专利名称：称重式蒸渗计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监测农田土壤水分蒸散与渗漏的装置，特别是一种称重式蒸渗计。
背景技术：
农田蒸散量是地表水分平衡中的重要组成部分，在区域和全球水分平衡中具有重要意义。准确测定农田蒸散量是有效利用地表水资源的前提条件之一。蒸渗计(Lysimeter)是根据地表水分平衡原理研制的一种仪器，作为直接测定农田蒸散量的设备，目前在国内外被广泛使用。蒸渗计是根据水量平衡原理设计的一种用来测量农田水分蒸散的仪器，可分为称重式和非称重式两种，参见:朱字玺.美国农业气象和农田蒸散研究[J].气象，1996，22(6):3 — 9。主要用来测试农田土壤水分蒸发和作物蒸腾所散失的总水量及土壤水分渗漏，同时可以监测降雨量，凝结水及沙尘天气的干湿沉降等。国内外称重式蒸渗计按照其测量原理不同，主要可分为机械称量式蒸渗仪、压力传感器称重式蒸渗计、液压式蒸渗计、水力蒸发器等4种类型，参见:杨正明，金一锷.农业气象仪器原理[M].北京:北京农业大学出版社，1989，236 - 246。其共同特点是利用传感器测定盛土容器中因土壤蒸发、作物蒸腾、渗漏、降水或灌溉而引起的土壤水分重量变化。由于蒸渗计自重较大，如采用直接测量，即使是高精度传感器依然无法达到测量精度。平衡抵消蒸渗计的固定重量部分，既“死”负载的方法较多，如:机械杠杆原理、动滑轮原理、液压原理等，但制作工艺复杂，不利于建成后的维护，另外，造价较高，有的甚至占到整个设备造价的50%以上。
发明内容
本发明提供一种称重式蒸渗计。本发明的称重式蒸渗计包括:一个用金属材料制成的内桶和一个置于内桶外的外桶，在外桶之内设置有绝热材料，在内桶内充填有与被监测地相同土质土壤，土壤的上表面与内桶的上边缘间留有一个防水沿，在内桶的土壤内分别安放有水分、温度和热通量传感器，传感器的检测信号输出线与设置于外桶外的信号采集控制器相连。在外桶下底之上与内桶的下底之下设置有三个用于支撑内桶及其内土壤固定质量的压缩弹簧和用于检测出内桶及其内土壤固定质量的变量的压力传感器。本发明的称重式蒸渗计，在内桶内设置有至少一套水分、温度和热通量传感器，且每套水分、温度和热通量传感器设置于同一高度的平面上。本发明的称重式蒸渗计，在桶内土柱下的反滤层设置有由若干根多孔陶瓷管呈放射状布置构成的补水装置，补水装置的供水管与水泵相连。本发明的称重式蒸渗计中连通补水装置的供水管的水泵通过检测水分、温度和热通量传感器的信号采集控制器进行控制。
本发明中3个称重传感器采用并联连接，通过补偿接线盒与数据采集器相连接，以减少传感器灵敏度不一致引起的误差。由于土桶的重量变化，引起传感器应力变化产生微伏级的电压信号，再经屏蔽传输电缆送往前置放大器进行放大滤波，又经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号，由计算机数据采集软件采集此数字信号进行量化，并保存。本发明的如下优点:1、本发明的蒸渗计由于采用了强力弹簧预先抵消了蒸渗计的固定重量部分，既“死”负载，然后用灵敏度较高的称重传感器测量其“活”负载的重量变化，再通过数据采集器把测得的重量变化值转化为与水面蒸发和降水量对应的高度变化值。因此有较高的测量精度和灵敏度。2、因本发明采用了内外桶双层设计，并且在外桶内壁上设置有绝热材料，减少了桶内土壤与周围空气之间的热量侧向交换，使桶内土壤的热状况与被监测处的周围大田的情况相一致，提高了检测的代表性。3、本发明在内桶内采用了在不同高度的平面上设置多套土壤湿度、温度和热通量传感器的结构，可以实时监测桶内外土壤水分、温度和热通量的差异，用于定量分析它们之间的差异，使整个系统的检测更具有代表性。4、本发明在桶内土柱下的反滤层设置有由若干根多孔陶瓷管呈放射状布置构成的补水装置，补水装置的供水管与双向水泵相连，如此形成本发明的水分平衡系统，这一系统可以根据土桶和周围大田之间的土壤水分差异自动给原状土补充和抽取水分，确保原状土与周围大田的土壤水分保持一致，保证所测蒸散量的代表性。5、本发明在桶内土柱下的反滤层设置有由若干根多孔陶瓷管呈放射状布置构成的补水装置，补水装置的供水管与双向水泵相连，如此形成本发明的水分平衡系统，这一系统可以根据土桶和周围大田之间的土壤水分差异自动给原状土补充和抽取水分，确保原状土与周围大田的土壤水分保持一致，保证所测蒸散量的代表性。6、本发明可用系统软件集设备自动控制、数据自动采集、多要素图形动画动态显示、数据自动存储和后期处理等功能于一体，数据实时采集，实时生成采集文件并无线传输，提升了蒸渗计设备的自动观测水平。本发明可用系统软件集设备自动控制、数据自动采集、多要素图形动画动态显示、数据自动存储和后期处理等功能于一体，数据实时采集，实时生成采集文件并无线传输，提升了蒸渗计设备的自动观测水平。
附图1为本发明的结构示意图，附图2为本发明的由若干根多孔陶瓷管呈放射状布置构成的补水装置示意图。图中:1 一弹簧，2—压力传感器，3—温度传感器，4一湿度传感器，5—补水陶瓷管，6-双向水泵，7-流量计，8-采集控制器，9采集控制线路，10-补水容器，11一水管，12—桶，13另外一层设置的检测传感器，14一隔离墙。
具体实施例方式本发明以下结合
。本发明的蒸渗计的桶12为圆形，其具体实施例中有两种，一种的有效蒸散面积为2m2，另一种的有效蒸散面积为4m2。在桶12内放置土壤，在桶内所形成的土柱深度分别为2m和2.5m。为了尽可能减小桶12内外侧向热交换的影响，桶12采用内外两层的钢桶，在本发明的实例中其内钢桶采用5mm厚的不锈钢板，外钢桶采用2mm厚的普通钢板，在内外桶之间填充有绝热材料，用于阻止桶内外侧向热交换。桶内土柱为原状土，原状土应与监测点周围大田土壤成份保持一致。土柱下设置35cm厚的反滤层。反滤层由粗沙和砾石组成，钢桶上沿高出土柱表面约10cm，形成防水沿。在土桶和大田中分层安装土壤水分传感器4、温度传感器传感器3和热通量等传感器(图1中未表示)，用于实时监测桶内外土壤水分、温度、热通量的变化。在土柱与反滤层粗沙的接触部分安装了自动补(抽)水装置，这一自动补(抽)水装置由若干根多孔陶瓷管呈放射状布置构成，参见附图2，自动补(抽)水装置可以根据土桶与周围大田土壤水分的差异自动补充和抽取水分，以确保土桶内水分与周围大田保持一致。本发明的桶12的下方用三个性能一致的强力弹簧I支撑桶12及其内的土柱的总“静”质量(即固定重量部分，也就是支撑桶12及其内的土柱的“死”载荷)，同时在悬臂梁上设置由高精度压力传感 器2和支架组成的重力传感系统，用重力传感系统检测出支撑桶12及其内的土柱的总质量的改变量，而这一改变量正是由土柱中水分质量的变化量。本发明的土壤水分、土壤温度、土壤热通量，以及支撑桶12及其内的土柱的总质量的改变量均通过相应的传感器检测出来，并通过数据通信电缆线路9连接至数据采集器8中，所有采集的数据通过的数据处理软件进行处理，再通过数据采集器8将测得的重量变化值转化为与水面蒸发和降水量对应的高度变化值同时进行相关的控制，如启动双向水泵补水或抽水作业。在本发明中3个称重传感器采用并联连接，通过补偿接线盒与数据采集器相连接，以减少传感器灵敏度不一致引起的误差。由于土桶的重量变化，引起传感器应力变化产生微伏级的电压信号，再经屏蔽传输电缆送往前置放大器进行放大滤波，又经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号，由计算机数据采集软件采集此数字信号进行量化，并保存。由于蒸渗计与周围大田在物理上相互隔离，其土桶重量变化值即为蒸散量、或降水量、渗漏量等要素。具体计算利用地表水平衡方程式:AS=P+I+Q-AR-ET (1)式中:Λ S—土壤湿度(土壤蓄存水量)变化量(mm)、P—降水量(mm)、I一灌溉量(mm)、Q—地下补水或渗漏量(mm)、AR一地表径流量(mm)、ET—蒸散量(mm)。对于蒸渗计，Λ R可忽略，方程(I)可改写为下式:ET=P+I+Q-AS(2)(2)式中，降雨量有自动雨量站测量,灌溉量有人为控制,渗漏量和补水量、土壤湿度变化量通过蒸渗计测得，由此可获得蒸散量。水分平衡系统可以根据土桶和周围大田之间的土壤水分差异自动给原状土补充和抽取水分，确保原状土与周围大田的土壤水分保持一致，保证所测蒸散量的代表性。本发明在桶内和大田相同高度上分层布设了土壤湿度、温度、热通量等多要素监测传感器，可以实时监测桶内外土壤水分、温度和热通量的差异，可用于定量分析不同高度
层的差异。
权利要求
1.重式蒸渗计，其特征是包括:一个用金属材料制成的内桶和一个置于内桶外的外桶，在外桶之内设置有绝热材料，在内桶内充填有与被检测地相同土质土壤形成土柱，土柱的上表面与内桶的上边缘间留有一个防水沿，土柱下设置35cm厚的由粗沙和砾石组成反滤层，在内桶的土壤内分别安放有土壤湿度、温度和热通量传感器，传感器的检测信号输出线与设置于外桶外的信号采集控制器相连。在外桶下底之上与内桶的下底之下设置有三个用于支撑内桶及其内土壤固定质量的压缩弹簧和用于检测出内桶及其内土壤固定质量的变量的压力传感器。
2.根据权利要求1所述的称重式蒸渗计，其特征是在内桶内设置有至少一套水分、温度和热通量传感器，且每套水分、温度和热通量传感器设置于同一高度的平面上。
3.根据权利要求1或2所述的称重式蒸渗计，其特征是在桶内土柱下的反滤层设置有由若干根多孔陶瓷管呈放射状布置构成的补水装置，补水装置的供水管与双向水泵相连。
4.根据权利要求3所述的称重式蒸渗计，其特征在于连通补水装置的供水管的水泵通过检测水分、温度和热通量传感器的信号采集控制器进行控制。
全文摘要
本发明涉及一种用于监检测土壤中水分蒸腾与渗漏的称重式蒸渗计。本发明的称重式蒸渗计包括一个用金属材料制成的内桶和一个置于内桶外的外桶，在外桶之内设置有绝热材料，在内桶内充填有与被监测地相同土质土壤，土壤的上表面与内桶的上边缘间留有一个防水沿，在内桶的土壤内分别安放有水分、温度和热通量传感器，传感器的检测信号输出线与设置于外桶外的信号采集控制器相连。在外桶下底之上与内桶的下底之下设置有三个用于支撑内桶及其内土壤固定质量的压缩弹簧和用于检测出内桶及其内土壤固定质量的变量的压力传感器。本发明可实时检测补监测处土壤水分、温度和热通量的差异，用于定量分析它们之间的差异，使整个系统的检测更具有代表性。
文档编号G01N5/04GK103091197SQ20131001427
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者杨兴国, 张旭东, 李晓峰, 孔令旺, 党选发, 马鹏里, 杨启国, 柯晓新, 徐国昌, 闫敬泽, 陈尚德, 林日暖 申请人:甘肃省气象局