瓷套管1顶端外围设置有打击盘16，打击盘16与陶瓷套管1管口处于同一水平面，打击盘的设置方便将装置插入土壤中。输出接口电路17包括正极接口8、负极接口9和信号极接口11，陶瓷套管1内部还设置有PCB板7和焊接在PCB板7上的的保护电路12，保护电路12由稳压管4并联一个电阻6和两个电容5后与一个电阻5串联组成，由于装置的埋设需要一定的土壤深度，PCB板7设置在陶瓷套管1内，通过卡口卡接在陶瓷套管1内，卡口的设计能让整个测量电路的稳定性更高，在一定程度上能缓解打击盘带来的冲击震动。差压传感器15连接保护电路12后与外部供电装置和信号接收装置连接。差压传感器15的正极和负极分别通过保护电路12与输出接口电路17的正极接口8和负极接口9连接，差压传感器15的信号极与输出接口电路17的信号极接口11连接，其中，正极接口8接供电装置，负极接口9接地，信号极接口11连接外部信号接收装置。接口电路17实现了数据测量、装置供电与信号传输的一体化电路设计，各个部分独立运行，通过一个三线端子实现与外部设备的连接。节省了陶瓷头内部体积，为整个装置的便携性提供了基础。摆脱了以往产品中接口众多且标准不易统一的缺点。能适应多种外部数据收集器，可以根据外部接收装置标准灵活使用。且由于内部电路的集成度很高，将电路集成在PCB板上，保护电路能防止测试数据受到干扰，并且在某一部分电路出现故障时能保证其他部分能够正常运作，因为所有电路集成在一块PCB板上，更换以及检修也更加方便。

本发明的技术理论如下：

该发明的陶瓷头为高l的圆柱体配合半径为r的半球，二者的半径相同，使用前在其内添加纯水(蒸馏水)，即溶质分子：

c_W→0................................................(1)

则陶瓷头内的水量为：

由于土壤基质势的作用，水会通过陶瓷壁向外部扩散。

令dt为扩散时间；ds为dt时间内物质扩散量；S为扩散面积；dc/dx为梯度浓度；D为扩散系数，v为渗透速度，则有：

S＝2πr²+2πr·vdt..............................(5)

其中，S为内表面积，D、c、z_L由陶瓷头透水性决定，c_s与土壤成分有关。

土壤对水的真实负压即“绝对压力”，以P表示。当地大气压力以Pb表示，随着土壤基质势的吸水作用，陶瓷头内部产生一个真空腔，即此时绝对压力低于当地大气压力时，用真空表测得的数值，即绝对压力低于当地大气压力的数值，也就是吸水后陶瓷头内的真空压力，称“真空度”，用Pv表示：

P＝Pb-Pv................................................(6)

由压强公式可知，Pv完全由土壤基质势吸水引起。

所以，

综上，用传感器测量差压P就可以由公式测出F，即利用传感器测量陶瓷头内的差压反应出陶瓷头周围土壤基质势的大小。

使用时，将陶瓷头2与陶瓷套管1拧开，在陶瓷头2内加水至刻度线，然后拧紧螺纹卡口3。在土壤待测点进行初步探坑，探坑到需要测量土壤基质势的深度，利用橡胶锤打击打击盘16，减小陶瓷头与土壤之间的空隙，将装置固定在待测深度中，并把传感器单元15的另一个压力感应口10与外界相通的尼龙管迁至土壤表面。由于陶瓷头2内的水被土壤吸走，但是陶瓷头2内的空气无法排出，所以在陶瓷头2内会产生一个真空压，又由于陶瓷套管1中的传感器单元15的其中一个压力感应口13是经由尼龙管深入陶瓷头2，所以此时陶瓷套管1中的传感器单元15就测出两个压力感应口之间存在压力差，并经过电路内部处理，将这个压力差反映为电压变化由信号线14经信号接口11传到外部信号接收装置。经过多次测试，输出电压的大小与土壤基质势的大小成线性关系，所以外部信号接收装置通过绘制输出电压的变化曲线即可绘制实时的土壤基质势变化曲线。从而克服了自动化程度低、易受干扰等困难，降低了学习、使用成本低，有效的提高了我国水文研究方面的设备力量。利用差压测量土壤基质势，实现了物理量到模拟量的转化，配合外部设备进行数据的采集与处理，有效的提高了工作效率。该装置具有很高的科学价值。