专利名称：数字式土壤梯温仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测定土壤梯度温度用的测定仪器。
测定土壤梯度温度是了解土壤热状况和分布特征的常用方法。若测定时土壤原结构和地被物被挠动和破坏，改变了土壤与大气的热交换能力和土壤的导热系数、热容量等物理性状；或各梯级测点分布不在同一垂直轴线上，都将使测值偏离实际情况。目前国内外用于土壤梯度温度测定器械，基本上都是单测温点探头(包括曲管地温表和各种电子地温计)，由于器械及测温探头结构的限制，测定时需在一定水平面内按照梯度要求深度挖坑埋设探头。这样原地被物和土体就受到了破坏和挠动。
本实用新型的目的在于向公众提供一种测定土壤梯温时可不挠动土体和破坏地被物，并保证各梯级测点分布在同一垂直轴线上，而且具有特别适于野外使用的各种性能的温度测定仪。
本实用新型采用的技术方案是以易成型、互换好，抗老化的铜－康铜热电偶为测温材料，并将其设计制作成插入式多温点梯级组合测温探头，热电偶自由端温度进行高精度自动补偿，并采用低功耗自动稳零放大电路、线性化电路、数字电路，以及DC－DC电源升压电路最终实现土壤梯度温度较高精度的直读。
具体技术措施是设计制作出一只由感温锥、感温环、梯柱、手柄、接线盒、电缆插座所组成的多温点梯级组合测温探头(图1)。感温锥、感温环是不同梯温测点的感温体，一个梯点一只，由传热快、不易腐蚀的金属材料作成。热电偶的测端嵌入感温锥、感温环中，但与感温锥、感温环绝缘。感温环的设置一方面能使探头各方位与土壤有较好的接触，另一方面又能较快地将土壤热量传递予热电偶；感温锥除具有传递热量功能外，其另一作用是提高探头的压强，使其容易插入土中；梯柱的作用是按一定梯度测定要求将各个感温环隔离，并使其形成一个探头整体；用抗老化能力强、绝缘电阻大、不导热、既韧又坚硬的管状材料制作，梯柱内径大小以不影响探头强度和能方便穿过全部测定用热电偶丝为准；手柄为探头手执的地方，便于测定时探头的插入或拨出，也用坚实不导热的管状材料制作；接线盒和电缆插座的作用是连接各梯点热电偶和传导电缆。探头的各连接处均用环氧树脂等密封装，使其具有较好的防水性能；探头在地面露出部分(手柄和接线盒)其表面呈白色，减弱太阳辐射对探头的直接影响。
为了克服、减弱传导电缆和插头座对测值的影响，传导电缆应为铜－康铜补偿电缆。电缆的蕊数为(n＋1)，其中n为探头的梯级测点数由铜偶丝加工而成，另一蕊用康铜偶丝加工而成作为共用。插头座(包括探头，电缆线、主机各处使用的)的蕊数为(n＋1)，其中n为探头的梯级测点数，由铜材料加工而成。另一蕊为硬态康铜材料加工而成。
电路原理如图3。图3(a)为电源电路。集成直流升压电路IC1和R1、R2、D1、D2、T1、T2、C1、C2及R3、R4、DW1、DW2将两节干电池电压(3V)提升到能满足测量电路正常工作需要的正负电压V＋1，V－1和基准电压V＋2，V－2。
图3(b)为测量电路。由集成运放IC2构成阻抗转换器，使仪器具有较高的输入阻抗，在进行长距离测量时减小电缆长度对信号强度的影响；IC3用加法器原理构成热电偶自由端温度自动补偿电路，并进行信号放大，Rt为测量热电偶自由端温度(t2)用镍热电阻，RN1为补偿的定标电阻，其阻值跟Rt在0℃时的阻值相等。由于镍热电阻的电阻－温度曲线跟铜－康铜热电偶的热电势－温度曲线极相似，调节RW1、RW2就可实现热电偶自由端温度在－10～50℃范围变化时进行高精度自动补偿，其补偿误差可小于0.1℃。集成电路IC4～IC9采用过零正负半波检波和加法器原理构成线性化电路，将热电偶的热电势－温度曲线校正成线性以适应数字测量的需要。其中IC4～IC5为－20～0℃的线性校正电路，IC6～IC8为0～80℃的线性校正电路，V4、V5、V6、V7为线性校正电压。采用T分度号铜－康铜热电偶时，V4＝10Vi(Vi为热电偶相对于0℃时的热电势)，V5＝7.89mv，V6＝16.11mv，V7＝25.67mv。在正温区时电路的数学表达式为V8＝KVi－(10Vi－V5)－(10Vi－V6)－(10Vi－V7)；负温区时，V8＝KVi＋10Vi。式中当10Vi＜V5，10Vi＜V6，10Vi＜V7时该项数学式为0，K为电路IC3的放大倍数。当热电偶测端温度(t1)为20℃时，调节RW3使IC3的输出电压V3＝200mv(即1℃相当于10mv)，测定－20～80℃，IC9输出电压(V8)的温度偏差小于±1mv，即相当于测量温度偏差±0.1℃。
为了确保热电偶自由端与Rt随时处于同一温场中，在制作时将热电偶自由端包绕于Rt中，并将Rt用绝热、绝缘材料封装于护壳中，以缓冲外界温度剧烈波动的影响(图2)本实用新型的优点在于1.多点测定土壤梯度温度。在测定时探头能直接垂直插入(或钻孔引入)达到最大限度避免测定时挠动、破坏土壤结构和地被物，并确保各梯级测温点分布在同一垂直轴线上，实现土壤垂直－水平梯度温度的原态－原位长距离测定。2.测量精度较高，探头互换性、稳定性好。仪器主机在0～45℃环境中使用，测量－20～80℃，其测量误差小于±0.2℃，探头互换误差及各梯点的相对误差小于0.1℃。3.仪器为液晶数字显示，2×1.5V干电池供电，体积小、重量轻、功耗小、操作简便，便于携带。
图1为插入式多温点梯级组合测温探头结构示意图；图2为热电偶自由端温度补偿用镍热电阻结构示意图；图3为仪器电路原理图，其中(a)为电源电路原理图，(b)为测量电路原理图。1－感温锥，2－感温环，3－梯柱，4－手柄，5－接线盒，6－多蕊电缆插座，7－热电偶测端，8、9－绝缘热电偶丝，10－绝热、绝缘密封物，11－护壳，12－热电偶自由端，13－镍电阻绕组，14－电阻骨架。15－电阻引出线。
电路原理图中IC2、IC3为自动稳零运放，IC4～IC9为低功耗、低失调、低漂移运放，IC10为低功耗31／2A／D转换器，DW1、DW2为集成能隙基准电源，D3～D10为低VF硅开关二极管，R6＝R8，R11＝R12，R14＝R15，R17＝R18＝R19，R21＝R22＝R23，R25＝R26＝R27，R29＝R30＝R31＝R32＝R33＝R34，R6、R7、R8、R9为±0.1％的精密金属膜电阻，RN1、RN2、RN3、RN4、RN5为锰铜线绕电阻。
实施例插入式多温点梯级组合测温探头的感温锥、感温环用铜材料车制，表面镀铬；梯柱用环氧玻璃布棒或酚醛布棒车制或注塑成型。
在感温锥和感温环的横切面上钻一刚能插入热电偶测端结点的小孔，感温环上孔的深度不少于3mm，感温锥上孔的深度应达锥体高度的中心。将热电偶的测端结点绝缘后插入孔中并用环氧树脂密封固定，按照探头装配的需要截取漆包偶丝的长度，装配时偶丝穿入梯柱中心孔内引出，各测点的热电偶丝待探头装配完后另一端分别焊接在插座上，其中铜偶丝分别焊接在插座的铜蕊上，康铜偶丝并在一起焊接在插座的康铜蕊上。
探头各接缝处用环氧树脂封装，表面涂以绝缘清漆。
补偿导线可以根据探头梯级测点的多少选用相同数的纯铜绝缘软线和一根康铜偶丝作成的绝缘软线合并在一起，外套上绝缘护套，两端分别按铜蕊接铜蕊，康铜蕊接康铜蕊焊接上插头。在批量生产时补偿导线可向厂家定做，定做时最好有外屏蔽层。
热电偶自由端温度补偿用镍热电阻采用漆包纯镍丝按图2结构，以无感绕法绕制。RN1、RN2、RN3、RN4、RN5用漆包锰铜线绕制并进行精密校正。若Rt在0℃时为200Ω，则RN1的匹配精度要精确到0.05％以下；RN2、RN3、RN4、RN5精确到0.1％。
主机机壳既可用工程塑料模压制作，也可用金属材料经扳金工艺加工而成。采用塑料壳体时内壁应用铝箔进行屏蔽(本实用新型样机采用塑料壳体)。
主机电路板先在印制板上焊装原器件、再在底板上焊装引线，最后进行总装和调试。
权利要求1.一种由铜一康铜热电偶测温探头、补偿电缆和主机电路所构成的数字式土壤梯温仪，其特征在于测温探头是由梯级分布的感温锥及两个或两个以上感温环形成的测温点所构成；热电偶的测端嵌入感温锥、感温环中，但与感温锥、感温环绝缘，热电偶的自由端包绕于自由端温度补偿电阻(Rt)的绕组中，并用绝热、绝缘材料封于护壳中；在主机电路中，Rt一端通过Rw1接电源V+1和通过R1接IC1负输入端，Rt另一端接电路公共端，RN1一端接公共端，另一端通过Rw1接电源V-1和通过R1接IC1负输入端，R5一端接K1，另一端接IC1正输入端和C1，IC1的输出端通过R1与IC1，负输入端连接，R1一端接Rw1，另一端与
负输入端连接。
2.根据权利要求1所述的梯温仪，其特征在于感温锥和感温环为导热体，梯柱为绝缘绝热体。
专利摘要一种由仪器主机、传输电缆和测温探头所构成的数字式土壤梯温仪，它适用于野外土壤梯度温度测定。本实用新型在进行土壤梯度温度测定时探头可以直接插入，做到不破坏、挠动地被物和土体结构，并确保各级梯温测点分布在同一垂直轴线上，实现土壤梯度温度的水平-垂直长距离原态-原位测定。本实用新型采用集成电路和液晶数字显示、低压干电池供电、体积小、重量轻、功耗少、性能稳定、携带方便。
文档编号G01K7/04GK2103134SQ9121463
公开日1992年4月29日 申请日期1991年6月20日 优先权日1991年6月20日
发明者蒋明富 申请人:中国科学院成都分院土壤研究室