农田多路张力计土壤水势动态采集仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种农田多路张力计土壤水势动态采集仪，主机内置有水势变送器、单片机控制板、锂电池蓄电瓶充电器，主机的前面板设有显示器、充电灯、充电开关、232口、操作按钮、主机开关，主机后面板设有多路插头座，主机内单片机控制板分别与主机开关连通，蓄电池与单片机控制板连通，多路插头座与探头护套线连通；探头护套线装有水分感湿探头和水分变送器，并与插入多路插头座的多路信号线连接；232口通过USB转232线与笔记本电脑连接。本发明采用了太阳能硅电池向锂电蓄电池供电，解决了野外无交流电的情况下也能正常工作。本发明路数多，体积小，智能化强，操作简单，可适用于农田，主根群区和无灌溉设施的草地和果园的水分变化观测和监测。
【专利说明】农田多路张力计土壤水势动态采集仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种监测农田多路张力计土壤水势的仪器。
【背景技术】
[0002] [0002]农田土壤水势含水量与土壤水的流动以及对植物的成活和生长紧密相 关，是重要的土壤特性指标之一。在测定土壤水势含水量时，多采用传统的土钻供干法。由 于测定土壤质地复杂，取土十分困难，造成工作量大，时间长，加之采取沙样的过程中，测点 变动，土壤水分空间变异性带来的测定误差，不能满足野外定点连续测定农田土壤水势动 态变化的要求。其次，由于农田用土钻法破坏农田作物面积大，如对较多的观测点进行同步 连续观测，若采用土钻法进行测量，这样测得的水分结构将会有很大的失真误差或使数据 处理复杂。
【发明内容】
[0003] 为了更好地掌握农田土壤水势、水分动态变化过程，本发明的目的在于提供一种 农田多路张力计土壤水势动态监测仪。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现： 一种农田多路张力计土壤水势动态采集仪，主要是由水势感湿探头、水势压力传导塑 料软管、加水软管、集气室、2 #橡胶堵头和1 #橡胶堵头、气室密封帽、负压传导进气软管、 排气开关、压力传感器、4芯信号线和单片机采集仪主机组成。水势感湿探头分别连接加 水软管和水势压力传导塑料软管，加水软管端部塞有2 #橡胶堵头，水势压力传导塑料软 管连接集气室，集气室塞有1 #橡胶堵头，气室密封帽旋紧集气室；集气室与负压传导进气 软管通过排气开关连接压力传感器，压力传感器通过4芯信号线与后面板设有的多路插头 座连接单片机采集仪主机，单片机采集仪主机内置有水势变送器、单片机控制板和全密封 锂电池，单片机采集仪主机前面板设有液晶显示器、主机开关、232 口和太阳能充电开关； 单片机采集仪主机内单片机控制板分别与主机开关连通，全密封锂电池与单片机控制板连 通，太阳能电池与全密封锂电池连接，由太阳能充电开关控制；通过电源线与单片机控制板 连通，232 口通过USB转232线与笔记本电脑连接。
[0005] 上述水势感湿探头是有多孔陶土管头，与水势压力传导塑料软管、加水软管、集气 室与负压传导进气软管并用树脂连接组合而成。
[0006] 本发明的优点和产生的有益效果是： 1、本发明采用了先进的微机单片机，C0MS集成数字电路技术，利用单片机将数据储存、 处理、计算、显示、还采用了太阳能硅电池向蓄电池供电，解决了野外无交流电的情况下也 能正常工作，使仪器可靠性，抗干扰性得到提高。本仪器路数多，体积小，智能化强，操作简 单，连续采集沙地水分只需一人完成全部测量工作，无需观测人员在现场就可以按序置功 能自动采集，有2、本发明选用了水势压力传导塑料软管、加水软管、集气室，容易除气，方便 更换陶土管里的水；软管埋设可远离测点进行观测，避免了水沿硬管壁快利于加速农田土 壤水势、水分资料的积累过程，可以获得农田水分的细微变化，没有严重的滞湿现象，便于 农田水分运动、入渗峰面移动等现象的研究，更重要的是它能实时动态监测农田农作物需 水情况，为农业人员提供大量的、准确的观测作物水分资料，大大缩短和减轻农业人员对一 些问题的实验研究周期，可以使研究人员在尽可能短的时间内用最少的人力、物力取得较 快的、较好的科研成果，使农作物的到节水高产。
[0007] 速入渗和人为破坏测点环境的影响；采用陶土管它具有不氧化、不变质、滞湿现象 小，灵敏度高等特点。长期埋在土壤里，内壁如有污垢不需要挖出即可清洗；使用方便，可定 点定位连续测定，可作为提取土壤溶液测头，为灌溉、作物生长提供必要的科学数据。
[0008] 3、本发明电源通过硅太阳能供电给免维护蓄电池。免维护蓄电瓶特点是：i、内 部无流动液体，任何方位放置均不影响仪器使用；?、整个使用期间无需补水补酸等维护工 作，电瓶外表干净不会受潮；iii、充电过程中所产生的气体能被特殊负极吸收，无须担心对 仪器设备的腐蚀及污染，；iv、使用寿命长，容量大，具有极低的内部自放电特性，能够给出 稳定的大电流放电电压。可见蓄电瓶都具有优良的性能与硅太阳能电池配合时更能显示出 其之优越性，两者结合起来就可以构成适合野外用的电源装置。
[0009] 4、本发明根据实测资料找出土壤含水率与土壤水张力的关系式，有了这个关系式 便可根据观测的土壤水张力随时得知相应的土壤含水率，依据试验得到的土壤水张力指标 就可指导农田灌溉，条件许可时，还可根据土壤水张力指标自动控制灌溉。为作物生长提供 必要的科学数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明示意图。
【具体实施方式】
[0011] -种农田多路张力计土壤水势动态采集仪，主要是由水势感湿探头1、水势压力传 导塑料软管2、加水软管3、集气室4、2 #橡胶堵头11和1 #橡胶堵头6、气室密封帽5、负 压传导进气软管7、排气开关8、压力传感器9、4芯信号线10和单片机采集仪主机12组成， 其特征是水势感湿探头1分别连接加水软管3和水势压力传导塑料软管2,加水软管3端 部塞有2 #橡胶堵头11，水势压力传导塑料软管2连接集气室4,集气室4塞有1 #橡胶堵 头，气室密封帽5旋紧集气室4 ;集气室4与负压传导进气软管7通过排气开关8连接压力 传感器9,压力传感器9通过4芯信号线10与后面板21设有的多路插头座22连接单片机 采集仪主机12,单片机采集仪主机12内置有水势变送器13、单片机控制板14和全密封锂 电池24,单片机采集仪主机12前面板15设有液晶显示器16、主机开关17、232 口 18、太阳 能充电开关19 ;单片机采集仪主机12内单片机控制板14分别与主机开关17连通，全密封 锂电池24与单片机控制板14连通，太阳能电池23与全密封锂电池24连接，由太阳能充电 开关19控制；通过电源线20与单片机控制板14连通，232 口 18通过USB转232线25与 笔记本电脑26连接。
[0012] 下面就农田多路张力计土壤水势动态采集仪分述如下： 一、供电装置 仪器设置在野外农田观测现场，一般地只能用直流电供电，要使仪器在野外长期可靠 地工作，选择合适的电源装置就显得十分重要，必须有一个稳定的电源装置，本发明采用硅 太阳能组合电池一免维护微型全密封锂电池24作为供电装置。
[0013] 本发明的负载只由全密封锂电池24供给主机电流，随着负载不断消耗电流，全密 封锂电池24的电压逐渐降低，白天太阳出来时，硅太阳能电池板通过充电器以小电流向全 密封锂电池24充电，而当电瓶的容量充足时，充电器断开，这样可以防止充电过量，延长全 密封锂电池24的使用寿命，这种工作方法的供电装置给出的电压稳定，并且不会因充电过 分而影响全密封锂电池24的使用寿命。
[0014] 二、测量方法 土壤水势感湿探头1埋设的深度分别为l〇cm，20cm、40cm、60cm、80cm、100cm、120cm、 140cm。根据作物的种类和田间的农作物根系深度和农田水分状态，水势感湿探头1可垂直 分布或水平分布，在不同深度尽量多选一些测定点。
[0015] 土壤水势感湿探头1 (多孔陶土管）是仪器的感应部件。先将集气室4与负压传 导进气软管7的连接处的排气开关8关闭，然后由加水管3加水，直至水势压力传导塑料软 管2和集气室4水满后，用2 #橡胶堵头11塞住加水软管3，1 #橡胶堵头6塞住集气室4， 并用气室密封帽5旋紧集气室4。集气室4 口塞紧，不能漏气，最后再打开排气开关8即安 装调试完毕。土壤水势感湿探头1与土壤水连接，产生水力上的导通。由土壤水势感湿探 头1吸力值通过压力传感器9转换成输出(T5V的直流电压信号给单片机（80C31)，通过单 片机控制，再由单片机将公式进行处理计算推求出含水量，便可得出沙地不同深度，不同点 含水量的值。232 口 18通过USB转232线25连接到笔记本电脑26操作农田多路张力计土 壤水势的仪器，读取下载、进行数据存储显示。当陶土管1内的水势与土壤中的水势不相等 时，土壤中水便由水势高处向水势低处流动，直至两个系统的水势平衡为止。平衡后由单片 机采集仪主机12显示读数值就是当时的土壤水势。通过测量土壤水势绝对值的大小，便可 以较精确的测量计算出土壤含水量。
[0016] 本发明根据土壤水分多少对土壤溶液的分布有着密切关系，测定土壤水分分布， 判断土壤水分状态，即：同一深度土壤，土壤吸水力愈大，土壤水势绝对值愈高，土壤含水量 愈少；土壤吸水力愈小，土壤水势绝对值愈小，土壤含水量愈多。所以，本发明显示的吸水力 数值同样反映了土壤中水分变化的情况。为了观测推算显示土壤水分，需要建立土壤含水 量与土壤水分吸力关系曲线，即称为土壤水分特征曲线。土壤含水量（％)与吸力之间存在 着关系可由下式定性表示：P=F (H)式中：P-土壤水分值；F -函数；Η-土壤水吸力常数。
[0017] 由式中可知，土壤水分值Ρ只与土壤水吸力有关，随着水分的增加土壤水势绝对 值愈小；土壤吸水力愈大，土壤水势绝对值愈高，土壤含水量愈少。
[0018] 三、多路转换模拟开关电路 多路转换模拟开关电路由逻辑电平转换电路、地址译码电路、开关通道三部分组成。它 由32个继电器组成的多路选择开关结构。然后经多路开关分时传输，取样/保持电路保持， 再经转化成二进制数字量，最后送到微机进行处理或运算，在对所需的部件加以控制。
[0019] 四、单片机系统 以80C31为CPU，选高速C0MS器件组成，控制测量、运算处理、地址锁存和程序电路。显 示用12位液晶显示年、月、日、时、分；前两位显路数，后四位显水分值，小数点两位。存储用 一片EPR0M27C512,以便水分资料整理、整编工作。设计有手动开关，保证仪器能在不同的条 件下都能正常工作。
[0020] 五、水势感湿探头（陶土管）的埋没 根据作物的种类和田间的土壤水分状态，水势感湿探头1 (陶土管）适用于易于湿润的 土壤，主根群区，和灌溉设施的草地和果园地等的水分变化观测。
[0021] 在埋设时，尽量不要触动周围的土壤结构，水势感湿探头1 (陶土管)埋设深度根据 测量需要而设。用手提式土钻钻孔埋设，埋设前，先将水势感湿探头1侵泡在水中，排除水 势感湿探头1空隙的空气；埋设地点确定后，在打孔时，软管的孔径略小于水势感湿探头1 的直径；打孔后取出的土搅成泥浆，作为埋设水势感湿探头1的孔中灌浆，待泥浆沉集后再 填土，填土要仔细，埋设深层陶土管时，填土要分层，并注入水，使松散土体沉实。各器件连 接处要保证接牢、密封，以防漏气。在埋设水势感湿探头1时，注意将水势感湿探头1的排 气管出口处向上方，有利于排气。集气室4与水势压力传导塑料软管2连接，使水势感湿探 头1与水势压力传导塑料软管2内产生的气体能自动升至集气室4。组装好的张力计水势 感湿探头1深入预定深度后，再把泥浆灌注入孔中，安装好的水势感湿探头1，往加水软管3 要注入的水为蒸馏水或煮沸约5分钟之后的冷却水， 留在地面上的导线末端，应尽量每路集中于一个插头上，以提高工作效率。可以在地的 旁边用木料或塑料管搭一架子，将导线的插头排列放好，然后，在观测时可在架子上放设仪 器观测记录。
【权利要求】
1. 一种农田多路张力计土壤水势动态采集仪，主要是由水势感湿探头（1)、水势压力 传导塑料软管（2)、加水软管（3)、集气室（4)、2 #橡胶堵头（11)和1 #橡胶堵头（6)、气室 密封帽（5)、负压传导进气软管（7)、排气开关（8)、压力传感器（9)、4芯信号线（10)和单片 机采集仪主机（12)组成，其特征是水势感湿探头（1)分别连接加水软管（3)和水势压力传 导塑料软管（2)，加水软管（3)端部塞有2 #橡胶堵头（11)，水势压力传导塑料软管（2)连 接集气室（4)，集气室（4)塞有1 #橡胶堵头（6)，气室密封帽（5)旋紧集气室（4);集气室 (4)与负压传导进气软管（7)通过排气开关（8)连接压力传感器（9)，压力传感器（9)通过4 芯信号线（10)与后面板（21)设有的多路插头座（22)连接单片机采集仪主机（12)，单片机 采集仪主机（12)内置有水势变送器（13)、单片机控制板（14)、全密封锂电池（24)，单片机 采集仪主机（12)前面板（15)设有液晶显示器（16)、主机开关（17)、232 口（18)和太阳能充 电开关（19);单片机采集仪主机（12)内单片机控制板（14)分别与主机开关（17)连通，全 密封锂电池（24)与单片机控制板（14)连通，太阳能电池（23)与全密封锂电池（24)连接， 由太阳能充电开关（19)控制；通过电源线（20)与单片机控制板（14)连通，232 口（18)通 过USB转232线（25)与笔记本电脑（26)连接。
【文档编号】G01N27/00GK104111273SQ201310131173
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月16日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】冯起, 赵爱国, 刘蔚, 赵晶, 李宏, 肖建华, 李建国 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所