专利名称：一种非侵入式热脉冲茎流计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热脉冲茎流计。
背景技术：
植物的生理过程是在土壤-植物-大气连续的系统中进行的，当环境因素发生有利或不利的变化时，植物的各种生理参数也会发生相应的变化，因此，对植物的各种生理参数的检测能够帮助我们了解周围环境因素变化对植物生长发育的影响，从而可以调节诸如土壤养分、水分等各种因素，以优化各种植物、农作物的生长条件。
在植物的各种生理过程中，蒸腾过程是一个比较重要的过程。蒸腾作用是指水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽状态散失到大气中的过程。据统计植株根部吸收的水分有99.8％以上消耗在蒸腾上，因此，对蒸腾作用的监测，可以了解植物-土壤-大气之间的水分循环供给过程，了解植物的水供应情况。
对蒸腾作用进行监测方法可以大致分为水文学方法(包括水量平衡法和蒸渗仪法等)、微气象学法(包括波文比一能量平衡法、涡度相关法和空气动力学法等)、植物生理学方法(包括茎流法、气孔计法等)和红外遥感法等4类方法。在这些方法中，水文学方法、微气象学法和红外遥感法红外遥感法不光是对植物的蒸腾作用进行监测，同时也监测了土壤的蒸发情况。只有植物生理学方法，包括茎流法、气孔计法等，才是真正通过对植物生理参数的测量来达到检测蒸腾作用的目的。这之中气孔计法，就是将测定时环境相对湿度设定为仪器叶室的平衡湿度，选树冠中层正常生长的叶片夹入叶室，分别测定上、下两个表面的蒸腾速率，两者之和即为叶的蒸腾速率。气孔计法的缺点是难以保证准确得到植株在自然状态下的蒸腾指标蒸腾作用引起植株液流在植株体内从根部向冠部运动，因此，通过精确测量茎流量，可以基本确定植株的蒸腾失水量，这也是茎流计测量蒸腾作用的测量原理。茎流计是目前测量植株蒸腾作用最为常用的仪器。目前，茎流计中主要是采用热原理来实现茎流的测量，其可以分为以下三类A)热脉冲法(Heat Pulse Method)热脉冲法由德国科学家Huber于1932年首次提出，以后由Marshall、Swanson和tfield、Fawards等改进完善。该方法主要适用于树干直径较粗的木本。它根据补偿原理，测定时首先向加热元件通以短暂即逝的电流产生热脉冲，然后通过测定距离一定的下游某点温度变化值，推算出热脉冲在树干内的运动速度，由于假定在树干内热脉冲是随着茎流的运动而运动的，这样再根据流体的几何特征、茎横断面积就可以推算出茎流值。由于在热脉冲法中所测量的是某点温度随时间的变化量，因此对传感器和后续的信号处理都十分有利，并且测量也十分稳定，该法曾被Zimmerman誉为“最美妙的测量液流速度的方法”。目前世界上采用该类产品的主要生产厂家有美国ThermalLogic(Pullman，WA)和澳大利亚Greenspan Analytical。这些产品都还是采用侵入式的热原和温度探针，并且主要用于直径较粗的木本。
B)热平衡法(Heat Balance Method)即Sakuratani法及源于此法的一些方法。此法又包括茎部热平衡法(Stem Heat Balance Method)和树干热平衡法(Tissue Heat Balance Method)两种。其中，茎部热平衡法是指将一个加热套裹在茎或枝条外面，连续加热树皮、木材和树液，茎表面的温度通过安装在周围的温度传感器来感应，依据热量平衡原理求出被液流带走的热量来计算茎秆内液体的流量；树干热平衡法与茎部热平衡法原理相同，只是树干热平衡法是侵入式的，它通过插入树干的探针来测定树干液流。另外，这两种热平衡方法均可分为恒定功率加热和变化功率加热，而变化功率加热的方法耗电低，且避免了液流较低时对树干的过分加热。热平衡法需要温度传感器测量出所接受到的热量的绝对值，因此，对传感器以及环境应用条件比较高。1989年日本的Masaharu Kitano申请了一种径流测量装置的美国专利(U.S.Patent No 4745805)，1993年美国的Corneliu H.M.Van Bavel申请了一种径流测量装置的美国专利(U.S.Patent No5269183)，但是在这两个专利中其基本原理还是热平衡法，没有根本的改进。该类产品的主要生产厂家为美国Dynamax公司。目前，该类产品也是测量较细植株茎流的主要方法。
c.热扩散探针法(Thermal Dissipation Probe method)此法首先是由法国科学家Granier于1985年提出来并申请美国专利(U.S.Patent No 4745805)。它是将2根长为2cm、直径为1.2mm的探针插入边材中，上部探针含有加热器和热电偶，下部探针只有热电偶，恒定加热，通过测定两探针的温差值来计算液流速度。与其他几种热量法相比，此法安装简单方便，计算简便，且费用相对较低。但是该法还是为侵入式的。
综上所述，虽然热脉冲式茎流计性能较好，但是其目前主要还是采用侵入式方法，应用于木本植物，对于直径较细的农作物植株，目前可用的一般是茎部热平衡式茎流计，该类茎流计对温度传感器以及使用环境都有较高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可应用于直径较细植株的非侵入式热脉冲式茎流计。为此本发明采用以下技术方案所述茎流计包括设于植株表面的加热元件及差动放大及信号控制处理电路，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流下游设有下游温度传感器，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流上游设有与所述下游温度传感器配对的上游温度传感器，所述配对的上游温度传感器和下游温度传感器与差动放大及信号控制处理电路相连。由于采用本发明的技术方案，本发明采用非侵入式加热方式和温度传感器的差动温度测量方式，通过对热脉冲在植株内部运动时间的测量，可以方便地实现对直径较为细小的植株的茎流测量。
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明提供的实施例中的传感器阵列示意图。
图3为本发明提供实施例的具体示意图。
具体实施例方式
参照附图1。本发明的非侵入式热脉冲茎流计的原理如图一所示，它包括设于植株5表面的加热元件2及差动放大及信号控制处理电路3，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流下游设有下游温度传感器1，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流上游设有与所述下游温度传感器配对的上游温度传感器4，所述配对的上游温度传感器和下游温度传感器与差动放大及信号控制处理电路相连。
在本发明中，因为茎流是从植株的根部向顶部运动的，我们将植株的根部定为上游而植株的顶部定为下游。
在使用过程中，加热元件2及上下游温度传感器分别附着在植株的表面。当茎流测试开始时，差动放大及信号控制处理电路3首先向加热元件2释放一加热脉冲，因此加热元件2温度升高。随着加热元件2温度的升高，热量就从加热元件2向和加热元件2的植株5的表皮传导。热量达到植株表皮之后，在植株内部的传导有两种途径一是热传导，二是随着茎流运动而带来的“热对流”。热传导是热在植株内部沿着相互接触的各部分的热扩散，热量从温度高的部分向温度低的部分传递，这个过程取决于植株内部各部分的传热系数，若假设个部分的传热系数相等，则该过程是一个各向同性的过程，最后上下游温度传感器的测量温度是相等的。但是，当植株内部存在着茎流时，热量在植株内部除了热传导之外，由于茎流的运动，还存在着热对流。也就是当热量从植株表皮传导至植株内部之后，在植株内部，随着茎流(也就是水)的向上运动，热量也将同时向上运动。
在本发明中加热元件2上施加的是一热脉冲，因此，由于茎流的作用，这一热脉冲将会被带向下游，在下游的温度传感器也将会测得一温度变化脉冲。而热脉冲从在加热器上施加到被下游温度传感器检测到之间所花费的时间，是和植株内的茎流大小成正比的。因此，本发明测量茎流的基本原理是通过加热装置采用非侵入式方式在植株的表皮施加一热脉冲，然后在加热元件的上下游固定的距离分别采用温度传感器利用差动检测的原理进行温度测量。温度传感器上温度测量的峰值对应于热脉冲在植株内部茎流带动下流经响应温度传感器的时间。由于温度传感器和加热元件2的距离是已知的，所以通过测量热脉冲流经温度传感器的时间，就可以计算出热脉冲的运动速度，进而可以推算出植株内的茎流大小。
在本发明中，放置于加热元件2上游的温度传感器主要用于补偿、抵消热量在植株内部的传导作用。这样将上游温度传感器的信号和下游温度传感器的信号同时输入一个差动放大器，则由于热传导所引起的植株内部各向同性的热传递过程而引起的温度变化信号就可以被抵消，差动放大器的输出信号只和由于茎流运动带来的热对流所引起的温度变化信号有关。
在本实施例中，上下游传感器都由依次排列的多个温度传感器组成，也即是一个传感器阵列，如图2和图3所示，所述下游温度传感器包括若干个温度传感器，并沿茎流方向设置；所述上游温度传感器包括若干个分别与处于加热元件所处位置茎流下游的温度传感器配对的温度传感器，所述配对的温度传感器与加热元件的距离相等；所述差动放大及信号控制处理电路中设有若干个分别与配对的温度传感器相连的差动放大电路。在图2和图3中，本实施例的上下游温度传感器分别由5个温度传感器组成，下游温度传感器分别为附图标号11、12、13、14、15所指的传感器和上游传感器分别为附图标号41、42、43、44、45所指的温度传感器，相应地，所述差动放大及信号控制处理电路中设有5个差动放大电路，分别为附图标号61、62、63、64、65所指。温度传感器11与45与加热元件2的距离相等而配对并与差动放大电路61相连，温度传感器12与44与加热元件2的距离相等而配对并与差动放大电路62相连，温度传感器13与43与加热元件2的距离相等而配对并与差动放大电路63相连，温度传感器14与42与加热元件2的距离相等而配对并与差动放大电路64相连，温度传感器15与41与加热元件2的距离相等而配对并与差动放大电路65相连。
当热脉冲在茎流的带动下运动时，由于所测茎流大小的不同，通过固定距离所需的时间各不相同。从提高响应时间来讲，温度传感器和加热器距离越近越好，但是，由于本发明采用的是非侵入式的加热测温结构，温度传感器和加热器距离越近，热传导带来的干扰信号(也即是从加热器通过植株表皮直接传导到温度传感器的热量)就越强，因此，随着茎流的大小不同，传感器和加热器之间的最佳位置也不同，本发明通过在下游放置多个温度传感器组成传感器阵列，可以扩大茎流测量的范围。
在本实施例中，加热元件2采用电热元件，比如由电阻丝缠绕而成，功率为1瓦，温度传感器采用热敏电阻，差动放大及信号处理电路3由一以MSP430微处理器7为核心的单片机系统组成，五路差动放大电路由AD620通用仪用放大器芯片担当，测量结果经由微处理器7软件处理后由显示输出8输出。
权利要求
1.一种非侵入式热脉冲茎流计，其特征在于所述茎流计包括设于植株表面的加热元件及差动放大及信号控制处理电路，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流下游设有下游温度传感器，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流上游设有与所述下游温度传感器配对的上游温度传感器，所述配对的上游温度传感器和下游温度传感器与差动放大及信号控制处理电路相连。
2.如权利要求1所述的一种非侵入式热脉冲茎流计，其特征在于所述下游温度传感器包括若干个温度传感器，并沿茎流方向设置；所述上游温度传感器包括若干个分别与处于加热元件所处位置茎流下游的温度传感器配对的温度传感器，所述配对的温度传感器与加热元件的距离相等；所述差动放大及信号控制处理电路中设有若干个分别与配对的温度传感器相连的差动放大电路。
3.如权利要求1或2所述的一种非侵入式热脉冲茎流计，其特征在于所述加热元件为电热元件。
4.如权利要求3所述的一种非侵入式热脉冲茎流计，其特征在于所述加热元件为电阻丝缠绕而成。
全文摘要
本发明提供了一种非侵入式热脉冲茎流计。所述茎流计包括设于植株表面的加热元件及差动放大及信号控制处理电路，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流下游设有下游温度传感器，所述茎流计在加热元件所处位置的茎流上游设有与所述下游温度传感器配对的上游温度传感器，所述配对的上游温度传感器和下游温度传感器与差动放大及信号控制处理电路相连。本发明采用非侵入式加热方式和温度传感器的差动温度测量方式，通过对热脉冲在植株内部运动时间的测量，可以方便地实现对直径较为细小的植株的茎流测量。
文档编号G01K17/00GK101038192SQ20071006798
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月12日 优先权日2007年4月12日
发明者吴坚 申请人:浙江大学