专利名称：一种土壤蒸发信息获取装置和方法
技术领域：
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种土壤蒸发信息获取装置和方法。
背景技术：
土壤蒸发(soil evaporation)是指土壤中的水分通过上升和汽化从土壤表面进入大气的过程，是土壤表面由湿变干的过程。土壤蒸发影响土壤含水量的变化，是水文循环的一个重要环节。影响土壤蒸发的因素有土壤和气象因素。土壤因素是内在因素，是决定蒸发发展的根本原因，主要与土壤的结构和土壤水分含量有关。气象因素是外部因素，是决定蒸发变化的条件。而土壤蒸发量是指在一定时段内，水分经蒸发而散布到空中的量。通常用蒸发掉的水层厚度的毫米数表示。确定土壤蒸发量的方法有器测法和分析计算法等，前者就是通过土壤蒸发仪器来进行量测土壤蒸发的大小，而后者一般是通过数学模型和经验公式等方法测定，如模型可由热量平衡原理建立方程，平衡方程由净辐射通量、土壤吸收热通量、感热通量和蒸发热通量组成，通过计算可得土壤蒸发率。此外，也有根据水量平衡和土壤水运动理论，考虑等温或非等温条件推出的数学模型、经验公式或图解曲线法等推求土壤蒸发量。经验公式具有地区性，必需检验其适应情况后，才可应用。目前器测法测量土壤蒸发常用土壤蒸发器或蒸渗仪直接测定。主要有两类一类是称重式，有机械称重、水力称重和电子秤称重等。其优点是得出的数据较精确；另一类为体积量水式。还有一类是利用超声波原理观测土壤中水分变化，进而测量出土壤蒸发，但其缺点是由于土壤介质的多样性，进而造成测量精度不高。在第一类的称重式仪器中又可分为整块式与充填式两种。前者在器内装整块原状土，最早在1870年开始采用整块土壤蒸发器并配有称重装置。而后者在器内充填均勻的土壤或沙土混合物。二十世纪五十年代，水力式土壤蒸发器问世，大大地提高了观测的精度。 水力式蒸发器是以静水浮力称重原理为基础的一种测量土壤蒸发的仪器。蒸发器中土壤的原重以外界液体的静水压力来衡量，而由蒸发、凝结或降水等所引起的土块重量变化，则以观测土块垂直位移的方法来确定。水力式土壤蒸发器，精度高，并易直接测定短时段的蒸发量，但造价昂贵，目前尚难普遍推广，这其中就有大型称重式蒸渗仪，仪器要求很大，且一般需要做地下观测室，对土壤原始环境破坏较大，代表性差，属于大型装备，安装需要大量土方工程，而且难以移动。再后来，又发展出电子秤称重，使得量测结果更加精确，且结果便捷直观。而第二类的体积量水式，属于不称重法。通过量测各种加水量、排水量等来计算土壤蒸发量。这其中也有大型蒸渗仪采用非称重式，它是通过设定一个潜水位，假设潜水位以上土壤蓄水量不变，则测定潜水消耗量，便可知土壤蒸发量。仪器本身要求要大，而且一般也要准备地下室以测量土壤渗水量，在室外周围安装许多蒸发筒，用连接管与地下盛水器连接，盛水器内水位不变，通过水多自溢水少自补来测定渗水量和蒸发量。也有专利提出去掉地下水室，用溢流筒承接土壤渗水，降低了造价。但是目前还没有一种土壤蒸发仪器能以信息传感器的形式存在，因而难以与当前的各类数据采集器相连接，也就难以与各类生态定位观测设备、气象站观测设备实现通联
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发明内容
本发明的目的在于提出一种土壤蒸发信息获取装置和方法，能够实现通过数据采集器的自动数据采集来进行不间断连续的土壤蒸发量的观测，且可以实现与其它气象因子等的同步观测，有利于生态学上的水热研究。为达此目的，本发明采用以下技术方案一种土壤蒸发信息获取装置，包括容量筒、蒸发筒、称重传感器、信号线和电缆线， 容量筒和蒸发筒都是上部开口的筒，称重传感器水平位于容量筒的内部底部，蒸发筒位于容量筒的内部以及称重传感器之上，信号线和电缆线位于蒸发筒与容量筒之间的间隙，信号线的一端和电缆线的一端分别与称重传感器连接，信号线的另一端和电缆线的另一端引出到容量筒之外。还包括电源稳压滤波整形模块，电缆线引出容量筒之外的一端与电源稳压滤波整形模块连接。还包括防护圈，防护圈位于蒸发筒的顶部与容量筒的顶部之间的间隙处。容量筒和蒸发筒都是不锈钢圆筒。容量筒直径；34厘米，高度；34厘米。蒸发筒直径四厘米，高度28厘米。称重传感器包括弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆，电阻应变片贴在弹性元件上，测量电路一端与电阻应变片连接，测量电路的另一端与传输电缆连接。一种土壤蒸发信息获取方法，包括以下步骤A、将容量筒埋入土层内，筒口与地面水平；B、在蒸发筒中装入土壤柱，将蒸发筒放置在称重传感器上；C、称重传感器安装在上下两块铝合金平板上作为称重底盘，水平安装在容量筒内部，保持称重底盘水平放置；D、称重传感器通过信号线与数据采集器端口连接，在数据采集器中设置土壤蒸发量因子参数，并设置数据采集时间间隔；E、连续测量蒸发筒里土壤柱重量变化，重量变化数据存储于数据采集器内。还包括以下步骤通过所述重量变化数据获取土壤蒸发量变化，即根据水分密度换算成水分高度的变化。还包括以下步骤称重传感器、电源稳压滤波整形模块和外部电源系统通过电缆线串联，给称重传感器提供电源。采用了本发明的技术方案，由于设计了容量筒，可以长期埋于野外，而不必局限于实验室内，并且该土壤蒸发信息获取装置能实现数据的连续采集，可自动记录存储入数据采集器；该土壤蒸发信息获取装置使用范围很广，可在干旱环境区，如沙漠地区使用，对于农田蒸发、森林蒸发更可满足精度要求；该土壤蒸发信息获取装置造价低、安装观测方便、 使用寿命长，对土壤环境的破坏不大，制作简单，使用方便。
图1是本发明具体实施方式
中土壤蒸发信息获取装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图并通过具体实施方式
来进一步说明本发明的技术方案。图1是本发明具体实施方式
中土壤蒸发信息获取装置的结构示意图。如图1所示， 该土壤蒸发信息获取装置包括容量筒1、蒸发筒2、称重传感器3、电源稳压滤波整形模块7、 防护圈8、信号线6和电缆线5，容量筒和蒸发筒都是上部开口的不锈钢圆筒，称重传感器通过其称重底盘4水平位于容量筒的内部底部，蒸发筒位于容量筒的内部以及称重传感器之上，信号线和电缆线位于蒸发筒与容量筒之间的间隙，信号线的一端和电缆线的一端分别与称重传感器连接，信号线的另一端和电缆线的另一端引出到容量筒之外，电缆线引出容量筒之外的一端与电源稳压滤波整形模块连接，防护圈位于蒸发筒的顶部与容量筒的顶部之间的间隙处。称重传感器包括弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆，电阻应变片贴在弹性元件上，测量电路一端与电阻应变片连接，测量电路的另一端与传输电缆连接。该土壤蒸发信息获取装置在安装时将容量筒埋入土层内，筒口与地面水平。在蒸发筒中装入一定量的土壤柱，将蒸发筒放置在称重传感器上。称重传感器采用铝合金结构， 安装在上下两块铝合金平板上作为称重底盘，水平安装在容量筒内部，保持称重底盘水平放置。将称重传感器通过电缆线首先连接到电源稳压滤波整形模块，电源稳压滤波整形模块可以安装在数采机箱内部，然后再从电源稳压滤波整形模块引出连接到外部电源系统， 能够给称重传感器提供电源。将称重传感器通过信号线与数据采集器端口连接。在数据采集器软件中设置土壤蒸发量因子参数，并自由设置数据采集时间间隔。在仪器安装完毕后， 可以进行连续测量蒸发筒里土壤柱重量变化，重量变化数据存储于数据采集器内。用户随后可将这些重量变化数据进行后处理，即根据水分密度换算成水分高度(土壤蒸发量)的变化。也可将这种数据转换过程直接在数据采集器的软件程序中设置，使数据采集器直接存储显示表示土壤蒸发量的水分高度变化数据。需要注意的是，该土壤蒸发信息获取装置设置在露天空旷平坦地方，并能终日受到阳光照射，调好水平，底座固定好，观测前装入土壤柱即可测量。可以进行连续测量土柱重量变化，进而得出土壤蒸发量的变化。下面描述土壤蒸发信息获取装置的具体使用方法。土壤蒸发信息获取装置的容量筒直径为34cm，高度为34cm，安装时首先在安装地挖一个容量筒大小的坑，将挖出的原状土装入蒸发筒内，蒸发筒直径为^cm,高为28cm，土柱的高度离筒口 3cm，其次将容量筒埋入挖好的坑内，筒口高出水平地面3cm，使外部水平地面与蒸发筒内土体处于一个水平面。然后将称重传感器放置在容量筒内底部，用水平仪调平称重传感器上护板。将蒸发筒放置在称重传感器上。在蒸发筒的筒口边缘有一个防护
5圈，可以防止外部东西进入蒸发筒与容量筒之间，同时还可有效减少横向风阻，以免影响称重传感器的称重精度。称重传感器采用铝合金结构，安装在两块铝合金平板上作为称重底盘。水平安装在容量筒内部，保持称重底盘水平放置。称重传感器的精度高，可以进行连续测量蒸发筒里土壤柱重量变化，再根据水分密度计算出水分高度的变化。称重传感器是将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。其是利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作进行称重。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆四部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后才能以数字形式显示出蒸发筒内土壤的质量。其信号处理过程如下称重传感器加载直流12伏作为供电电压，通过电源稳压滤波整形模块后精确输出直流 2. 5伏加载到传感器输入端上。之后经过上述传感器内部电路运作。然后经信号输出端输出信号，信号量程为DC 0 2. 5V。然后把输出的电压信号经放大后传送给A/D转换器，A/D 转换器将该模拟信号转换为数字信号，单片机再对其转换后的结果进行滤波、量化等处理。 处理后的结果送给数据采集器进行处理，最终在液晶显示器进行显示，同时将该处理结果保存在外接的数据存储器中；最后，可通过；连接的数据采集器上的RS232通讯接口或USB 端口或其它端口将数据存储器中的数值传输给PC机，进行进一步的数据处理。另外，称重传感器的称重过程可以进行进一步标定加载可知的准确重量砝码 (5g、10g、500g、10Kg、20Kg、40Kg)进行标定，确定电压与重量的关系。这样在信号输出给数据采集器时，可以将电压信号输出显示存储成重量值。最后，测定的土壤柱重量变化，根据水分密度计算出水分高度的变化，即为土壤蒸发量。如容器内有雨水降入时，应在观测记录时减去降雨量得出该次实际蒸发量。该土壤蒸发信息获取装置的功能及特点是测量精度高，性能稳定，线性度好，安装方便，操作简单，不锈钢材质，不起锈，保证本装置使用寿命，在有风和降雨气候条件下也能正常测量，不失准确度，结构设计合理，外观质量佳，其容量筒和蒸发筒都有提手，方便使用者搬运。输出信号大，抗干扰能力强，传输距离远，信噪比高；通过数字补偿电路和数字补偿工艺，可进行线性、滞后、蠕变等补偿，改善了性能；输出信号规格化；内装温度传感器，通过补偿软件可进行实时温度补偿，稳定性好；结冰环境下均可测量，系统解决了使用超声波原理测量不准确的问题。能较好地反映测定环境时段内的蒸发变化情况，是一种比较方便实用的测定蒸发的仪器。总之，土壤蒸发信息获取装置是用于测量土壤蒸发量的仪器，适用于气象、植物及种子培养单位、农林业研究机构等部门。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种土壤蒸发信息获取装置，其特征在于，包括容量筒、蒸发筒、称重传感器、信号线和电缆线，容量筒和蒸发筒都是上部开口的筒，称重传感器水平位于容量筒的内部底部，蒸发筒位于容量筒的内部以及称重传感器之上，信号线和电缆线位于蒸发筒与容量筒之间的间隙，信号线的一端和电缆线的一端分别与称重传感器连接，信号线的另一端和电缆线的另一端引出到容量筒之外。
2.根据权利要求1所述的一种土壤蒸发信息获取装置，其特征在于，还包括电源稳压滤波整形模块，电缆线引出容量筒之外的一端与电源稳压滤波整形模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种土壤蒸发信息获取装置，其特征在于，还包括防护圈，防护圈位于蒸发筒的顶部与容量筒的顶部之间的间隙处。
4.根据权利要求1所述的一种土壤蒸发信息获取装置，其特征在于，容量筒和蒸发筒都是不锈钢圆筒。
5.根据权利要求1所述的一种土壤蒸发信息获取装置，其特征在于，容量筒直径34厘米，高度；34厘米。
6.根据权利要求1所述的一种土壤蒸发信息获取装置，其特征在于，蒸发筒直径四厘米，高度28厘米。
7.根据权利要求1所述的一种土壤蒸发信息获取装置，其特征在于，称重传感器包括弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆，电阻应变片贴在弹性元件上，测量电路一端与电阻应变片连接，测量电路的另一端与传输电缆连接。
8.一种土壤蒸发信息获取方法，其特征在于，包括以下步骤A、将容量筒埋入土层内，筒口与地面水平；B、在蒸发筒中装入土壤柱，将蒸发筒放置在称重传感器上；C、称重传感器安装在上下两块铝合金平板上作为称重底盘，水平安装在容量筒内部， 保持称重底盘水平放置；D、称重传感器通过信号线与数据采集器端口连接，在数据采集器中设置土壤蒸发量因子参数，并设置数据采集时间间隔；E、连续测量蒸发筒里土壤柱重量变化，重量变化数据存储于数据采集器内。
9.根据权利要求8所述的一种土壤蒸发信息获取方法，其特征在于，还包括以下步骤 通过所述重量变化数据获取土壤蒸发量变化，即根据水分密度换算成水分高度的变化。
10.根据权利要求8所述的一种土壤蒸发信息获取方法，其特征在于，还包括以下步骤称重传感器、电源稳压滤波整形模块和外部电源系统通过电缆线串联，给称重传感器提供电源。
全文摘要
本发明公开了一种土壤蒸发信息获取装置和方法，容量筒和蒸发筒都是上部开口的筒，称重传感器水平位于容量筒的内部底部，蒸发筒位于容量筒的内部以及称重传感器之上，信号线和电缆线位于蒸发筒与容量筒之间的间隙，信号线的一端和电缆线的一端分别与称重传感器连接，信号线的另一端和电缆线的另一端引出到容量筒之外。采用了本发明的技术方案，能够实现通过数据采集器的自动数据采集来进行不间断连续的土壤蒸发量的观测，且可以实现与其它气象因子等的同步观测，有利于生态学上的水热研究。
文档编号G01N5/04GK102478476SQ20101055814
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者施生锦, 李清河 申请人:中国林业科学研究院林业研究所