[发明专利]测量土壤孔隙水流速的方法及其装置

权利要求书

1、一种测量土壤孔隙水流速的方法，其特征在于：

首先，在测量探头支架(1)上安装加热器(2)，用于加热土壤；在距离加热器(2)的正上方和正下方等距离S处的探头支架(1)上各安装一对温度传感器，用于检测温差，上对温度传感器的两个温度传感器(3、4)，在距离加热器(2)的正上方S处探头支架(1)上和S处的正上方探头支架(1)上依次分开布置，与上对温度传感器对称，下对温度传感器的两个温度传感器(5、6)，在距离加热器(2)的正下方S处探头支架(1)上和S处的正下方探头支架(1)上依次分开布置，加热器(2)和温度传感器(3、4、5、6)处于同一个平面上，

其次，通过两个计时器，分别记录上、下两对温度传感器温差出现的时间，启动加热器(2)对土壤进行瞬间加热的同时清零并启动两个计时器，当上、下对温度传感器分别检测到温差后关闭相应的计时器，两个计时器记录的时间，分别代表热流到达的时间T_s、T_n，

然后，用公式(3)即：V_j＝(S/T_s-S/T_n)/2，计算出所测土壤的孔隙水流速V_j。

2、根据权利要求1所述的测量土壤孔隙水流速的方法，其特征在于：在上述土壤孔隙水流速测量中设置上路温差检测部分、下路温差检测部分与中路主控制部分，

中路主控制部分包括控制计算机(22)、与控制计算机(22)相连接的232与TTL电平转换电路(21)、通过串口和232与TTL电平转换电路(21)相连接的主单片机(20)、通过数字输入端与主单片机(20)相连接的D/A转换电路(19)和与D/A转换电路(19)的模拟输出端相连接的加热器(2)，

上路温差检测部分包括温度传感器(3、4)、温差放大电路(7)、单片机(11)、A/D转换电路(9)、D/A转换电路(13)、电压减法器(15)和电压比较器(17)，其中，温度传感器(3、4)和温差放大电路(7)的差分输入端相连接，温差放大电路(7)的输出端分为两路，分别与A/D转换电路(9)的模拟输入端和电压减法器(15)的正输入端相连接，A/D转换电路(9)的数字输出端和单片机(11)相连接，单片机(11)和D/A转换电路(13)的数字输入端相连接，D/A转换电路(13)的模拟输出端和电压减法器(15)的负输入端相连接，电压减法器(15)的输出端和电压比较器(17)的输入端相连接，电压比较器(17)的输出端和单片机(11)的中断1端口相连接，

下路温差检测部分包括热电偶温度传感器(5、6)、温差放大电路(8)、单片机(12)、A/D转换电路(10)、D/A转换电路(14)、电压减法器(16)和电压比较器(18)，其中，温度传感器(5、6)和温差放大电路(8)的差分输入端相连接，温差放大电路(8)的输出端分为两路，分别与A/D转换电路(10)的模拟输入端和电压减法器(16)的正输入端相连接，A/D转换电路(10)的数字输出端和单片机(12)相连接，单片机(12)和D/A转换电路(14)的数字输入端相连接，D/A转换电路(14)的模拟输出端和电压减法器(16)的负输入端相连接，电压减法器(16)的输出端和电压比较器(18)的输入端相连接，电压比较器(18)的输出端和单片机(12)的中断1端口相连接，

中路主控制部分主单片机(20)的一个端口和上路温差检测单片机(11)的外部中断0端口相连接，上路温差检测单片机(11)的一个端口和中路主控制部分主单片机(20)的外部中断0端口相连接，

中路主控制部分主单片机(20)的一个端口和下路温差检测单片机(12)的外部中断0端口相连接，下路温差检测单片机(12)的一个端口和中路主控制部分主单片机(20)的外部中断1端口相连接，

控制计算机(22)通过232与TTL电平转换电路(21)向中路主控制部分主单片机(20)发送土壤孔隙水流速采集指令，主单片机(20)收到土壤孔隙水流速采集指令后，根据土壤孔隙水流速采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过D/A转换电路(19)转换为模拟电压加到加热器(2)上，按指令中的加热时间长度在中路主控制部分主单片机(20)的控制下瞬间加热土壤，在启动加热后立刻将中路主控制部分主单片机(20)的两个16位定时器即定时器0和定时器1清零启动计时，同时向上下路温差检测部分的控制单片机(11、12)的中断0发出中断请求，其中，定时器0为上路温差检测计时，定时器1为下路温差检测计时，

上下路温差检测控制单片机(11、12)的中断0得到响应后，在各自的中断服务程序中分别启动A/D转换(9、10)和D/A转换(13、14)，分别将温差放大电路(7、8)输出的温度漂移电压锁存到电压减法器(15、16)的负输入端，再分别去减温差放大电路(7、8)直接加在电压减法器(15、16)的正输入端的实时输出电压，此时电压减法器(15、16)的输出电压为零，完成了“动态校零”动作，然后分别关闭单片机(11、12)的中断0，开放中断1并退出各自的中断0服务程序，等待热流的到达，

当热流到达上对热电偶温度传感器(3、4)或到达下对热电偶温度传感器(5、6)，与之相连的相应的上路温差放大器(7)的输出电压或下路温差放大器(8)的输出电压将增大，减去相应的锁存在上路电压减法器(15)或下路电压减法器(16)负输入端的温度漂移电压，相应的上路电压减法器(15)或下路电压减法器(16)的输出电压将由零逐渐增大，分别送入相应的上路电压比较器(17)或下路电压比较器(18)，与预先设定的温差阈值电压进行比较，

当上路减法器(15)的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器(17)翻转，其输出向上路控制单片机(11)的外部中断1发出中断请求，上路控制单片机(11)响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向中路主控制部分主单片机(20)的外部中断0发出中断请求并关闭单片机(11)的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机(11)的外部中断1服务程序，中路主控制部分主单片机(20)响应外部中断0后，在外部中断0的服务程序中停止上路温差检测定时器0的计时，退出主单片机(20)的外部中断0服务程序，

当下路减法器(16)的输出电压大于预先设定的温差阈值电压将引发电压比较器(18)翻转，其输出向下路控制单片机(12)的外部中断1发出中断请求，控制单片机(12)响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中向中路主控制部分主单片机(20)的外部中断1发出中断请求并关闭单片机(12)的外部中断1开放中断0，为下一轮温差检测做准备，然后退出单片机(12)的外部中断1服务程序，中路主控制部分主单片机(20)响应外部中断1后，在外部中断1的服务程序中停止下路温差检测定时器1的计时，退出主单片机(20)的外部中断1服务程序，

当中路主控制部分主单片机(20)的外部中断0和外部中断1均发生并退出后，也就是说完成了上路温差检测定时器0和下路温差检测定时器1的计时，主单片机(20)将定时器0和定时器1的计时数据，分别代表T_s、T_n，通过232与TTL电平转换电路(21)发送给控制计算机(22)，控制计算机(22)将计时数据和安装探头时已经确定的距离S代入(3)式，计算出所测土壤的孔隙水流速并显示在屏幕上，在所测土壤被施加的热量全部消退后，进行下一轮土壤孔隙水流速测量，并重复同样的过程。