墒情自动测量仪器

1. 墒情自动测量仪器 • 直接测量土壤含水量－烘干法（标准方法） 中子法 微波测量方法 • 土水势测量方法－张力计法（负压计·） 压膜法 电阻法

2. 张力计（负压计）式土壤湿度仪简介 张力计下端装有一特制瓷杯，瓷杯壁上的孔隙允许有压水通过孔隙，而对空气起阻止作用。将张力计内装满水，密封后埋入土壤中 。张力计中的水通过瓷杯壁上的孔隙与土壤水分建立水力联系。当张力计内外的水势大小不同时，水将由高水势处向低水势处运动，直到内外水的势能达到平衡。除非土壤水分饱和，在土壤水吸力的作用下张力计内的部分水会向外运动而使张力计内形成负压，测量张力计内负压的大小即可得到土壤水吸力的值。用压力变送器进行测压。 使用的压力变送器主要是压力表和压阻式压力传感器。分人工读数和自动测量两种形式。 1. 张力计； 2. 压力变送器； 3. 测量仪；4. 土壤。 测得土壤水吸力后，再依据土壤性质，利用这种土壤的土壤水吸力与土壤含水量的关系确定土壤含水量。

3. 张力计式土壤湿度仪的性能特点 ——技术性能 以国内一种自动化产品为例： • ⑴ 量程：-80KPa～0； • ⑵ 测量土层深度：0.2～2m（埋设深度）； • ⑶测量准确度：±2%（压力变送器） • ⑷ 分辨率：1 Kpa； ⑸ 工作环境：5～40℃； ⑹ 电源：DC12V。 • 技术指标中量程、准确度都是针对压力而言的， • 按照不同的土壤水分曲线从压力转换成土壤含水量后，才能得到真正的土壤含水量量程和准确性。 ——准确性分析 • 张力计式土壤湿度仪的测量准确性并不高。但总的讲，可以满足很多土质的农业生产上的测量要求。 ——特点和应用 • 这种仪器是一种简便、实用的土壤含水量测量仪器，可以在田间原位进行连续的自动测量。 • 人工读数的负压计只装有一指针式压力表，更简单。

4. 雷达（微波）土壤湿度仪 • 利用微波在土壤中的传播特性受土壤含水量影响的原理可以测量土壤含水量。雷达使用微波，有时也把使用微波的仪器称为雷达土壤湿度仪。 • 可以根据探测器发出的电磁波（微波）在不同介电常数的物质中传播速度（时间）的不同计算土壤含水量，如依靠反射波测量，这样的仪器称为时域反射仪（Time Domain Reflectometry, 简称TDR）。 • 如测量单向传播速度，称为TDT。 • 也可以利用介电常数不同，探测器和土壤构成的电容不同，测量其电容，计算土壤含水量。称为频域反射仪（Frequency Domain Reflectometry,简称 FDR）。 • 从使用角度看FDR和TDR差别不大。总的讲，TDR的性能优于FDR，但价格也贵些。

5. 时域反射仪（TDR）的工作原理 电磁波在介质中传播速度V可用下式表示： • 式中：C——电磁波在真空中的传播速度； • ε——介质的介电常数； • μ——磁性常数。 • C为300 000km/s。土壤的磁性常数为1，由此： • 土壤中固体成分占其容积的50%左右，土壤固体成分的介电常数一般为2，水的介电常数约为80，因此土壤水分数量的多少对土壤的介电常数影响很明显。 • 不同质地土壤的介电常数与土壤含水量的关系可以统一标定。误差在5%以内。而且容重、温度对土壤的介电常数与土壤含水量的关系影响很小。 • 时域反射仪利用上述原理，测定电磁波在土壤中传播一定距离所需的时间，求出土壤的介电常数，再根据仪器中已标定的土壤容积水含量与土壤介电常数的关系推求出土壤水含量。

6. 几种时域反射仪（TDR） 这类产品大多都是国外生产的，品种较多。国内没有技术标准要求。综合国外产品，一般技术指标如下： ⑴ 土壤水测量范围：0～60、100%（体积含水量）； ⑵ 土壤水测量准确性：±2%（体积含水量）； ⑶工作温度：0～45℃（或更高）； ⑷数据处理：可内存和显示； ⑸ 安装型式：土表型（人工测量）、可埋型（可自动工作）； ⑹电源：12～24V。

7. 时域反射仪（TDR）的性能特点 准确性分析 • 时域反射仪测量原理准确，电磁波传播速度的影响因素、磁性常数、介电常数的物理意义很明确，只要能准确测量出传播速度，就可以得到较准确的土壤含水量。 所以时域反射仪的测量准确性比较高，仪器指标可达到2%。 • 但实际应用时，应该标定使用地点的土壤容积水含量与土壤介电常数的关系，并要注意其稳定性。否则难以达到理论上的测量准确度。 • 这种仪器价格较贵，一般情况下传输电缆不会超过5m（需要延长时要另行处理），所以比较适用于临时性和半永久性地在测点使用。 可以长期埋设使用 。

8. 频域反射仪（FDR）的工作原理 • 插入土壤中的电极与土壤（土壤被当作电介质）之间形成电容，并与高频震荡器形成一个回路。当100~150MHz的高频波施加在此电容上，会产生一个与土壤电容（土壤的介电常数）相关的共振频率，共振频率振幅的变化反映了土壤含水量的变化，共振频率的振幅也反映了土壤的电导率。在电路的设计中有人采用驻波映射土壤含水量，有人采用高频电容映射土壤含水量。高频电容法的测量精度比驻波法低。 • FDR墒情传感器采用的是100MHz左右的电磁波，波在传输过程中受土壤的温度和电导率（盐份）的影响大，即使采用温度补偿，其测量精度比TDR 墒情传感器仍可能要低一些。这是频域测量技术决定的。 • 一般认为介电常数的平方根与土壤含水量存在稳定关系，可以适用于多种土壤。在中低含水量时（如小于0.5m3/m3），可以用线性方程表示。

9. 频域反射仪（FDR） 以一种国内产品为例，性能指标如下： （1）测量范围：0～1.0m3/m3（土壤容积含水量）； （2）测量准确度：±0.05m3/m3 （使用通用土壤特性曲线）， ±0.02m3/m3 （使用特定土壤专门标定的特性曲线）； （3）测量土壤体积范围：90%影响在以中央探针为中心的直径2.5cm长6cm的圆柱内； （4）土壤电导范围：0～ 0.1s/m； （5）稳定时间：通电后约10秒； （6）响应时间：0.5秒内对含水量有99%的响应； （7）输出：大约0～1VDC（0～0.5m3/m3土壤含水量范围，介电常数1～32）； （8）工作特性：可长期埋设，自动工作； （9）电源：7～15VDC，工作电流约20mA； （10）测量仪功能：显示、存储、设置、通信； （11）电缆长度：5m，最长100m； （12）工作环境：0～+40℃（土壤含水量为0.05～0.6m3/m3）。

10. 中子土壤湿度仪 ——工作原理 • 快中子源发出的中子在通过土壤时遇到土壤水的氢原子后，快中子将失去部分动能变为慢中子，测出慢中子的数量可以计算出土壤中的含水量。土壤中水分愈多，中子传过一段固定距离后碰撞到水中的氢原子愈多，从而产生的慢中子也愈多。这个规律很确定，因此测得的慢中子数和土壤含水量的关系相当稳定。通过率定找出此关系就可以用此原理来测量土壤含水量。 ——仪器结构与组成 • 仪器包括快中子源、慢中子检测器、处理记录显示仪。快中子源常用低剂量的镅、铍放射源，使用时和慢中子检测器一起埋设在测量点。记录显示仪控制仪器定时测量计数，并显示和记录测得数值。

11. 一种中子土壤湿度仪 以一国外产品为例介绍其技术性能。 ⑴ 土壤水测量范围：0～60%（体积含水量）； ⑵ 含水量单位：体积含水量（%）、重量含水量（g/cm3）、英制重量含水量（镑/英尺3）； ⑶ 测量准确性：0.24%（体积含水量）； ⑷ 计数时间：1、4、16、32、64、128、256秒； ⑸ 工作环境温度：0～70℃； ⑹ 标定：可存储8条标定曲线，供选用； ⑺ 探头：直径4、5cm，长32cm； ⑻ 具有显示、存储功能； ⑼ 电源：12V可充电电池。

12. 中子土壤湿度仪的性能特点 准确性分析 • 中子土壤湿度仪测量准确度较高，是一种早已被采用的仪器。慢中子产生的原因就和水中的氢原子有关，放射源是比较稳定的，慢中子计数也是很准确的。标定曲线的准确性决定了仪器的测量准确度。 特点和应用 • 中子土壤湿度仪工作稳定、测量迅速、准确度高，很适于长期自动测量。由于它具有放射性，也最好能长期固定应用。也是因为它的放射性，与前述的同位素测沙仪一样，国内水文测验上很少应用。事实上目前的仪器所使用的放射性物质剂量很小，只要注意使用要求，不会有碍于人体和环境。 • 由于要使用放射源，应用中各个环节要有专门规定。 • 可以使用标准的标定曲线，也可以应用人工比测方法率定修正标定曲线。

13. 谢谢 姚永熙 2011