一种环刀称重法土壤水分传感器标定装置
阅读：830发布：2021-06-08
专利汇可以提供一种环刀称重法土壤水分传感器标定装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了实验室 传感器 标定装置，采用专用装置测定 土壤 含 水 量 和 输出 电压 。该装置主要包括环刀、托盘、 电子 天平、传感器和 数据采集 终端。传感器插入环刀内的土样中，将其整体放置在电子天平托盘上，数据线连接传感器和数据采集终端。利用天平对环刀及土样进行整体称重，利用数据采集终端监测传感器输出电压。本实用新型通过连续测定环刀及土样 质量 （用于计算土壤含水量）和传感器输出电压，实现了不同量级土壤含水量与输出电压一一对应，为传感器实验室标定提高了保证。避免了以往方法标定周期长、 费用 高，且过高、过低土壤含水量难以掌控，导致传感器标定结果不合理、土壤含水量监测 精度 不高等问题。本实用新型标定成本低，易于操作，可批量进行；受外界影响较小，结果稳定可靠，误差极低。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种环刀称重法土壤水分传感器标定装置专利的具体信息内容。
一种环刀称重法土壤水分传感器标定装置
技术领域
背景技术
[0002] 传感器是墒情自动监测仪器设备重要组成部分，是决定墒情监测数据精度的核心器件，科学合理进行传感器精度校准（标定）十分重要。目前，我国水利系统常用的土壤墒情自动监测仪器主要以介电类为主，包括时域反射法和频域法。这两种方法都是通过测量土壤介电常数来间接测量土壤含水量，由于土壤质地不同，土壤的介电常数也有较大差异。在实际工程运用中，介电类墒情自动监测仪器安装后，监测仪器出厂自带的通用公式可能存在与监测站土壤质地不匹配，会造成监测数据不准确，或者在监测仪器使用一段时间后，监测仪器本身因时漂、温漂、土壤结构变化等原因造成的墒情监测数据不准确、不可靠，无法科学准确进行墒情评价。为此，土壤墒情自动监测仪器在投入生产应用前和使用一段时间后，需要对传感器进行标定，才能保证墒情数据监测精度。
[0003] “标定”通常是指对仪器的一种计量校准（也称“公式率定”），其实质是对所使用仪器的准确度（精度）进行某种量值溯源性的测试确认。常见的土壤水分传感器标定方法为现场标定，主要方法为人工巡回比测法。该法是在野外土壤水分传感器埋设现场，利用人工烘干称重法测取不同量级土壤含水量及其对应的传感器输出电信号，通过建立传感器输出电信号与土壤含水量计算关系式，实现传感器标定。
[0004] 当电磁波通过埋在土壤的传感器时，其传导速率与土壤表观介电常数有密切关系，而土壤表观介电常数又与土壤含水量之间存在着明显的函数关系，即被测土壤介质中表观介电常数随土壤含水量变化而变化。介电常数越大，入射反射速度越低。通常水的介电常数在土壤中处于主导地位，土壤表观介电常数大小主要取决于土壤含水量的高低。如果对特定的土壤质地和介电常数关系已知，就可间接地对土壤水分进行有效介电常数测量。通常情况下，土壤介电常数可用传感器输出电信号（如电压）来表示，于是通过连续测定土壤含水量与传感器输出电压并建立其相关关系，将其关系拟合成计算公式后置入墒情自动采集仪数据采集终端，实现传感器标定。
[0005] 该方法不足之处为野外现场标定，需逐站多轮次采集土样，受天气和人为因素影响较大，不确定性因素较多，且出现天然状态下的高土壤含水量和低土壤含水量概率低，不易测取到，导致标定周期较长，费时费力，成本高。
发明内容
[0006] 本发明属实验室土壤水分传感器标定方法，利用环刀称重、监测电压装置，在实验室内完成传感器标定。
[0007] 实验土样称重、监测电压装置，主要包括：环刀、托盘、电子天平、针式传感器、数据采集终端。传感器插入环刀内的土样（浸泡至饱和），将其放置在电子天平托盘上，数据线连接传感器和数据采集终端，连续对环刀及土样进行整体称重；同时，利用数据采集终端监测传感器输出电压。
[0008] 本发明通过环刀称重、电压监测专用制作装置和方法，模拟创建了土壤中传感器发出的电磁波传导速率与介电常数、土壤含水量之间的关系，可持续测定环刀土样质量（用于计算土壤含水量）和传感器输出电压，实现了不同量级土壤含水量与输出电压一一对应，为建立土壤介电常数与土壤含水量函数关系提供了保证，避免了以往方法过高、过低土壤含水量难以掌控，且人为及外部环境影响较大，导致传感器率定公式不合理、土壤含水量监测精度不高等问题。
[0010] 图1为本发明环刀称重、电压监测装置示意图。
[0011] 图2为环刀及采集土样结构示意图。
[0012] 图3为传感器示意图。
[0013] 图4为环刀称重示意图。
[0014] 1-电子天平，2-托盘，301-环刀，401-探头，5-数据线，6-数据采集终端，302-土壤样本，402-探针。
具体实施方式
[0015] 主要包括土样采集与浸泡、传感器安装、退水称重及输出电压监测、土样烘干称重、土壤含水量计算和拟合率定公式等几个部分。其中，土样采集与浸泡和土样烘干称重等过程为现有技术，不作为本发明内容，这里不再赘述。
[0016] 具体方法是：利用环刀在野外钻取原状土实验样本，带回实验室浸泡至土样饱和，插入待测土壤水分传感器；然后，从高含水量到低含水量逐次测定实验土样整体质量，同时利用数据采集终端依次测出传感器输出电压。经过一段退水时间后，实验土样含水量降至较低水平时，取出传感器，结束退水实验。然后，对实验土样一次性称重、烘干，计算出逐次土壤含水量，得到若干组土壤含水量与传感器输出电压，建立土壤含水量与传感器输出电压相关关系，根据相关关系点距拟合出对应关系式，该关系式即为传感器对应该土壤质地的土壤含水量计算公式，将该计算公式置入数据采集终端，完成传感器标定。
[0017] 1、安装传感器
[0018] 利用环刀在野外采集土样样本带回实验室，浸泡达到饱和后，应进行传感器安装。
[0019] 安装方法：将环刀移出盛水容器，用毛巾擦净环刀外壁附着的水珠，垂直立在托盘内。将传感器探针从上而下缓慢垂直插入环刀内土壤，均匀用力，不得倾斜和摇晃，以避免探针与土样接触不紧密而留有空隙。要求传感器探针应完全插入土壤且与土壤密切接触，不得接触环刀内壁，探针外边缘距环刀内壁1cm～2cm为宜。
[0020] 安装传感器时，如果土样中含有砂石、植物根须或其他杂物且难以安插到位时，应舍弃该土样，采用第二份土样安装传感器。
[0021] 2、退水称重及输出电压监测
[0022] （1）传感器安装后，将环刀整体放在电子天平上称重（记为G1），该质量为环刀、湿土样、托盘、传感器（含数据线，下同）质量之和；完成首次称重后，马上将传感器连接至数据采集终端，监测传感器输出电压，电压值可在数据采集终端显示屏上直接读取（记为V1）。
[0024] （3）退水称重与输出电压监测是相匹配的，一一对应的。应先称重，后测电压，分别记录为Gi和Vi。土样整体称重前，先用毛巾擦净环刀外壁附着的水珠，然后带托盘整体称重。
[0025] （4）由于土样高水退水较快，为了测取较完整的退水数据，应加密高水监测频次。一般情况下，第一日（前24h）监测次数不少于4次；自第二日起，可每日监测一次。
[0026] （5）实验过程中应保持环刀内土壤自然蒸散发，不得对其吹风或烘烤。实验数据一般不小于20组，并均匀涵盖土壤含水量从高到低变化过程。当传感器电压不再降低时，认为土壤接近或达到干土状态时（土壤含水量低于5%），可结束退水实验。
[0027] （6）拔出传感器，将传感器探针上附着的土壤需清理干净放回环刀内，土样不得有散落。将环刀连同土样一并放入烘箱内进行烘干，烘干时间不小于24h，确保环刀内土样彻底烘干。烘干结束后，自然冷却后，进行称重（环刀+干土），记为Gg。
[0028] 3、土壤含水量计算
[0029] 干土质量Wg计算：Wg= Gg－W0。
[0030] 各次测量的土壤重量含水量θi计算，见式（1）。
[0031] （1）
[0032] 式中：Wg为干土质量，g；Gg为烘干后的质量（环刀＋干土），g；W0为环刀质量，g；θi为第i次监测的土壤重量含水量，%；Gi为第i次监测的质量（环刀＋湿土＋传感器＋托盘），g；G0为环刀、干土、传感器、托盘的质量之和，g； i =1，2，3……。
[0033] 4、拟合率定公式
[0034] （1）利用Microsoft Excel中“图表”中的“XY散点图”绘图功能，以土壤水分传感器输出电压Vi作为x轴，以人工烘干称重法监测的土壤重量含水量θi作为y轴，点绘各测次土壤重量含水量θi与传感器输出电压Vi关系图。
[0035] （2）生成散点图后，根据关系图数据点距，按仪器原率定公式类型添加趋势线。例如，选择多项式类型，阶数设置为3，选中显示公式和显示相关系数R平方值，确定后可得到多项式率定公式。当相关系数平方值即R2＞0.95时，表明点线关系吻合较好，具有代表性，实验数据是可用的；否则，重做率定。
[0036] 将拟合好的公式置入数据采集终端，即为完成传感器标定。
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