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土壤水分监测传感器的分类与运用
发布时间:2022-09-22 09:52:53 来源:乐鱼体育西甲赞助入口

  土壤水分含量是表达旱情的最直接目标。国内外从20世纪中叶就开端进行土壤水分的监测,国内外一向都在进行各种丈量办法的研讨,现在首要选用烘干称重、张力计、中子水分计和时域反射仪、频域发射仪等丈量办法。这些办法尽管可以完结土壤水分的丈量,但原

产品介绍:

  土壤水分含量是表达旱情的最直接目标。国内外从20世纪中叶就开端进行土壤水分的监测,国内外一向都在进行各种丈量办法的研讨,现在首要选用烘干称重、张力计、中子水分计和时域反射仪、频域发射仪等丈量办法。这些办法尽管可以完结土壤水分的丈量,但原理、特性各有不同。综观国内墒情主动监测现状,现在还没有一种产品在野外广泛运用,也没有一种主导产品完结大规模墒情信息主动收集、传输处理。

  跟着国家抗旱指挥体系的规划和施行,各省、市区域墒情主动监测行将全面打开,特别是2010年春季我国西南部分省(区)干旱的呈现,迫切需求主动化土壤水分监测仪器和信息传输体系,以获取接连、牢靠的土壤水分信息,为区域旱情剖析供给根底数据。本文依据国家旱情监测体系建造需求展开国内外土壤水分监测传感仪器的查询研讨作业,对调研产品进行分类剖析。

  传统的烘干法尽管也需求一些设备,但不归于土壤水分监测仪器的领域,它仅仅一种办法。烘干法的内容和办法在SL364-2006《土壤墒情监测标准》5.2 节中有明确规定,现在烘干法依然是仅有校验仪器精确度的办法[1]。

  TDR是近年来呈现的丈量土壤含水量的重要仪器,是经过丈量土壤中的水和其它介质介电常数之间的差异原理,并选用时域反射检验技能研发出来的仪器,具有快速、快捷和能接连观测土壤含水量的长处。

  因为空气、干土和水中的介电常数相对固定,假如对特定的土壤和介电常数的联系已知,就可直接对土壤水分进行有用介电常数丈量。依据电磁波在介质中传达速度与包围在传输体上的物质介电常数有关的根本原理,枯燥土壤与水之间的介电常数具有很大的不同,所以该技能从理论上建立对土壤水分的丈量有很好的响应和灵敏度。

  式中:T 为电磁波延波导头传输的时刻,ns;L 为丈量用的波导头的长度,cm;C 为电磁波在真空中传达速,cm/ns。

  1)时域反射法土壤水分监测仪器沿着埋设在土壤中的波导头发射高频波,高频波在土壤的传输速度(或传输时刻)与土壤的介电常数相关,介电常数与土壤的含水量相关,这样丈量高频波的传输时刻或速度可直接丈量土壤的含水量。理论上这是丈量土壤水分监测精度最高的技能。

  2)因电磁波的传输速度很快,TDR 测定时刻的精度需达 0.1 ns 级,因此 TDR的时刻电路本钱高,丈量成果受温度影响小。

  3)TDR 水分传感器高频波的发射和丈量在传感器体内完结,作业时发生 1 个 1GHz以上的高频电磁波,传输时刻为皮秒级,输出信号一般为模仿电压信号,可精确表达刺进点处土壤的水分。依据不同的信号收集要求,TDR土壤水分传感器也可输出4~20 mA,或 232 串行接口数据。TDR 的上述输出简略接入惯例的数据收集器,构成主动丈量体系。

  4)现在商场上的 TDR 土壤水分传感器是典型的点式土壤水分丈量仪器,体积小,重量轻,单个传感器损坏可替换,运转保护便利。

  TDR 土壤水分传感器主体是1个含有探针的密封探头,当探针彻底刺进土壤中时,丈量输出信号经过有线电缆输出,可以接遥测终端,也可以接手持式外表。TDR产品水分监测示意图如图 1 所示。

  TDT技能是别的一种土壤水分丈量技能,TDT技能的特色便是电磁波在介质中是单程传达,检测电磁波单向传输后的信号,并不要求获取反射后的信号。该技能也是依据土壤介电常数的差异性来测定土壤含水率的[2]。

  1)以 TDT 原理研发出的水分测定仪作业频率较低,线路规划比较简略,本钱比 TDR 仪器低;

  3)依据 TDT 原理研发出的水分测定仪输出信号一般为模仿量,可以接入惯例的数据收集器,构成主动丈量体系。

  图 2 是一种长 3 m 的带状TDT水分传感器运用示例,土中所测植物根部土壤水分是环绕着带状传感器的圆柱体土壤水分的均值,因丈量规模是圆柱型土体带,丈量土体体积多,可有用防止点状丈量的偶然性,能获得测定地带土壤水分的空间平均值。图片上方是一些外挂的收集和显现外表。

  FDR土壤水分监测传感器的丈量原理是刺进土壤中的电极与土壤(土壤被当作电介质)之间构成电容,并与高频震动器构成1个回路。经过特别规划的传输探针发生高频信号,传输线探针的阻抗随土壤阻抗改变而改变。阻抗包含表观介电常数和离子传导率。运用扫频技能,选用适宜的电信号频率使离子传导率的影响最小,传输探针阻抗改变简直仅依赖于土壤介电常数的改变。这些改变发生1个电压驻波。驻波随探针周围介质的介电常数改变添加或减小由晶体振荡器发生的电压。电压的差值对应于土壤的表观介电常数。

  1)频域丈量技能用于土壤科学是近年才得到运用的,选用在某个频率上测定相对电容,即介电常数的办法丈量土壤水分含量,已展开了近半个世纪了(Halbertsma等,1987)。频域法,比较时域法结构更简略,丈量更便利。可是,在曩昔,一般人们很难得到精确的介电常数丈量值。牢靠的土壤水分含量有必要对每一个运用经过后续的标定来得到。近年来,跟着电子技能和元器件的开展,丈量介电常数的频域水分传感器已研发成功,因为频域法选用了低于TDR的作业频率,在丈量电路上易于完结,造价较低。

  2)频域法仪器一般作业在 20~150MHz的频率规模内,由多种电路可将介电常数的改变转换为直流电压或其它模仿量输出方法,输出的直流电压在广泛的作业规模内与土壤含水量直接相关。对传输电缆没有非常严厉的要求。

  3)开始国内研发 FDR 传感器选用的是高频电容式传感器,后来逐渐更新为驻波式 FDR 传感器。国内最早研发的驻波式FDR土壤水分监测传感器因参照国外第 1 代 FDR 传感器的规划思路,没有温度补偿,丈量成果变异大。国外驻波式FDR土壤水分监测传感器也在不断改造,逐渐添加了温度补偿等功用,相应提高了丈量精度。可是,FDR 土壤水分监测传感器选用的是 100MHz左右的电磁波,所以,波在传输进程中受土壤的温度和电导率(盐份)的影响较大时,导致丈量精度比 TDR 和TDT土壤水分监测传感器要低一些。

  4)FDR土壤水分监测传感器一般输出为直流电压量,简略接入惯例的数据收集器完结接连、动态墒情监测,可组成墒情监测网络,体系建造费用比前2种低。

  中子仪是历史悠久的丈量土壤体积含水量的仪器。中子水分计由高能放射性中子源和热中子探测器构成。中子源向各个方向发射能量在0.1~10.0M电子伏特的快中子射线。在土壤中,快中子敏捷被周围的介质,其间首要是被水中的氢原子减速为慢中子,并在探测器周围构成密度与水分含量相关的慢中子“云球”。散射到探测器的慢中子发生电脉冲,且被计数;在1个指定时刻内被计数的慢中子的数量与土壤的体积含水量相关,中子计数越大,土壤含水量越大。

  中子仪适宜人工便携式丈量土壤墒情,选用中子水分仪定点监测土壤含水率时,每次埋设导管之前,都应以取土烘干法为基准对仪器进行率定[3]。

  张力计是丈量非饱和情况土壤中张力的仪器。常用的张力计丈量规模为0~100kPa(Dirksen,1999)。水总是从高水势的当地向流向低水势的当地,土壤中的水分运移依据土壤水势梯度。水势反映了土壤的持水才能。水分在土壤中受多种力的效果,使得其自由能下降,这种势能的改变称为土水势(土壤吸力)。张力计的运用原理类似于植物根系从土壤中获取水分的抽吸方法,它丈量的是作物要从土壤中罗致水分所施加的力。

  因张力计价格低廉,可以在运用研讨田块中很多布设来研讨土壤水散布。压力值显现可以是指针式表和压力传感器,经过电气改造,传感器可用于主动丈量。

  土壤墒情监测仪器的中心是土壤水分监测传感器,它将土壤中的含水特性物理量转换为电子设备所能辨认的电量。以建造主动墒情监测站为意图,按照《土壤墒情监测标准》的有关规定,对土壤水分传感器提出以下一些技能要求。

  Trime-EZ TDR 土壤水分传感器和手持读表连用,可便携式丈量土壤水分,也可衔接有模仿量接口的主动测报设备。

  该 FDR仪器可以对各类土壤和多种介质的水分进行丈量,可用作为水分定点监测或移动丈量的根本东西,该土壤水分探头各项目标如下:

  丈量区域:90 % 的影响在环绕中心探针的直径为 2.5 cm,长为 6 cm 的圆柱体内;

  土壤墒情主动监测体系包含土壤水分信息的收集、传输、存储、处理及主动报送功用,其间收集是旱情监测体系的根底,主动化的水分收集仪器有必要检验精确,质量牢靠。因此,监测仪器从运用方面应具有以下要求:

  在某实验站,按照 SL364-2006《土壤墒情监测标准》中的仪器布设深度要求,选用 3 只土壤水分监测传感器,按10、20、40 cm 深度笔直布设[1],衔接数据收集传输终端(YDH-1型),组成了 1 座墒情主动站,传输方法有GPRS、SMS 等通讯挑选。图 4为实验站土壤水分改变进程线cm的土壤深度处的水分改变;图中竖线代表日降雨量,竖线下方标明晰日雨量值。附加的日降雨量信息用于对应调查土壤墒情的跟从降雨的反响改变情况。

  TDR土壤水分传感器可水平或笔直埋设在土壤不同的深度,按照SL364-2006《土壤墒情监测标准》要求,选用多点法丈量不同土壤深度下的土壤水分散布。TDR仪器因发射频率高,故丈量精度高,仪器造价高。TDT仪器适用于土壤墒情的空间变异大或土壤质地多样的地带,当点状的墒情不具有测点的代表性时,选用带状TDT 更为适宜。FDR运用办法同TDR ,仪器发射频率比 TDR 低,精度略低,仪器造价低。

  土壤水分传感器原理上存在土壤含水量→电压/电流→土壤体积含水率的2个接连转化进程。前一个进程由仪器的电磁波在介质中传达得到丈量值后转化为电压/电流量,后一个进程由依据测得电压/电流量来率定土壤水体积含水率的转化公式。2个进程存在不同程度的转化差错,第 1 个进程受产品品质要素影响,第2个进程受人为要素影响,均会导致仪器的精确性存在必定的差错。

  现在国内外土壤水分传感器种类尽管较多,可是国内还没有 1 种仪器构成主流产品,国内还没有商品化TDR传感仪器产品呈现,土壤水分监测传感仪器产品还不太老练,需求进一步加强对土壤水分监测仪器的技能研讨,而且要在实践运用中加强仪器的比照检验、优化挑选和运用查核作业

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