温度自动补偿型土壤水分张力计系统及测定方法
阅读：458发布：2020-06-02
专利汇可以提供温度自动补偿型土壤水分张力计系统及测定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 温度 自动补偿型 土壤 水 分张 力 计系统及测定方法，该系统由 张力 计端和控制中心端构成，张力计端和控制中心端通过无线 信号 传输；所述张力计端包括张力计， 数据采集 、处理发送器；张力计内设有压力 传感器 和温度传感器；各传感器与数据采集处理发送器相连；所述控制中心端包括计算机和接收器，接收器与张力计端的数据采集处理发送器通过无线传输数据或指令。本发明降低了张力计系统由于 环境温度 变化而导致的误差。可同时对土壤环境的温度和 含水量 状况实施全天候实时监测，数据采集量大，并可自动上传至中央 控制器 实现水分管理。，下面是温度自动补偿型土壤水分张力计系统及测定方法专利的具体信息内容。
1.一种温度自动补偿型土壤水分张力计系统，其特征在于，由张力计端和控制中心端构成，张力计端和控制中心端通过无线信号传输；
所述张力计端包括张力计，数据采集、处理发送器；张力计内设有压力传感器和温度传感器；各传感器与数据采集处理发送器相连；
所述控制中心端包括计算机和接收器，接收器与张力计端的数据采集处理发送器通过无线传输数据或指令。
2.根据权利要求1所述的温度自动补偿型土壤水分张力计系统，其特征在于所述温度传感器设置在张力计的集水管内。
3.根据权利要求1所述的温度自动补偿型土壤水分张力计系统，其特征在于所述计算机内预设有温度补偿模型，根据系统启动时实测的数据设定初始温度和压力，根据启动时间点自动选择温度补偿模型。
4.一种温度自动补偿型土壤水分张力测定方法，包括以下步骤：
（1）将张力计端的张力计埋设于土壤中，启动系统；
（2）通过温度传感器和压力传感器采集的数据经由数据采集处理发送器传输至控制中心，控制中心据此设定初始温度与张力值；
（3）控制中心根据启动时间点所处的温度变化趋势，自动选择温度补偿模型，然后根据接收的数据进行补偿运算，得到温度补偿后张力值。
5.根据权利要求4所述的温度自动补偿型土壤水分张力测定方法，其特征在于，所述温度补偿模型是以当地土壤为对象，埋入张力计后记录张力计管内张力随温度变化的曲线而得到，该温度补偿模型预先存储在控制中心计算机内。
6.根据权利要求5所述的温度自动补偿型土壤水分张力测定方法，其特征在于，所述温度补偿模型分为温度上升段的补偿和温度下降段的补偿。
温度自动补偿型土壤水分张力计系统及测定方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业设施栽培及大田作物生产上土壤（或基质）水势自动监控技术领域，涉及一种以陶土头水势传感器（土壤水分张力计），通过在其内部加装高精度温度传感器，再经过软件的计算分析，对测量所得的土壤或栽培基质中水势进行温度校正的一整套系统，从而有效提高田间土壤水势的测量的精度度，可提高作物灌溉的效率及改善作物的生长状况。
背景技术
[0002] 21世纪我国农业可持续发展的主要制约因素是水资源不足及水土资源分布不均匀，对于用水占73.1%的农业用水大户来讲，在水资源不足的情况下，由于我国的灌溉技术水平较为落后，存在严重的灌溉不及时和超额灌溉等现象，影响了作物的产量，灌溉效率较低，同时由于干旱缺水，还导致过量引用地表水和超采地下水，引起严重的生态环境问题，威胁到人类生存环境和农业的可持续发展。
[0003] 随着农业灌溉技术的不断进步，灌溉自动控制技术逐渐得到应用。将计算机、人工智能、信息技术、地理信息系统、卫星遥感、全球定位系统等现代高新技术与传统的作物栽培、气象学、灌溉、系统工程、经济学等学科基本理论相结合，提高灌溉实时调度的灵活性、准确性、实用性，是智能灌溉今后的发展趋势。
[0004] 精准农业灌溉施肥管理技术是指根据作物的需水、需肥规律，来控制、调配灌溉用水、用肥，以最大限度地满足作物对水分、养分的需求，实现区域效益最佳的农田水分、肥料调控管理。它包括土壤墒情监测与预报技术、土壤肥力监测、节水、节肥高效灌溉制度的制订，以区域总效益最大为目的的灌溉预报技术，输配水与灌水量的量测和施用肥料量的调节控制技术等几个方面。对作物的生长发育过程以及环境要素的现状实现数字化、网络化、智能化控制。（徐磊、唐玉邦、虞利俊等用于避雨栽培的精准灌溉智能控制器设计与应用江西农业学报2012，24（6）：170～172）随着现代农业、设施农业的发展，作物水分的精准灌溉越来越受到人们的重视。把计算机、人工智能、信息技术、传感器技术引进到农业生产中实现了土壤墒情监测与预报，并在此基础上完成作物的自动精准灌溉。在整个过程中准确获得土壤（或栽培基质）的水分信息成为了关键。
[0005] 近几十年的研究表明,要了解土壤水分运动及土壤对植物的供水能力,只有土壤水分数量的观念是不够的。例如,对粘土的土壤含水量为21%,砂土的土壤含水量为16%,两土样接触,土壤水应怎样移动?如果只考虑土壤水分数量的观念,似乎土壤水分应从粘土土样流向砂土,但事实恰恰相反。正因为此时砂土的土壤水分能量高,即砂土的土水势大使水分由砂土流向粘土。这充分说明,只有土壤水分数量的观念,尚不能很好研究土壤水分运动及对植物的供水,必须建立土壤水分能量的观念,即土水势的概念。
土壤水势的测量有张力计法、负压法、离心机法、压力膜法等,以负压式土壤张力计法最为方便。（刘思春,王国栋,朱建楚,等负压式土壤张力计测定法改进及应用西北农业学报
2002,11(2):29～33）
土壤水势的测量有张力计法、负压法、离心机法、压力膜法等,以负压式土壤张力计法最为方便。（刘思春,王国栋,朱建楚,等负压式土壤张力计测定法改进及应用西北农业学报
2002,11(2):29～33）
[0006] 土壤水分张力计是获得土壤水分信息的基本装置。众所周知，土壤水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤孔隙中的水分处于负压（吸力）状态，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低；反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，则土壤含水量愈高。所以土壤张力计指示的数据就能大致反应出土壤的含水量状况。用张力计测定土壤水张力的方法在田间应用已经多年。张力计是一充水管道,一端是中空的陶瓷头,另一端是真空仪表和密封塞。张力计安装在土壤的合适深度中,陶瓷头与土壤紧密接触。通过陶瓷头使张力计中的水与土壤中的水最终达到压力平衡。张力计封闭管道中的水通过陶瓷头进入土壤,产生张力。当土壤吸湿以后,张力梯度下降,水分流回陶瓷头。土壤经过干湿循环,就可获得张力读数，（牟献友,冀鸿兰农业水量管理中土壤含水量的监测技术内蒙古农业大学学报2003年12月第24卷第4期）由此反应土壤的含水量状况，为科学灌溉提供依据。
[0007] 现阶段土壤水分张力计结构特点为：陶土头、腔体、集气室、计量指标器等部件组成。陶土头是仪器的感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜。因此，实际使用时必须将陶土头中的空气充分排出，严格按照张力计的使用规程进行操作：
[0008] 1、将自来水煮沸20分钟后，放置冷却备用。
[0009] 2、开启集气管的盖子，并将仪器倾斜，用塑料瓶徐徐注入经煮沸后冷却的无气水，直到加满为止，仪器直立10—20分钟（不要加盖子），让水把陶土管湿润，并见水从陶土头表面滴出。
[0010] 3、再将仪器注满无气水，用干布或吸水性能好的纸从陶土头表面吸水（或在注水处塞入一个插有注射针头的橡皮器，用注射器进行抽气，抽气时注意针尖必需穿过橡皮塞并伸入仪器内部。同时用左手顶住橡皮塞，不让其松动漏气）。此时，可以看到真空表的指针，指向40Kpa左右，并有气泡从真空表内逸出，逐渐聚集在集气管中。缓缓拔去塞子，让真空表指针缓慢退回零位。继续将仪器注满无气水，仍用上述方法进行抽气。这样重复3-4次，真空表内的空气即可除去大部份。
[0011] 4、将仪器注满无气水，加上塞子，加以密封，并将仪器直立，让陶土管在空气中蒸发，约二小时后，即可见真空表的指针指向40Kpa或更高。此时从陶土管真空表塑料管及集气管中会有埋藏的气泡逸出，同时，轻轻将仪器上下倒置，使气泡集中到集气管中。
[0012] 5、将陶土管浸入无气水中，此时，可见真空表指针回零，打开盖子，重新注满无气水，加上盖子，再让陶土管在空气中蒸发。此时，真空表的指针可升至50Kpa或更高。同时轻轻将仪器上下倒置，收集逸出的空气。
[0013] 6、按以上步骤进行2-3次，每进行一次之后真空表的指针可升得更高，直到指针达到80Kpa时将陶土管浸入无气水中，真空指针转动回零。打开盖子，注满水，盖子盖紧，将陶土管浸在无气水中备用。
[0014] 数据采集：仪器安装好24小时之后，便可进行数据采集。土壤水吸力受温度、容重等影响，应注意不要踩实仪器周围的土壤，尽量在温度变化小的时间采集（最好在清晨）以避免测点和仪器因温度不同而造成的误差。
[0015] 当陶土头中的孔隙全部充水后，孔隙中水就具有张力，这种张力能保证水在一定压力下通过陶土头，但阻止空气通过。当充满水且密封的土壤湿度计插入水分不饱和的土壤时，水膜就与土壤水连接起来，产生水力上的联系。土壤系统的水势不相等时，水便由水势高处通过陶土头向水势低处流动，直至两个系统的水势平衡为止(这个过程一般需要24小时以上平衡时间)。因为仪器是密封的，仪器中就产生真空度或吸力（抵于大气参照压力的压力），这就是土壤的吸力。张力计中部积水管中的水量除了受土壤干湿度的影响外，环境温度也会改变管中水的体积。水可随着环境温度的增减发生膨胀或收缩，在密封的张力计积水管中由于水体积的变化所产生的负压或正压就改变真空表或压力传感器的读数（见实验1），造成了设备的系统误差。
[0016] 实验1：张力计陶土管水体因温度变化而导致管内压力变化趋势图[0017] 实验1是将张力计系统的陶土头换成密封塞子，使整个系统的水密封在仪器内部，记录张力计管体内的温度变化，同时记录对应的压力（张力）值。以此得出图2的变化趋势。但实际应用的张力计系统是带有陶土头的，按照系统设计当管内压力因温度的变化升高或降低时压力差可通过陶土头向外传输直至平衡。
[0018] 但发明人在应用中发现，当实验盆钵内的土壤含水量相对不变时，负压计中的压力值仍然会随着日夜的变化会出现有规律的周期性高低变动，并且变化值有时会达到10-30%，在应用中也出现夜间自动灌溉系统土壤进入极干而紧急启动现象，已达到不能忽略的程度，经进一步的研究发现，负压计中的负压值确和温度有关。（正如张力计使用规范中提的：土壤水吸力受温度、容重等影响，应注意不要踩实仪器周围的土壤，尽量在温度变化小的时间采集（最好在清晨）以避免测点和仪器因温度不同而造成的误差。）并且它的变化曲线和物理学上水的体积随温度的变化规率十分地相似，根据物理学上的实验和理论，水在摄度4度时体积最小，温度上升和下降时体积都会变大，出现了一个U型曲线，管内结冰负压计是不能工作的，因此它工作在摄氏4度以上的上升曲线上，根据实验的结果，在2至12度范围内水的体积变化很小，水的压强几乎不变，可以忽略，12度以上，负压随着温度的升高而下降，并且其变化值达到测量范围内的30%，是不可忽略的量，就需要进行补偿。江苏地区平均田间温差一昼夜在10度以上，为了精确测量土壤水势，也应进行水势测量的温度补偿。虽然这个负压值会在实际应用时略有变化，即：当张力计管内水体因温度升高发生膨胀时，压力可通过陶土头向外界传输，但这个过程是缓慢的，根据经验，要经过数日才能达到基本平衡，一昼夜的短时间远不能使整个体系达到平衡。除非张力计系统的陶土头处于水体当中，张力计管内压力才可以快速传输，完成排水或吸水过程。
[0019] 这从实验2可以验证：
[0020] 实验2：带陶土头的张力计管内张力随温度的变化趋势实验2是将张力计系统安放在土壤水分可以进行人为控制的土壤环境，在土壤水分相对恒定的情况下测定温度对张力的影响。测定数据如图3所示：陶土头的存在也无法将张力计系统内因温度变化产生的压力输出达到平衡，由温度产生的变量远远大于张力计压力传感器的误差范围。在实际生产中极易引起水分管理的误操作。
发明内容
[0021] 本发明的目的在于通过对张力计因温度产生的压力变化进行运算，对温度效应进行补偿，以克服上述现有技术所存在的温度的变化会导致张力计压力的变化这些不足之处。实现现代农业对作物水分自动精准管理的目的，提高作物产量与品质。
[0022] 本发明的目的是通过下述技术方案完成的：
[0024] 所述张力计端包括张力计，数据采集、处理发送器；张力计内设有压力传感器和温度传感器；各传感器与数据采集处理发送器相连；
[0025] 所述控制中心端包括计算机和接收器，接收器与张力计端的数据采集处理发送器通过无线传输数据或指令。
[0026] 所述温度传感器设置在张力计的集水管内。
[0027] 所述计算机内预设有温度补偿模型，根据系统启动时实测的数据设定初始温度和压力，根据启动时间点自动选择温度补偿模型。
[0028] 本发明还公开了一种温度自动补偿型土壤水分张力测定方法，包括以下步骤：
[0029] （1）将张力计端的张力计埋设于土壤中，启动系统；
[0030] （2）通过温度传感器和压力传感器采集的数据经由数据采集处理发送器传输至控制中心，控制中心据此设定初始温度与张力值；
[0031] （3）控制中心根据启动时间点所处的温度变化趋势，自动选择温度补偿模型，然后根据接收的数据进行补偿运算，得到温度补偿后张力值。
[0032] 所述温度补偿模型是以当地土壤为对象，埋入张力计后记录张力计管内张力随温度变化的曲线而得到，该温度补偿模型预先存储在控制中心计算机内。
[0033] 所述温度补偿模型分为温度上升段的补偿和温度下降段的补偿。升温段温度补偿公式见图4，降温段温度补偿公式见图5。
[0034] 本发明在张力计集水管内嵌一电子式温度传感器，实时监测管内温度变化。张力计系统安装、稳定后开启温度补偿功能设定初始温度与张力值。关键在于，补偿运算公式的调取与激活，一个地区土壤的水分特征曲线一般由该地区土壤的特性所决定，必须以当地土壤进行。以当地土壤为对象完成的张力计管内张力随温度变化的曲线和以当地土壤为对象而完成的补偿公式。（电脑中可以储存不同类型土壤的温度补偿公式：如沙土的，壤土的，粘土的等等）不要用其他地区土壤的补偿公式。因为土壤的质地不同，张力计测得的张力趋势线是不同的。（见图8、图9）建立不同地区或土壤的个性补偿公式是必要的。如：该仪器在南京地区土壤使用，就应调取南京地区某类土壤的补偿公式，而不是调取北京或上海地区土壤的补偿公式。
[0035] 上述过程中的个性补偿运算公式最好用当地土壤为对象，埋入张力计后记录张力计管内张力随温度变化的曲线。可以发现：水温升温曲线与降温曲线有着差异，降温后期曲线趋于平缓，对应的张力变化也平缓一些，在设计温度补偿公式时考虑这种差别，分别计算温度上升段的补偿和温度下降时的补偿。
[0036] 在实际使用时开启数据采集、处理发送器，设定初始温度与张力，依靠电子式温度传感器，按采样要求实时监测管内温度变化并采集数据，同时采集管内张力数据进行补偿运算，补偿后的数值经发送装置上传控制中心进行数据存储。
[0037] 在本发明中，温度传感器的选用十分关键，本发明人经过仔细挑选，采用了DS18B20数字温度计做为本系统的温度测量器件，它具有线路简单，体积小，可置放在传统使用的负压计内部而无须大的改动，工作范围在所需的测程之内，数字化，无须标定，多测点一致性好，测量的分辨率在0.025度，满足高精度测量的要求，另外价格低，便于大量推广应用。防水设计可长期工作在浸没的水中，完全符合我们的要求
[0038] 本发明的有益效果是，采用温度自动补偿型土壤水分张力计系统，与技术背景所描述的张力计系统相比有以下几点益处：
[0039] （1）降低了张力计系统由于环境温度变化而导致的误差。
[0040] （2）可同时对土壤环境的温度和含水量状况实施全天候实时监测。
[0042] 图1是本发明示意图。1无线信号发送天线。2数据采集、处理发送器，3传感器电缆。4压力传感器。5注水孔。6机械式负压表。7电缆密封帽。8土壤面。9塑料管体，10温度传感器。11陶土负压传感器(陶土头)。
[0043] 图2张力计陶土管水体因温度变化而导致管内压力变化趋势图。
[0044] 图3带陶土头的张力计管内张力随温度的变化趋势。
[0045] 图4升温段温度补偿公式。
[0046] 图5降温段温度补偿公式。
[0047] 图6是425-459时间节点数据段的升温曲线图。
[0048] 图7是经过温度补偿的张力（即土壤水吸力）的走势。
[0049] 图8是金海农场土张力变化曲线。
[0050] 图9是黄河古道土张力变化曲线。
具体实施方式
[0051] 实施例一
[0052] 引用“425-459”时间节点数据段的升温曲线图（图6）进行温度补偿的演算[0053] 引用点425处的温度为3.7℃张力为21.4Kpa
[0054] 引用点445处的温度为21.8℃张力为14.9Kpa
[0055] 两点的具体采样时间点分别为：425点采样时间是2014.1.6早晨7:33:17[0056] 445点采样时间是2014.1.6中午11:06:28
[0057] 以图6“425-459”时间节点数据段的升温曲线图进行温度补偿的演算[0058] Y3.7为3.7℃时的张力（Kpa）计算值，Y21.8为21.8℃时的张力（Kpa）计算值[0059] Y3.7=0.0121×X2－0.6523X+23.552
[0060] =0.0121×3.72－0.6523×3.7+23.552
[0061] =21.304（Kpa）
[0062] Y21.8=0.0121×X2－0.6523X+23.552
[0063] =0.0121×21.82－0.6523×21.8+23.552
[0064] =15.082（Kpa）
[0065] 两点的差值为6.222（Kpa）
[0066] 445点补偿后张力值=445点实测值+两点差值=14.9+（21.304－15.082）=21.122Kpa
[0067] 比较425点与445点补偿后的张力值可以看出：经过4个小时两点的张力相差仅0.278Kpa，而为做补偿的两点之差为6.5Kpa。补偿后的这点差值可能是实际土壤水分变化产生的，也可能是压力传感器本身精度产生的，还有可能就是本段相关曲线拟合系数的影响。
[0069] 实施例二
[0070] 引用“425-445”时间节点数据段的升温曲线图（图6）进行温度补偿的演算得出：
[0071] 补偿公式：Y=0.0121×X2－0.6523X+23.552
[0072]
[0073]
[0074] 表中“温度”“张力实测值”为温度补偿张力计在农业大棚中的实际测量值，“计算值”为通过补偿公式计算出的各个温度点的对应张力值。张力差值为初始温度（3.7℃）时的计算值与其他温度点位计算值的差。
[0075] 从图7可以看出，经过温度补偿的张力（即土壤水吸力）的走势在4小时内趋近于水平，这与田间实际情况相符。（土壤含水量在无外水加入的情况下，短时间内趋于恒定）。
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