土壤多参数测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种土壤多参数测量系统及其测量方法，系统包括：第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、主控模块和切换模块；第一电极和第二电极构成土壤温度热导率测量电极，用于测量待测土样的温度和热导率；第一电极、第三电极和第四电极构成土壤水分水势测量电极，用于测量待测土样的水分和水势；主控模块控制土壤温度热导率测量电极和土壤水分水势测量电极；切换模块用于切换土壤温度热导率测量电极和土壤水分水势测量电极工作。本发明专利技术通过第一电极和第二电极能够测量出土壤的温度和热导率，通过第一电极、第三电极和第四电极能够测量出土壤的水分和水势；能够同时测量土壤多个参数，解决了土壤参数具有空间异性的问题。解决了土壤参数具有空间异性的问题。解决了土壤参数具有空间异性的问题。

【技术实现步骤摘要】
土壤多参数测量系统及其测量方法


[0001]本专利技术涉及土壤参数测量
，尤其涉及一种土壤多参数测量系统及其测量方法。

技术介绍

[0002]土壤是植物赖以生存的主要物质基础，可以给农作物提供生长中必要的水、肥、热、气。土壤参数可大致分为物理参数、化学参数和生物参数三大类。目前，农用土壤传感器监测的参数主要包括温度、pH、电导率、热导率、元素含量、粒度、容重、含冰量、水力参数等。
[0003]土壤含水量分为体积含水量和质量含水量，土壤的质量含水量一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率。测定土壤含水量可掌握作物对水的需要情况，对农业生产有重要的指导意义。
[0004]土壤水势指土壤中所含水分的总势能，是描述和判断土壤水分含量与运移的重要指标。土壤水势与含水量之间具有密切关联，随着土壤含水量的降低，土壤吸水能力逐渐增强，土壤水势也逐渐降低。
[0005]现有土壤中的水势可以通过张力计或介电法等进行测量，也可以通过克拉伯龙方程计算得到。张力计利用湿润的陶土头与土壤水势之间的压力差，让陶土头中的水进入土壤直至达到平衡状态，从而获得被测土壤的水势。介电法测量土壤水势的原理是利用已知多孔材料的水分特征曲线(水分与水势之间的关系曲线)，在多孔材料与被测土壤达到平衡状态时，根据多孔材料的水分值计算得到土壤的水势值。
[0006]土壤热导率用来表示传导土壤热量的强度，是描述土壤导热性能的重要指标。土壤的热导率与土壤的含水量有着重要的联系，干燥的土壤颗粒以空气为主要导热介质，因而热导率较低。随着土壤含水量的增加，土壤的热导率将逐渐上升。
[0007]在部分冻结的土壤中，液态水和冰共存。这些土壤的含冰量取决于温度、质地、空气含量、溶解溶质和覆盖层荷载，影响土壤的热、力学和水力特性。因此，含冰量的准确测量对于解决环境问题和工程地球科学问题具有重要意义。虽然有几种方法，如冰孔隙率计、气体膨胀计、介电光谱法和感热球法，已经在实验室中测试了直接测定含冰量的方法，但目前仍缺乏以合理精度直接测量含冰量的原位方法。
[0008]由于农业管理和气候影响，耕地土壤容重可能发生显著变化。土壤容重是指一定容积的土壤烘干后的重量与同容积水重的比值。一般而言，耕作后土壤的容重最低。在此之后，土壤容重随着颗粒在雨水、灌溉和交通的影响下重新沉降而增加。先前的研究表明，通过与农业活动相关的扰动的年循环，土壤容重可以改变40％以上。冻融循环、收缩
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膨胀过程、侵蚀和沉积也改变了表面的容重和结构排列。瞬态容重影响地表土壤气体运移和热水力过程。如果认为容重和相关性质(如土壤总孔隙度)随时间变化为常数，则可能会出现较大的误差。
[0009]但是，现有技术中使用分离的测量器件分别对这些参数进行测量会因为空间变异性的问题而产生较大的误差，因而需要研发出一种可同时测量土壤多参数的装置。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供一种土壤多参数测量系统及其测量方法，用以解决现有技术中土壤参数具有空间异性的缺陷，实现提高测量的准确性。
[0011]本专利技术提供一种土壤多参数测量系统，包括：第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、主控模块和切换模块；所述第一电极和所述第二电极构成土壤温度热导率测量电极，用于测量待测土样的温度和热导率；所述第一电极、所述第三电极和所述第四电极构成土壤水分水势测量电极，用于测量待测土样的水分和水势；所述主控模块控制所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极；所述切换模块用于切换所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极工作。
[0012]根据本专利技术提供一种土壤多参数测量系统，所述主控模块包括温度热导率测量控制电路板和水分水势测量控制电路板，分别控制所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极。
[0013]根据本专利技术提供一种土壤多参数测量系统，所述切换模块包括若干继电器，通过所述继电器的通断控制所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极的工作。
[0014]根据本专利技术提供一种土壤多参数测量系统，所述第一电极和所述第二电极内均设置有温度传感器和加热丝；在测量土壤温度和热导率时，所述第一电极和所述第二电极分别为激励电极和测温电极，所述第一电极用于提供热脉冲的线性热源；所述第二电极用于检测待测土样温度随时间的变化。
[0015]根据本专利技术提供一种土壤多参数测量系统，所述第一电极和所述第二电极的间距固定，所述第一电极和所述第二电极以任一角度埋放于待测土样中。
[0016]根据本专利技术提供一种土壤多参数测量系统，所述第四电极内设置有高频水分传感器探头，并与所述第一电极构成高频水分传感器；在测量土壤水分时，所述第一电极为激励电极，所述第四电极为测量电极，所述第一电极提供高频信号，所述第四电极根据接收信号的时间检测待测土样的含水量。
[0017]根据本专利技术提供一种土壤多参数测量系统，所述第三电极内设置有介电水势传感器探头，并与所述第一电极构成介电水势传感器；在测量土壤水势时，当待测土样与所述第四电极内部的水势达到平衡后，所述第三电极检测待测土样的水势。
[0018]本专利技术还提供一种土壤多参数测量方法，利用上述的土壤多参数测量系统，包括以下步骤：
[0019]S1、将第一电极、第二电极、第三电极和第四电极以任一角度插入待测土样中，探头完全被待测土样覆盖；
[0020]S2、第一电极、第三电极和第四电极构成的土壤水分水势测量电极测量土壤的水分和水势；
[0021]S3、第一电极和第二电极构成的土壤温度热导率测量电极测量土壤的温度和热导率；
[0022]S4、系统以不少于6分钟为周期重复S2和S3的过程。
[0023]根据本专利技术提供的一种土壤多参数测量方法，步骤S2具体包括：切换模块切换到水分水势测量模式，水分水势测量控制控制板控制第一电极、第四电极开始工作检测土壤
的含水量，之后水分水势测量控制电路板控制第三电极、第四电极开始工作，待第四电极与周围待测土样的水势达到平衡后，第三电极测量待测土样的水势。
[0024]根据本专利技术提供的一种土壤多参数测量方法，步骤S3包括：打开测量开关，切换模块切换到温度热导率测量模式，继电器导通，激励电极提供热脉冲；
[0025]测温电极以不高于0.5s的时间为周期检测待测土样的温度，并将阻值数据返回温度热导率测量控制电路板，温度热导率测量控制电路板得出当前土壤的温度热脉冲持续时间为45s
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60s，后继电器断开，停止加热；
[0026]停止加热后，系统进入冷却模式，测温电极会检测出温升的最大值和时间，冷却模式持续时间不少于5分钟；
[0027]冷却模式结束后，基于最大温升值和时间，热脉冲持续时间和激励电极的发热功率，系统按照预设的公式自动计算出待测土样的热导率。
[0028]本专利技术提供的土壤多参数测量系统，通过第一电极和第二电极能够测量出土壤的温度和热导率，通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土壤多参数测量系统，其特征在于，包括：第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、主控模块和切换模块；所述第一电极和所述第二电极构成土壤温度热导率测量电极，用于测量待测土样的温度和热导率；所述第一电极、所述第三电极和所述第四电极构成土壤水分水势测量电极，用于测量待测土样的水分和水势；所述主控模块控制所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极；所述切换模块用于切换所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极工作。2.根据权利要求1所述的土壤多参数测量系统，其特征在于，所述主控模块包括温度热导率测量控制电路板和水分水势测量控制电路板，分别控制所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极。3.根据权利要求1所述的土壤多参数测量系统，其特征在于，所述切换模块包括若干继电器，通过所述继电器的通断控制切换所述土壤温度热导率测量电极和所述土壤水分水势测量电极的工作。4.根据权利要求1所述的土壤多参数测量系统，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极内均设置有温度传感器和加热丝；在测量土壤温度和热导率时，所述第一电极和所述第二电极分别为激励电极和测温电极，所述第一电极用于提供热脉冲的线性热源；所述第二电极用于检测待测土样温度随时间的变化。5.根据权利要求4所述的土壤多参数测量系统，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的间距固定，且所述第一电极和所述第二电极埋放于待测土样中。6.根据权利要求1所述的土壤多参数测量系统，其特征在于，所述第四电极上设置有高频水分传感器探头，并与所述第一电极构成高频水分传感器；在测量土壤水分时，所述第一电极和所述第四电极分别为激励电极和测量电极，所述第一电极提供高频信号，所述第四电极根据接收信号的时间检测待测土样的含水量。7.根据权利要求6所述的土壤多参数测量系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，王子渊，张珉澍，朱玉帆，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：