一种基于热脉冲法测量土壤水流速的装置及方法与流程

本发明涉及一种测量土壤水流速的装置及方法，特别是关于一种基于热脉冲法测量土壤水流速的装置及方法。

背景技术：

土壤水是指地表面以下至地下水面(潜水面)以上土壤层中的水分，是水资源中最重要和最复杂的部分，土壤水的合理研究，能给农业生产、生态恢复、环境治理以及水资源合理利用提供有效的理论指导，针对土壤水的研究，需要准确掌握其运移参数，由于受地形、土壤、植被、气候等条件的影响，土壤水运移特征复杂，因此在研究时能够准确测量到土壤水流速就显得尤为重要。

在多孔介质或表面薄层，如砾石表面层或马路上的水流速度测量，一般可采用色素或电解质脉冲的测量方法得到较为准确的流速数据，电解质脉冲法，是在流动水流上游极短的时间内给水流注入电解质(其过程可看作一个占空比极小的脉冲波形)，当布置在水流下游的探针检测到电解质时，仪器记录下从电解质注入开始到检测到电解质的时间，这个时间与探针到电解质脉冲发生装置的距离对应着一个流速关系，可以实现表面层的水流速度测量，电解质脉冲法虽然简便精准，但是土壤或类似森林中的枯叶层中，因其多孔介质成分复杂，电解质在其中会被大量吸收，无法采用这种示踪法提供准确的水流数据。

热脉冲法测量对应于电解质脉冲法，该方法用热替代电解质作为示踪剂，通过检测多孔介质流动方向上的水流温度变化来计算速度，目前所用的热脉冲探针，采取的结构是在一个探头上横向布置三根极细的探针方式，中间探针为加热电阻丝，两侧探针为热电偶传感器，三根探针插入土壤，与水流动方向平行，中间探针给定一个热脉冲，其给出的热量在土壤的传导以及水流的作用下，使探针周围的土壤区间温度发生变化，通过探头分布两侧的热电偶采集的温度-时间变化数据，拟合其理论推导的热交换模型关系式，该模型以多孔介质流场导热关系式为基础(即在一个笛卡尔坐标系中三维非稳态有一个对流作用的导热微分方程式)，给定一个有限加热时间和无限加热热源为边界条件，得到其流场传热关系式解析解，该解用流场上游和下游两点位置(即探针热电偶位置)温度极值之差为变量，从而得到流场流速，但是，此种探针存在的问题在于其直径过细，在插入土壤中的时候热电偶传感器与加热电阻丝之间的距离会受到影响，进而影响其测量精度；同时该探针的理论推导传热模型为考虑探针有限性影响(有限热导率和有限直径)，对其测量后计算的结果存在一定影响。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量精确且传热稳定的基于热脉冲法测量土壤水流速的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于热脉冲法测量土壤水流速的装置，其特征在于，该装置包括探针、采集模块和控制器；所述探针包括导热金属钢壳体、加热电阻丝和热电偶裸线，所述导热金属钢壳体内部填充有耐高温绝缘导热材料，所述导热金属钢壳体顶部设置通孔，所述加热电阻丝穿过所述通孔插设固定在所述绝缘导热材料中，所述加热电阻丝外周均匀分布所述热电偶裸线，所述热电偶裸线从上到下依次纵向固定设置在所述导热金属钢壳体内壁；所述热电偶裸线的输出端通过所述采集模块连接所述控制器，所述控制器通过控制所述采集模块对所述导热金属钢壳体表面温度数据进行采集；另外，所述控制器还连接所述加热电阻丝，用于控制所述加热电阻丝的加热方式和加热时间。

优选地，所述热电偶裸线的数量为三个，且三个所述热电偶裸线相隔120度设置在所述加热电阻丝的外周。

优选地，所述绝缘导热材料采用氧化镁材料。

优选地，所述的基于热脉冲法测量土壤水流速装置的方法，包括以下步骤：

1)将整个探针全部垂直置入饱和土壤中并使得土壤和探针紧密接触；

2)待土壤中水流稳定之后，控制器控制采集模块启动，并控制加热电阻丝进行加热，加热电阻丝发出的热量经绝缘导热材料传导到导热金属钢壳体上使壳体温度发生变化；

3)所述探针温度在短时间内迅速上升，到达最大值后在水流作用下温度开始下降，慢慢恢复到恒定温度，三个热电偶裸线将测量到的导热金属钢壳体表面从上升开始到稳定状态的温度数据变化过程经采集模块发送到控制器；

4)控制器将获取的数据进行拟合得到温度—时间曲线，并得到关系式：

T＝(T₁-T₀)e^-Ht+T₀ (1)

其中，T为t时刻所述探针表面温度，t是时间，T₁是所述探针达到的最高温度,T₀是所述探针达到稳定状态之后的平均温度，H为直接与流速相关的对流参数系数，对流参数系数与流速的关系式：

$H=-\frac{h_0(1+bV)}{C}---\left(2\right)$

其中，h₀为无对流作用下的换热系数，b为换热参数相关系数，C为所述探针热容，V是水流速率；

5)根据公式(1)和(2)得到流速求解关系式：

$V=\frac{C}{{\mathrm{bh}}_{0}t}ln\left(\frac{T-T_0}{T_1-T_0}\right)-\frac{1}{b}---\left(3\right)$

根据已知参数h₀、b、C和所得数据T、T₀、T₁和t，并通过关系式(3)计算出土壤水的流速V。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的结构特点在于装置应用单探针设计，其探针内部装配加热电阻丝和热电偶而不是多探针式的多探针分别装配加热电阻丝和热电偶，相比于多探针，单探针有较大直径，既满足装配需求，又保证足够强度，这样探针在置入土壤时不会发生弯曲等影响其测量精度的情况，测量更精确。2、本发明在探针流速计算方法上，以探针本体的换热模型为基础，推出其解析解模型，并根据对流系数与流速的关系推导出流速求解关系式并求出土壤水流速，分析方式更为简便，且采取的解析方法以单探针传热分析为基础，其传热更为稳定，本发明可以广泛应用于土壤水流速的测量中。

附图说明

图1是本发明基于热脉冲法测量土壤水流速的装置的结构示意图；

图2是本发明的探针结构示意图；

图3是本发明探针的温度—时间曲线图，横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为温度，单位为开尔文。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1～2所示，本发明的基于热脉法测量土壤水流速的装置包括探针1、采集模块2和控制器3；探针1全部垂直插入土壤4中，且与土壤4紧密接触，探针1包括导热金属钢壳体11、绝缘导热材料12、加热电阻丝13和热电偶裸线14，导热金属钢壳体11内部填充有耐高温的绝缘导热材料12例如氧化镁，绝缘导热材料12用于传导加热电阻丝13通电工作时发出的热量，导热金属钢壳体11顶部中心设置有通孔(图中未示出)，加热电阻丝13穿过通孔插设固定于绝缘导热材料12中，加热电阻丝13的外周相隔120度设置一热电偶裸线14，三热电偶裸线14从上到下依次纵向固定设置在导热金属钢壳体11内壁，三热电偶裸线14均用于测量导热金属钢壳体11表面的温度信号，三热电偶裸线14位于不同高度使得采集到的温度信号反映探针1整体的传热特性；三热电偶裸线14的输出端分别通过信号传输线连接采集模块2的输入端，采集模块2用于采集热电偶裸线14测量到的导热金属钢壳体11表面温度数据；控制器3分别连接加热电阻丝13和采集模块2，用于控制加热电阻丝13的加热时间，使热量能以一根瞬时脉冲的形式进入土壤，同时控制采集模块2进行数据采集。

下面通过具体实施例详细说明采用本发明的基于热脉冲法测量土壤水流速的装置对土壤水的流速进行测量的方法：

1)本发明在测量土壤水流速时，将整个探针1全部垂直置入饱和土壤4中并保证土壤4和探针1紧密接触；

2)待土壤4中水流稳定之后，控制器3控制采集模块2启动，并自动给加热电阻丝13提供一个定时电压使加热电阻丝13得到足够功率，加热电阻丝13达到足够温度(40℃至60℃之间)，在加热电阻丝13工作的时候，加热电阻丝13发出的热量经绝缘导热材料12氧化镁传导到导热金属钢壳体11上使壳体温度发生变化；

3)探针1温度在短时间内迅速上升，到达最大值后在水流作用下温度开始下降，慢慢恢复到恒定温度，三个热电偶裸线14将测量到的导热金属钢壳体11表面从上升开始到稳定状态的温度数据变化过程经采集模块2发送到控制器3；

4)采集模块2将采集的数据进行拟合得到如图3所示的温度—时间曲线，以探针本体的换热模型为基础，假设探针在无限长热源作用下，同性均质，且与四周水流土壤处于同一初始温度条件下，得到关系式：

T＝(T₁-T₀)e^-Ht+T₀ (1)

其中，T为t时刻探针表面温度(K)，t是时间(s)，T₁是探针达到的最高温度(K),T₀是探针达到稳定状态之后的平均温度(K)，H为直接与流速相关的对流参数系数，对流参数系数与流速的关系式：

$H=-\frac{h_0(1+bV)}{C}---\left(2\right)$

其中，h₀为无对流作用下的换热系数(W/m²·K)，b为换热参数相关系数，C为探针热容(J/m³·K)，V是水流速率(m/s)；

5)根据公式(1)和(2)得到流速求解关系式：

$V=\frac{C}{{\mathrm{bh}}_{0}t}ln\left(\frac{T-T_0}{T_1-T_0}\right)-\frac{1}{b}---\left(3\right)$

根据已知参数h₀、b、C和图2中所给数据T、T₀、T₁和t，并通过关系式(3)计算出土壤水的流速V。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。