一种土壤凝结水全自动测量装置及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土壤学领域，尤其是涉及一种土壤凝结水全自动测量装置及其使用方 法，可以准确、自动测量干旱半干旱地区土壤表层凝结水量及其来源。
【背景技术】
[0002] 土壤凝结水在干旱半干旱生态系统起着十分重要的作用，它是组成生物结壳的细 菌、小动物和植物重要水源，因此对其测量研究具有非常重要的生态与环境意义。土壤凝结 水来源于吸湿水、大气水汽凝结水和土壤水汽凝结水，在干旱半干旱地区，凝结水主要产生 于地面以下0-15cm，20cm以下凝结水产生很少；而对凝结水的测量工作主要在18:00-8:00 进行，一般每2h测量一次。
[0003] 目前，国际上还没统一的测量土壤凝结水的装置和方法，从Duvdevani凝结水计量 器法、人造凝结面法、Hi 1 tnor凝结水平衡法、热脉冲法、同位素法以及测重法等都曾被科研 人员用于土壤凝结水测定，以上方法或多或少存在一些不足。众所周知，Duvdevani凝结水 计量器观测的凝结水量仅仅是不同点的平均值，并不能得到凝结水的持续时间；所观察的 量和自然表面沉积的凝结水量之间的关系是不确定的；所用的木块可能会褪色，这不利于 冰点以下的测量。人造凝结面法的不足之处在于不能估算凝结水形成的速率或形成时间。 Hiltnor凝结水平衡法其所用的装置容易受到风等气象因素的影响，其使用性还需要研究。 热脉冲法通常使用一种新发展起来的测量介电常数的时域反射（Time-Domain Reflectometry)技术进行测量，常见的测量装置有HH2 Moisture Meter、TDR水分测试仪和 TSC Π 智能化土壤水分快速测试仪等，该技术的量精度容易受到土壤含盐量的影响;装置 成本非常高。同位素法的缺点在于它会受到环境温度、湿度等环境因素影响，另外测量成本 也很高。测重法是国内外使用最为普遍的测量土壤凝结水的方法，一般都是采用不同材料 的自制手动的微型测渗计，其共同缺点普遍是没有实现自动化测量，使得工作量比较大，此 外，或装置边界效应较大，或装置材料导热性过高等。
[0004] 例如，采用"测重法"的以下专利：中国专利CN204302141U公开了一种土壤凝结水 测定装置，可测定干旱半干旱区不同深度土壤凝结水量，但没有实现自动化测量，每2h手动 测量一次，工作量和误差引发率非常大；中国专利CN204154594U公开了一种适应于砂性土 壤的自动微型蒸渗仪，虽然在每次数据测量时不用将微渗仪取出来，减轻了部分工作量，但 并没有真正实现自动测量，研究人员还是要每隔2h测量一次，这对研究人员的精力、安全等 都是一个重要的考验;并且，该装置是通过多个滑轮进行重量传输，钢丝与滑轮之间摩擦阻 力增加了测量误差，对试验结果影响较大。
[0005] 综上所述，目前无论是手动还是自动测量土壤凝结水的装置，或工作量尤其是夜 间工作量过大，或没有实现测量真正自动化，或影响因素较多导致测量误差较大，或成本较 尚，或材料导热性过尚。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种集数据存储、显示于一体的高精度的土壤凝结水全自动 测量装置及其使用方法，它能按照研究要求，设定每隔一定时间自动测量一次数据并存储 起来，该装置大大降低了科研人员的工作量，与此同时，测量数据质量也符合科研要求，该 装置适用于干旱半干旱地区生态系统土壤凝结水的测量。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供一种土壤凝结水全自动测量装置，包括自动测 量系统，微型测渗仪，外套管以及套设在外套管内的内套管，其中自动测量系统包括底盘， 微型质量传感器，电源，导线，单片机，内置有SD卡的SD卡槽，LED显示器和连接PC的数据交 换口，所述底盘中部为空心圆柱体，多个微型质量传感器均匀嵌套在底盘的空心圆柱体的 边缘，所述底盘上设置有环形导线槽，导线沿着环形导线槽将多个微型质量传感器连接起 来并伸出到外套管外与单片机连接，所述单片机分别与SD卡槽，LED显示器，电源以及连接 PC的数据交换口连接，SD卡槽，LED显示器和连接PC的数据交换口分别与电源连接，微型测 渗仪包括测渗仪裸身，尼龙网，内夹环和外夹环，所述内夹环和外夹环之间设置有尼龙网， 尼龙网通过内夹环和外夹环固定在测渗仪裸身的两端，所述微型测渗仪设置在微型质量传 感器上。
[0008] 进一步，所述底盘的空心圆柱体的直径大小与微型测渗仪的外径相适应。
[0009] 进一步，所述微型质量传感器的数量至少为四个，微型质量传感器的上表面略低 于底盘上表面。
[0010]进一步，所述测渗仪裸身为一个两端开口的厚壁塑料管，外径大于80mm，高度在 50mm-150mm〇
[0011] 进一步，所述测渗仪裸身上端的外夹环两侧分别设置有一个螺丝孔，所述螺丝孔 上设有螺丝钉，螺丝钉上系有提绳。
[0012] 进一步，所述外套管和内套管的一端削尖，利于插入土壤。
[0013] 本发明还提供了一种土壤凝结水全自动测量装置的使用方法，包括如下步骤：
[0014] 1)根据试验目标，选取合适的研究地点，将外套管垂直送入土壤中，使其顶端与地 面齐平，利用备用PVC管及调油刀，移取试验土壤放入微型测渗仪中，并通过内夹环和外夹 环将尼龙网固定在测渗仪裸身的两端；
[0015] 2)再次利用备用PVC管及调油刀在外套管内部挖取一个"凸"字型土壤区，安放自 动测量系统，将底盘放置于"凸"字型土壤区上，在底盘里嵌套微型质量传感器，导线与微型 质量传感器连接后沿着外套管内壁与地上的单片机相连，单片机和电源、SD卡槽、LED显示 器、连接PC的数据交换口相连，并将电源分别与SD卡槽、LED显示器和连接PC的数据交换口 连接，SD卡槽内放入SD卡；
[0016] 3)将微型测渗仪安放在微型质量传感器上，微型测渗仪的外径刚好与底盘的空心 圆柱体的直径相吻合，然后安装内套管，其顶端与地面齐平，并在外套管和内套管之间填充 土壤；
[0017] 4)按照测量目标，利用单片机设定测量周期后开始测量，利用公式h=10Am/(P3i r2)(h为凝结水高度，Am为微型测渗仪的质量变化量，r为其内半径），用单片机将凝结水的 质量数据(g)转换成凝结水的高度数据(mm);
[0018] 5)测完数据后，将SD卡取出进行备份和分析，安装新的SD卡，准备下次自动测量； 或者，待所有数据测完，通过连接PC的数据交换口将自动测量系统与PC相连，利用软件进行 数据分析。
[0019] 本发明具有的优点和积极效果是：
[0020] (1)本发明成本较低，且能实现凝结水高精度、自动化测量、存储、显示等功能，并 且免去科研人员夜间每隔2h测量的劳苦，总体上为科研人员节约大量的精力，保证了人身 安全；
[0021] (2)通过对单片机调试，将凝结水量的质量数据(g)自动转化为凝结水的高度数据 (_)，克服了当前繁琐的换算过程；
[0022] (3)按照自身的需要，可以在几个关键时间段通过调试单片机增加测量次数，掌握 凝结水准确的起止时间;若结合其他自动化设备，可以实现凝结水来源精准分析；
[0023] (4)测渗仪裸身上的螺丝钉方便科研人员取出微型测渗仪，并且对周围土壤扰动 小；
[0024] (5)微型测渗仪的规格以及与其相配套的其他装置的规格，能够有效降低土壤的 边缘效应，保证凝结水测量的准确性。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的结构示意图；
[0026] 图2是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的俯视结构示意图；
[0027] 图3是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的自动测量系统的俯视结构示意图；
[0028] 图4是本发明中土壤凝结水全自动测量装置的微型测渗仪的俯视结构示意图。
[0029] 图中：
[0030] 1、外套管 2、内套管 3、底盘
[0031] 4、微型质量传感器 5、电源 6、导线
[0032] 7、单片机 8、SD卡槽 9、LED显示器
[0033] 10、连接PC的数据交换口 11、环形导线槽12、测渗仪裸身
[0034] 13、尼龙网 14、内夹环 15、外夹环
[0035] 16、螺丝钉 17、提绳
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
[0037]如图1-4所示，本发明提供一种土壤凝结水全自动测量装置，包括自动测量系统， 微型测渗仪，外套管1以及套设在外套管1内的内套管2,其中自动测量系统包括底盘3,微型 质量传感器4，电源5，导线6，单片机7，内置有SD卡的SD卡槽8，LED显示器9和连接PC的数据 交换口 10,所述底盘3中部为空心圆柱体，四个微型质量传感器4均匀嵌套在底盘3的空心圆 柱体的边缘，微型质量传感器4的上表面略低于底盘3的上表面，所述底盘3上设置有环形导 线槽11，导线6沿着环形导线槽11将四个微型质量传感器4连接起来并伸出到外套管1外与 单片机7连接，所述单片机7分别与SD卡槽8，LED显示器9,电源5以及连接PC的数据交换口 10 连接，SD卡槽8，LED显示器9和连接PC的数据交换口 10分别与电源5连接，微型测渗仪包括测 渗仪裸身12,尼龙网13,内夹环14和外夹环15,所述内夹环14和外夹环15之间设置