一种地表热通量测定装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种地表热通量测定装置。该装置包括箱体和11根不锈钢针管，所述针管的一端固定在箱体的侧板外侧，其包括7根短针管和4根长针管，其中5根短针管和4根长针管由上至下间隔排列，并位于同一直线上；其余两根短针管位于顶部的短针管和长针管之间连线的两侧，和顶部的短针管呈凸弧形排布，且该两根短针管不在同一高度上；所述短针管的内部顶端装有热电偶以进行温度测定；所述长针管的内部设有绝缘电阻丝以进行热脉冲测定，同时其内部的中部设有热电偶以进行温度测定。本装置通过准确测定地表下若干土层的温度和热特性动态，利用梯度法和量热法同时获取组合法所需两项参数，可以实现自动监测地表热通量动态。
【专利说明】
-种地表热通量测定装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于地表热通量测定技术领域，特别设及一种地表热通量测定装置。
【背景技术】
[0002] 目前常用的地表热通量测定技术主要包括±壤热通量板法、净福射比例法、数值 估算法，W及估测区域地表热通量的遥感方法。运些方法均受限于各种误差，如测定值为地 表下一定深度±壤热通量而非地表热通量，参数取定值或粗略估值导致无法准确捕捉地表 热通量动态变化等。 【实用新型内容】
[0003] 针对现有技术不足，本实用新型提供了一种地表热通量测定装置。
[0004] 一种地表热通量测定装置，其包括箱体1和11根不诱钢针管，所述针管的一端固定 在箱体1的侧板外侧，其包括7根短针管2和4根长针管3,其中5根短针管2和4根长针管3由上 至下间隔排列，并位于同一直线上;其余两根短针管2位于顶部的短针管2和长针管3之间连 线的两侧，和顶部的短针管2呈凸弧形排布，且该两根短针管2不在同一高度上；
[0005] 所述短针管2的内部顶端装有热电偶W进行溫度测定;所述长针管3的内部设有绝 缘电阻丝W进行热脉冲测定，同时其内部的中部设有热电偶W进行溫度测定。
[0006] 所述短针管2的外径为1.3mm，长度为20mm;所述长针管3的外径为1.3mm，长度为 40mm;位于同一直线上的5根短针管2和4根长针管3,其间隔为6mm;位于顶部的短针管2两侧 的短针管2,与顶部的短针管2间的垂直距离分别为1mm和2mm。
[0007] 所述热电偶均采用直径为0.05mm的E型热电偶。
[000引所述绝缘电阻丝采用儀铭电阻合金制成，直径75皿，规格221.9Ω .m-i。
[0009] 上述一种地表热通量测定装置的工作原理：
[0010] 热脉冲技术是基于瞬态热传输理论测定±壤热特性参数，包括热导率、热容量和 热扩散系数。在短时段内（8-15秒)对绝缘电阻丝通直流电产生热脉冲W加热±壤，利用其 两侧的热电偶测定距加热源一定距离处的溫度随时间变化，基于溫度-时间变化曲线和脉 冲时长等信息获取±壤的热特性参数。
[0011] 本装置采用组合法计算地表热通量:分别获取地表下一定深度±壤热通量和该深 度至地表间±壤热储量变化率，两参数之和即为地表热通量：
[0012] G〇 = Gz+AS〇-z (1)
[OOU] 其中，Go为地表热通量，W · nf2;Gz为地表下Z深度±壤热通量，W · πΓ2; ASo-z为Z深 度至地表间±壤热储量变化率，W · πΓ2;ζ为测定深度，m。
[0014] (1)通过梯度法测定地表下一定深度上壤热通量Gz:该方法基于傅里叶定律，假设 ±壤中热量传递W热传导为主要方式，利用本装置获取测定深度±壤热导率和随垂直深度 变化的±壤溫度梯度，两参数相乘可计算该深度±壤热通量：
[0015] 〇ζ = -λ,( ΔΤ/Δζ) (2)
[0016] 其中，λζ为z深度±壤热导率，W · nfi · ΚΛ ΑΤ/Δζ为z深度±壤溫度梯度，Κ · nfi。
[0017] (2)通过量热法计算z深度至地表间±壤热储量变化率ΔSo-z:将±层分为若干亚 层，同时测定各亚层±壤容积热容量和溫度随时间的变化率，W计算各亚层±壤热储量变 化率，取各亚层±壤热储量变化率之和得到整个±层热储量变化率：
[001引
巧）
[0019]其中，C为上壤容积热容量，MJ · πΓ3 · Κ-1;Τ为上壤溫度，K;t为时间，S。考虑到近地 表±层溫度和热特性时间变异性大且呈非线性变化的特点，利用本装置同时测定地表下若 干深度±壤溫度和热特性的优势，将整个±层分为N层分别测算，i和j分别为±层下标和时 间步长下标。
[0020]综上，本装置可同时获取地表下若干±层的溫度和热特性信息，利用梯度法和量 热法计算地表下一定深度±壤热通量和该深度至地表间±壤热储量变化率，两参数之和即 为地表热通量测定值。
[0021 ]本实用新型的有益效果为：
[0022] 本装置通过准确测定地表下若干±层的溫度和热特性动态，利用梯度法和量热法 同时获取组合法所需两项参数，可W实现自动监测地表热通量动态。与测定地表热通量的 传统方法相比，本装置具有工作量少、自动化程度高和动态化监测等优点，不仅能够配置于 气象灾害监测和预报系统中W提高灾害预报预警能力，还可应用于相关学科W推进科研和 教学工作。
【附图说明】
[0023] 图1为一种地表热通量测定装置示意图；其中，a为正视图，b为侧视图；
[0024] 图2为实施例1中一段时期内的测定结果;其中，a为地表净福射Rn每小时测定值，b 为50mm深度±壤热通量Gso和〇-5〇111111±层热储量变化率Δ So-50每小时测定值，C为地表热通 量Go每小时测定值。
[0025] 标号说明：1-箱体，2-短针管，3-长针管。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型做进一步说明。应该强调的是，下述 说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
[0027] 如图1所述一种地表热通量测定装置，其包括箱体1和11根不诱钢针管，所述不诱 钢针管的一端通过环氧树脂固定在箱体1的侧板外侧，其包括7根短针管2和4根长针管3，所 述短针管2的外径为1.3mm，长度为20mm;所述长针管3的外径为1.3mm，长度为40mm;其中5根 短针管2和4根长针管3由上至下间隔排列，间隔为6mm，且位于同一直线上;其余两根短针管 2位于最上部短针管2和最上部长针管3之间连线的两侧，和最上部的短针管2呈凸弧形排 布，其中左侧的短针管2和最上部的短针管2间的垂直距离为1mm，右侧的短针管2和最上部 的短针管2间的垂直距离为2mm。
[0028] 所述短针管2的内部顶端装有直径为0.05mm的E型热电偶W进行溫度测定。所述长 针管3的内部设有绝缘电阻丝W进行热脉冲测定，绝缘电阻丝采用儀铭电阻合金制成，直径 75皿，规格221.9 Ω . nfi;同时其内部的中部设有直径为ο. 05mm的E型热电偶W进行溫度测 定。
[0029] 利用本装置测定地表热通量主要包括W下Ξ个步骤：
[0030] 第一，装置埋设。在测定地点挖一浅沟，将装置水平插入±壤中，保证顶部针管位 于±表位置，小屯、回填浅沟。
[0031] 第二，±壤溫度和热特性测定。将装置各热电偶和绝缘电阻丝的导线与自动数据 采集器相连，通过自定义程序控制±壤溫度和热特性自动动态监测。
[0032] 第Ξ，地表热通量计算。转移数据采集器中的数据至电脑中，利用梯度法和量热法 计算地表下一定深度±壤热通量和该深度至地表间±壤热储量变化率，基于组合法将两参 数相加得到地表热通量。
[0033] 实施例1
[0034] 2015年5月至9月，在吉林省梨树县中国农业大学实验站选择一处玉米地作为测试 地点，利用本装置进行了地表热通量测定。玉米于5月9日播种，每行棵距约20cm，行距约 70cm。
[0035] 1、装置埋设。在行的中间位置挖一浅沟与行向垂直，将装置水平插入未扰动的± 壤剖面中，保证顶部针管正好位于地表。埋设完成后回填浅沟，使埋设位置与地表保持水 平。
[0036] 2、±壤溫度和热特性测定。将各热电偶和绝缘电阻丝导线与自动数据采集器相 连，通过向数据采集器输入自定义程序实现±壤溫度和热特性自动测定:每半小时进行一 次±壤溫度测定，每次持续5分钟，测定间隔1秒。每一整点后第2分钟开始±壤热特性热脉 冲测定，用铅酸蓄电池（12V，12Ah)提供加热所需的电量，每次加热时长8秒。利用非线性拟 合技术处理加热前后±壤溫度测定数据，得到相应±层的热特性信息。
[0037] 3、地表热通量计算。基于±壤溫度和热特性测定结果，计算50mm深度±壤热通量 Gso,同时计算0-50mm±层热储量变化率Δ So-50,利用组合法计算地表热通量Go。
[0038] 图2为6月20日至25日间测定结果，用W说明本装置实际应用表现。图2a为地表净 福射Rn每小时测定值，变化范围约为-60到600W · πΓ2,日峰值在10点到12点间出现。图2b为 50mm深度±壤热通量Gso和0-50mm±层热储量变化率Δ So-50每小时测定结果，将两参数相加 得到地表热通量Go每小时测定值，即图2c。根据图2c，地表热通量Go在-40到210W · πΓ2间变 化，在10点到12点间达到日峰值，相位与地表净福射Rn时间序列基本相符。测试前四天Go日 峰值均超过180W · πΓ2,合理地对应于Rn日峰值>500W · πΓ2的时段。测试阶段处于玉米生长 初期，冠层较稀疏(6月22日测定该玉米地叶面积指数为0.51 )，使较大部分太阳福射到达地 表，因此Go占 Rn较大比例（每小时Go/Rn介于0.1-0.5之间）。测试结果表明，利用本装置能够 获取可靠的地表热通量动态信息。
【主权项】
1. 一种地表热通量测定装置，其特征在于，包括箱体（1)和11根不锈钢针管，所述针管 的一端固定在箱体（1)的侧板外侧，其包括7根短针管(2)和4根长针管(3)，其中5根短针管 (2)和4根长针管（3)由上至下间隔排列，并位于同一直线上;其余两根短针管（2)位于顶部 的短针管(2)和长针管(3)之间连线的两侧，和顶部的短针管(2)呈凸弧形排布，且该两根短 针管(2)不在同一高度上； 所述短针管(2)的内部顶端装有热电偶以进行温度测定;所述长针管(3)的内部设有绝 缘电阻丝以进行热脉冲测定，同时其内部的中部设有热电偶以进行温度测定。2. 根据权利要求1所述一种地表热通量测定装置，其特征在于，所述短针管（2)的外径 为1 · 3mm，长度为20mm;所述长针管(3)的外径为1 · 3mm，长度为40mm;位于同一直线上的5根 短针管(2)和4根长针管(3)，其间隔为6mm;位于顶部的短针管(2)两侧的短针管(2)，与顶部 的短针管(2)间的垂直距离分别为1mm和2mm。3. 根据权利要求2所述一种地表热通量测定装置，其特征在于，所述热电偶均采用直径 为0.05mm的E型热电偶。4. 根据权利要求2所述一种地表热通量测定装置，其特征在于，所述绝缘电阻丝采用镍 铬电阻合金制成，直径75以111，规格221.9〇·!!!- 1。
【文档编号】G01K17/00GK205620051SQ201620438999
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】任图生, 彭骁阳, 王月月, 张猛, 卢奕丽
【申请人】中国农业大学