[发明专利]一种基于热脉冲法测量土壤水流速的装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于热脉冲法测量土壤水流速的装置及方法，该装置包括探针、采集模块和控制器，探针全部垂直插入土壤中并与土壤紧密接触，探针包括导热金属钢壳体、加热电阻丝和热电偶裸线，导热金属钢壳体顶部中心设置通孔，加热电阻丝穿过通孔插设固定于探针内部，加热电阻丝的外周均匀分布用于测量导热金属钢壳体表面温度信号的热电偶裸线，热电偶裸线的输出端分别通过信号传输线连接采集模块的输入端口，控制器分别连接加热电阻丝和采集模块，用于控制加热电阻丝的加热时间，使热量能以一根瞬时脉冲的形式进入土壤，同时控制采集模块进行数据采集，本发明测量精确且传热稳定，可以广泛应用于土壤水流速的测量中。

主权项

1.一种基于热脉冲法测量土壤水流速的方法，其特征在于包括以下步骤：设置有包括探针、采集模块和控制器的装置，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；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，具体测量过程：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：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：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。