专利名称：热脉冲土壤水分传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测定土壤含水量的传感器，特别涉及一种用热脉冲和热 扩散原理测定土壤含水量的传感器。
背景技术：
土壤含水量是农业水土工程学、灌溉排水科学、作物栽培学、水文学、 土壤学等众多学科领域进行科研所需要的基础数据之一。因此准确测定土壤 含水量对于上述领域内和相关领域内的研究具有重要意义。根据测量原理的 不同，土壤含水量测量仪器主要有电阻式土壤水分传感器、电磁波土壤水分
传感器(如TDR土壤水分传感器，Trime 土壤水分测量仪，Diviner 土壤水分 测量仪等)，电磁辐射土壤水分测量仪(如中子水分仪等)。在实际应用中， 电磁波土壤水分传感器和电磁辐射土壤水分传感器应用较为广泛，但是电磁 波土壤水分传感器结构复杂，安装不方便，对土壤破坏较大，且价格比较昂 贵，电磁辐射土壤水分测量仪虽然价格稍微较低，但是由于其具有较强辐射， 在使用时会对人体产生辐射而影响身体健康，因此其使用的数量在逐渐减少。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种热脉冲土壤水分传感器， 它安装方便，对土壤破坏较小，可定位连续测定，结构简单，可靠性高，灵 敏度高，通用性好，且成本也相对较低。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案
一种热脉冲土壤水分传感器，由一号探针、二号探针、三号探针、手柄 和接线端子组成， 一号探针、二号探针和三号探针都为管状，其特征是所 述一号、二号和三号探针均固定在手柄上， 一号和三号探针等距离的布置在 二号探针的两边， 一号探针和三号探针都由细管构成， 一号探针和三号探针 的管腔中分别设置有一号感温元件和三号感温元件，二号探针由内套管和外 套管嵌套构成，内套管的内腔中设置有二号感温元件，在内套管和外套管之 间的缝隙中设置有电热元件，该电热元件与手柄内的电源线连接，电源线引 出后与接线端子连接，所述一号、二号、三号感温元件都与手柄内的导线连 接，手柄内的导线引出后与接线端子相连。
所述一号感温元件由热电偶构成，该热电偶的两根偶丝分别通过焊点与 两补偿线连接，该两补偿线与手柄内的导线连接。
所述三号感温元件由热电偶构成，该热电偶的两根偶丝分别通过焊点与两补偿线连接，该两补偿线与手柄内的导线连接。
所述电热元件由电热丝构成，该电热丝缠绕在内套管的外壁上。 所述二号感温元件由热电偶构成，该热电偶的两根偶丝分别通过焊点与 两补偿线连接，该两补偿线与手柄内的导线连接。
使用时，将水分传感器的一号探针、二号探针和三号探针水平或者垂直 插入待测土壤中，通过采集控制器在某一时刻，给二号探针一热脉冲信号， 这时热脉冲信号以二号探针为轴，以同心圆的形式向周围传输热量。通过测 量一号和三号探针的温度变化，结合二号探针发射脉冲的准确时间，确定一 号和三号探针温度到达最大时需要的时间，通过己经建立的土壤含水量和时 间公式计算实际土壤含水量。
图1是本实用新型的组成结构示意图。
图2是本实用新型一实施例的结构示意图。 图3是本实用新型的使用状态示意图。
具体实施方式
图中标号
1 一号探针2 二号探针3三号探针
4手柄5接线端子6采集控制器7插口8导线9导线
10细管ll热电偶12偶丝13偶丝
14焊点15焊点16补偿线17补偿线
18耐高温绝缘胶19耐高温绝缘胶20内套管
21热电偶22偶丝23偶丝
24焊点25焊点26补偿线27补偿线
28耐高温绝缘胶29耐高温绝缘胶
30细管31热电偶32偶丝33偶丝
34焊点35焊点36补偿线37补偿线
38耐高温绝缘胶39耐高温绝缘胶40外套管
41焊点42焊点43电热丝44电源线
45电源线46导线47导线48 土壤
请参照图l、图2，本实用新型是一种热脉冲土壤水分传感器，由一号探 针l、 二号探针2、三号探针3、手柄4、接线端子5、采集控制器6组成， 一号探针1、 二号探针2和三号探针3都为管状， 一号探针1、 二号探针2 和三号探针3均固定在手柄4上， 一号探针1和三号探针3等距离的布置在 二号探针2的两边， 一号探针1和三号探针3结构相同。一号探针l由细管10构成，细管10的管腔中设置有一号感温元件，一 号感温元件由热电偶11构成，热电偶11的两根偶丝12、 13分别通过焊点 14、 15与补偿线16、 17连接，补偿线16、 17分别通过耐高温绝缘胶18、 19 固定在细管10的内壁上。
三号探针3由细管30构成，细管30内腔中设置有三号感温元件，三号 感温元件由热电偶31构成，热电偶31的两根偶丝32、 33分别通过焊点34、 35与补偿线36、 37连接，补偿线36、 37分别通过耐高温绝缘胶38、 39固定 在细管30的内壁上。
上述的补偿线16与补偿线36通过焊点41焊接在一起后与手柄4内的导 线8连接，导线8引出后与接线端子5连接。
上述的补偿线17与补偿线37通过焊点42焊接在一起后与手柄4内的导 线9连接，导线9引出后与接线端子5连接。
细管10、 30由不锈钢管制成。
二号探针2由内套管20和外套管40嵌套构成，内套管20的内腔中设置 有二号感温元件，二号感温元件由热电偶21构成，热电偶21的两根偶丝22、 23分别通过焊点24、 25与补偿线26、 27连接。
补偿线26、27分别通过耐高温绝缘胶28、29固定在内套管20的内壁上。 内套管20和外套管40之间的缝隙内设置有电热元件，电热元件为电热丝43， 电热丝43缠绕在内套管20的外壁上。
电热丝43的两端分别与手柄4内的电源线44、 45上，电源线44、 45 引出后与接线端子5连接。接线端子5与采集控制器6上的插口7连接。采 集控制器6的内部结构为现有技术。
内套管20和外套管40由不锈钢管制成。
补偿线26、 27分别与手柄4内的导线46、 47连接，导线46、 47引出后 与接线端子5相连。
请参照图3，使用时，将一号、二号、三号探针1、 2、 3水平或者垂直 插入土壤48中，通过采集控制器6在某一时间给二号探针2施加热脉冲信号， 用二号探针2内的二号感温元件准确测定施加热脉冲的时间，用一号、三号 探针1、 3内的一号、三号感温元件测定土壤温度的变化，通过温度变化波形， 确定温度达到最大值的时间，最后通过已经建立的土壤含水量和时间的关系 公式计算土壤含水量。
本实用新型是一种基于热脉冲、热扩散原理测定土壤水分的传感器。其 计算公式如下在各向同性均质土壤中热扩散方程为
<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
式中F—土壤温度；Z—时间；X,》Z分别为三个坐标轴；土壤热
扩散率，和土壤水分有关，可以表示成^ = /(句，^为土壤含水量。 若热源为线源，沿Z轴方向，这时方程(l)可以变化成弃弃
(2)
若在f=0时加一热脉冲，单位长度的热流量为0。当时，没有热』 输入，这时热量开始从线性热源向外扩散。通过傅里叶变换，可以求得在
时刻，在位置(X,少)处土壤温度K的解析表达式为
4*
exp
化
(3)
式中^为热脉冲后的时间；apW表示;c自然指数。其他符号定义同公式 (1)。
公式(3)显示出，若(？+,)="2为一定值，说明在以线性热源为圆心， 以r为半径的圆上，在^时刻温度均相等，为F。
在半径为r的圆上，温度经历了从小(原始土壤温度)到逐渐增加的过 程，当热源到达r处时温度达到最大值，然后逐渐降低。若r确定，则温度 达到最大值时的时间可通过对公示(3)求导获得。经过计算，温度到达最大 时的时间^为
(4)
公式中r， 4， ；r均为定值，这时可得时间^和土壤热扩散率yt的关系为:
"么丄 4;r "
(5)
通过仪器测量半径为r处土壤温度达到最大时的时间，就可以计算出相 应位置的土壤热扩散率A:。由于土壤热扩散率是土壤含水量的函数。在较小 时段内土壤含水率变化较小，可以认为是一个定值。这时可以根据试验建立
土
(6)
含水量和测定的温度达到最大时的时间,r的关系，艮卩 6 = /("
/(0为函数表达式，可通过试验来确定。
从上面的分析可以得到，只要测定了半径为r处，土壤温度达到最大值 时的时间^，根据试验建立的公式(6)，就可以计算出土壤含水率。
权利要求1.一种热脉冲土壤水分传感器，由一号探针、二号探针、三号探针、手柄和接线端子组成，一号探针、二号探针和三号探针都为管状，其特征是所述一号、二号和三号探针均固定在手柄上，一号和三号探针等距离的布置在二号探针的两边，一号探针和三号探针都由细管构成，一号探针和三号探针的管腔中分别设置有一号感温元件和三号感温元件，二号探针由内套管和外套管嵌套构成，内套管的内腔中设置有二号感温元件，在内套管和外套管之间的缝隙中设置有电热元件，该电热元件与手柄内的电源线连接，电源线引出后与接线端子连接，所述一号、二号、三号感温元件都与手柄内的导线连接，手柄内的导线引出后与接线端子相连。
2. 如权利要求1所述的热脉冲土壤水分传感器，其特征是所述一号感 温元件由热电偶构成，该热电偶的两根偶丝分别通过焊点与两补偿线连接， 该两补偿线与手柄内的导线连接。
3. 如权利要求1所述的热脉冲土壤水分传感器，其特征是所述三号感 温元件由热电偶构成，该热电偶的两根偶丝分别通过焊点与两补偿线连接， 该两补偿线与手柄内的导线连接。
4. 如权利要求1所述的热脉冲土壤水分传感器，其特征是所述电热元 件由电热丝构成，该电热丝缠绕在内套管的外壁上。
5. 如权利要求1所述的热脉冲土壤水分传感器，其特征是所述二号感 温元件由热电偶构成，该热电偶的两根偶丝分别通过焊点与两补偿线连接, 该两补偿线与手柄内的导线连接。
专利摘要一种热脉冲土壤水分传感器，由一号探针、二号探针、三号探针、手柄和接线端子组成，一号探针、二号探针和三号探针都为管状，一号、二号和三号探针均固定在手柄上，一号和三号探针等距离的布置在二号探针的两边，一号探针和三号探针都由细管构成，一号探针和三号探针的管腔中分别设置有一号感温元件和三号感温元件，二号探针由内套管和外套管嵌套构成，内套管的内腔中设置有二号感温元件，在内套管和外套管之间的缝隙中设置有电热元件，该电热元件通过电源线与接线端子连接，各感温元件都与手柄内的导线连接，手柄内的导线引出后与接线端子相连。本产品安装方便，对土壤破坏较小，可定位连续测定，结构简单，可靠性高，灵敏度高，通用性好。
文档编号G01N25/56GK201429578SQ20092010958
公开日2010年3月24日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者刘海军 申请人:北京师范大学