[发明专利]测量土壤孔隙水流速的方法及其装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种采用热脉冲示踪技术对土壤孔隙水流速进行测量的测量土壤孔隙水流速的方法及其装置。

背景技术：

由Ren et al(2000)提出的，热脉冲(heat pulse)测定土壤水通量密度(soil water flux density)的方法，目前已成为国际上的研究热点，它改变了过去土壤孔隙水流速值只能由达西定律通过水头进行推算而不能现场实测的局面，对土壤水特性研究、土质堤坝的安全检测等研究和生产应用领域都具有重要意义。

但现有的测量方法及其装置存在以下不足：首先，采用的方法是通过测量测点热脉冲热扩散曲线的变化，计算出热波动速度，再对热波动速度进行修正，获得土壤水通量密度，然后将土壤水通量密度除以土壤含水量才能获得土壤孔隙水流速。监测热扩散曲线的变化，至少需要百分之一的分辨率，现有技术及其装置测点热扩散曲线的峰值一般不能低于0.6℃(分辨率0.006℃)。过大的加热量，不仅会增加能耗，还容易引起土壤水分的重新分布，进而影响到测量结果，受分辨率的限制，该问题也不能通过减少加热量解决；其次，直接测量的是热波动速度，而不是土壤水通量密度或土壤孔隙水流速，还需要土壤、溶液参数进行修正，因而不可避免的存在修正误差。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种能减少加热量和修正带来的误差的测量土壤孔隙水流速的方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种测量土壤孔隙水流速的方法，具体如下：

首先，在测量探头支架上安装一个加热器，用于加热土壤，在距离加热器的正上方和正下方等距离S处的探头支架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，在距离加热器的正上方S处探头支架上和S处的正上方探头支架上依次分开布置。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，在距离加热器的正下方S处探头支架上和S处的正下方探头支架上依次分开布置。加热器和温度传感器处于同一个平面上，

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

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、与控制计算机相连接的232与TTL电平转换电路、通过串口和232与TTL电平转换电路相连接的主单片机、通过数字输入端与主单片机相连接的D/A转换电路和与D/A转换电路的模拟输出端相连接的加热器，

上路温差检测部分包括热电偶温度传感器、温差放大电路、单片机、A/D转换电路、D/A转换电路、电压减法器和电压比较器，其中，温度传感器和温差放大电路的差分输入端相连接，温差放大电路的输出端分为两路，分别与A/D转换电路的模拟输入端和电压减法器的正输入端相连接，A/D转换电路的数字输出端和单片机相连接，单片机和D/A转换电路的数字输入端相连接，D/A转换电路的模拟输出端和电压减法器的负输入端相连接，电压减法器的输出端和电压比较器的输入端相连接，电压比较器的输出端和单片机的中断1端口相连接，

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

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

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