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土壤水分温度剖面在线监测系统

BY-TSWP型土壤水分温度剖面在线监测系统

时间:2018-07-13 10:42来源:未知 作者:admin 点击:

土壤水分温度剖面在线监测系统

一、 产品概述

1、 产品简介

     1.5代墒情监测站采用FDR原理,整合了廓线监测领先技术,测量各土层水分和盐分含量;利用高精度数字温度传感器,测量各土层温度。可测同时测量10个土壤剖面的水分含量、盐分含量和土壤温度数据(最小间距为10cm),适用于具有代表性土壤的长期不间断监测。大大节省了人工成本。
     1.5代墒情监测站具有轻巧、便于安装、使用方便、测量准确等诸多有点。该仪器由一个土壤水分传感器、一个土壤温度传感器、一个太阳能供电及传输装置组成。目前,产品广泛用于农业、林业、环境保护、水利、气象等行业部门的环境信息监测和采集、节水灌溉、温室控制、精细农业等,以满足科研、生产、教学等相关工作需求。

2、特点

1. 精度高
2. 廓线测量
3. 采集时间间隔根据需要设定
4. 传感器数量和深度可自选
5. 不破坏剖面,对土体抗动小
6. 安装简便,且容易维护
7. 与WITU精准灌溉系统软件结合,科学管理灌溉、施肥
8. 灵活读取土壤水分数据
9. 数据自动上传至云服务器,服务于科研和农业生产

3、技术参数

1. 通讯单元:DTU传输
2. 测量范围:干到水分饱和
3. 测量精度:3%
4. 测量深度:≤1.6m
5. 水盐传感器总长:≤1.6m
6. 土温传感器总长:≤1.6m
7. 供    电:太阳能供电
8. 工作温度:-20℃~70℃

4、传感模块识别

        
    

5、外管识别

1)太阳能供电及传输系统

2)土壤水盐传感器和土壤温度传感器
         
         图中:白色传感器为土壤水盐传感器,灰色为土壤温度传感器(4层)

二、 传感器性能

1、土盐传感器性能表

1.特征:MS-FDR1
2.水盐传感器测量原理:高频电容、低频电容
3.输出选项:RS485
4.接口测量原理:脉冲计数
5.输出方法:连续数据
6.分辨率:0.1%
7.精度:标定后,±3%m³/m³
8.测量范围:土壤由干到饱和
9.工作温度:-20-75℃
10.感应范围:90%是从探测管外部10cm以内的范围读取
11.水盐传感器直径:50.5mm
12.安装开孔:60mm

2、土壤温度传感器性能表

1.土温传感器测量原理:高精度数字温度传感器
2.输出选项:RS485
3.输出方法:连续数据
4.分辨率:0.1℃
5.精度:±0.2℃
6.测量范围:-40~100℃
7.工作温度:-40~60℃
8.安装开孔:60mm

三、 传感器标定

1、传感器标定原理

      利用传统的烘干法测得土壤水分值,作为FDR土壤含水量测量方法的校正标准。本实验在标定中用烘干法测得的土壤水分值作为标准值,与同步的FDR测定值进行对比分析。
      FDR型土壤水分测定仪是利用测量振荡电路的振荡频率的方法来推算土壤含水率的。因此,首先需要建立LC振荡电路频率与土壤含水率的函数关系,然后利用函数关系进行土壤含水率推算,这就是仪器初始标定工作所要完成的任务。
      LC振荡电路频率与土壤含水率呈指数关系,其关系表达式为:
                           
      θν为土壤容积含水量,a、b为待定参数,SF为LC振荡电路的归一化频率,式中θν采用容积含水率是为了克服土壤变异性对土壤含水率测量的影响。
      公式中SF定义为:
                          
      Fa、Fw、Fs分别为仪器放置于空气、纯水、土壤中测得的频率。 
1)烘干法原理   
      土壤中被颗粒吸附的各种形态类型的水分,在105-110℃温度范围内连续烘干6-8小时后,均能被释放出来。测定烘干前后重量得到土壤含水量。  
2)土壤容重的获得
     土壤容重是指土壤在未受到破坏的自然结构的情况下,单位体积中的重量,通常以克/厘米3表示。土壤容重的大小与土壤质地、结构、有机质含量、土壤紧实度、耕作措施等有关。砂土容重较大,粘土容重较小。一般腐殖质多的表层容重较小。耕作土壤中,耕层容重一般为1.0-1.3克/厘米3,土层越深则容重越大,可达1.4-1.6克/厘米3。沼泽土的潜育层容重可达1.7-1.9克/厘米3或更大。土壤容重不仅用于鉴定土壤颗粒间排列的紧实度,而且是计算土壤孔隙度和空气含量的必要数据。
测定土壤容重的方法很多,如环刀法、蜡封法、水银排开法等。环刀法是常用的方法之一。其原理是利用一定容积的环刀切割未搅动的自然状态的土样,使土样充满其中,称量后计算单位体积的烘干土重量。本法适用于一般土壤,对坚硬和易碎的土壤不适用。

2、实验室快速标定方案

     FDR型土壤水分测定仪(仪器型号:WITU-GeoScan)、环刀、铝盒、记号笔、削土小刀、小铁铲、托盘天平、烘箱、干燥器、干燥剂、凡士林。
1)土壤样品的制作
    标定所用样品桶,高15-19cm,直径16cm,内置环形FDR安装管。桶底部密封,并留有排水孔。(注:样品桶为土壤标定实验专门制作,材质为PVC,可抗105摄氏度高温。)
    实验人员将安装管封口做好密封,防止样品制作过程中进入杂质,干扰测量。
    先对土壤样品桶进行编号,用取样铲承取土壤样品,均匀加入样桶中,并晃动样桶,使土壤均匀分布。再用烧杯取水,均匀浇灌土壤,使样品桶水分饱和。浇水后,经48小时自然运移,达到水分平衡。土壤样品制作完成。
2)使用FDR传感器测定频率值
     标定用传感器FDR式土壤水分传感器,型号:SWCP-CR,每个样品分别用三个传感器进行重复测定,步骤如下:
1. 测定传感器Fa、Fw的值
    利用专用设备测定传感器在空气和纯水中的频率,以确定传感器的基点和极大值,即确定Fa、Fw的值;
测定Fa、Fw值
2.测定各土壤样品中的频率,计算归一化频率SF值
    通过人工技术手段培养每个土壤样品的不同含水量水平,每个含水量水平都要进行土壤中频率值的测定。
    选择同一深度土层(0-10cm)作为采样点,利用仪器分别测定,即确定振荡频率Fs的值。确定了公式(2)中各个变量的值,就可以计算得到LC振荡电路的归一化频率SF。
测定土壤中频率值并计算归一化频率SF 
3.用烘干法测定土壤含水量,建立与SF对应关系
仪器测定完毕后,进行人工取土采样,通过取样铲在各样品中逐个取样,用烘干法获得对应土层的土壤含水率。将取土烘干法获得的土壤含水率与实测的传感器频率值进行分析比较,建立土壤含水量θv与归一化频率SF的对应关系。
用烘干法取得土壤体积含水量
4.完成拟合运算,确定参数a、b值,完成仪器标定
     用实测的土壤含水率θv和频率SF绘制散点图,并用指数函数通过Excel工具进行拟合运算,可以用拟合的指数曲线来近似代替土壤含水率和仪器振荡频率的函数关系,R2≥95%,说明拟合结果具有很好的相关性。
确定了拟合的指数曲线,也就能确定公式(2)中参数a、b的值,最终可以利用公式(2)中的函数表达式对仪器进行标定。在实际的农业生产中,管理者通常以田间持水量和萎蔫系数作为灌溉的上下限参考阈值,因此,巍图科技在土壤曲线标定时,对体积含水量10%~50%的范围进行了集中标定,小于10%和大于50%的范围,直接采用了线性方程进行模拟拟合。如用户的土壤含水量体积目标测定区间不在10%~50%之内,建议用户自行对相关土壤含水量区间进行标定。

3、田间原状土标定方案

      土壤含水量曲线应包括三个阶段的土壤数据,即干土、潮土和湿土(如图1所示),因此,要野外进行原状土土壤含水量曲线标定,就需要人工培养干土、潮土和湿土土壤样品。

1.现场准备
      现场准备包括土壤采样地点选择和土壤样品制作。选择土壤采样地点,要选择田地中具有普遍代表性的地块进行采样。建议选择三个小区域分别进行土壤样品培养,分别培养干土、潮土和湿土样品。
      培养干土:选择干土培养地块后,安装两个监测管,监测管之间间距至少2米。在区域上架设防雨棚,使土壤自然风干。
      培养潮土:选择潮土地块后,安装两个监测管,监测管之间间距至少2米。
      培养湿土:选择湿土地块后,安装两个监测管,监测管之间间距至少2米。在湿土区域进行灌溉,使土壤处于较高土壤含水量状态下,并可在土壤表面覆盖湿润稻草等,防止水分蒸发。
      干土、湿土、潮土地块之间的距离,要保持在5米以上,防止水分互相渗透干扰。见示意图如下:  
     
      监测管安装应使用巍图科技提供的专用安装工具,安装时注意土壤与管壁之间没有空气间隙。(详情参照《探测管的安装》)
      实验人员可通过目测、取土烘干测量或借助简便水分测定仪器等,对土壤含水量情况进行初步判断,从而能够在不同的含水量阶段(湿润、潮湿、干旱)进行频率测定与取土样,从而得出含水量曲线。
2.频率值测定
      在土壤样品培养好后,将传感器置于监测管中,记录不同土层中的振荡频率值Fs,结合各传感器在水中、空气中的频率值,计算归一化频率SF值。
3.取土样
     传感器测量范围为高度10cm,宽度6cm范围内,应在有效范围内取土,示意图如下:
      
       为了取土时人员操作,应在距离监测点50cm处挖一条宽50cm的深沟,然后用取土环按照每一层次分别取土,每一土层至少取三个土壤已做对照,示意图如下:   
   

              
4.测定质量含水量与土壤容重
      采用烘干法测定土样的土壤水分质量含水量,用环刀法测定土壤容重,并计算得出相应的体积含水量。
5.数据拟合,取得土壤体积含水量标定曲线
      将各土样的土壤体积含水量θv与归一化频率SF值用幂函数公式进行数据拟合分析,得出土壤体积含水量标定曲线。
总之,此方法因为是田间原状土取样,所以准确度高,数据拟合性好,但因为对室外自然环境有一定要求,所以标定持续时间较长,且重复性较差。因此建议将室外标定与室内标定同时进行,互为参考。 

四、 云数据平台

1、云数据平台登录

登录网址为agridatabase.com.cn,每个用户都会有独立的账户和密码

2、云数据平台数据查询

登录即可查看对应设备的数据,可根据时间信息,地点信息选择查询、下载及分析需要的历史数据


五、 探测管安装

      感谢您使用1.5代墒情监测站,这本手册将协助您完成本产品的安装,并指导您正确的使用,在开始实际的安装使用之前,请完整的阅读本用户使用手册,并按照下面的步骤和说明使用设备。
一、安装前准备工作
1.观测地段选择
      观测地段必须具有代表性。代表当地一般地形、地势、气候、土壤、产量水平和主要耕作制度。地段保持相对稳定。观测地段面积,一般为1公顷,不小于0.1公顷。观测地段周围20米内没有沟河水渠和道路,附近没有大型水体,能够保证10米*10米的平整场地,选取土层较厚的自然土壤(非回填土)。
2.测定深度
      测定深度一般为0.1~1.6米,共16层,用户可根据种植作物和监测目的对传感器采集层数进行调整。
3.传输设备安装地点确定
     选择没有光线遮挡位置安装供电及传输系统
二、探测管的安装
     土壤温度传感器与土壤水盐传感器安装方法相同
1.  打孔
     1)   打孔位置:打孔位置一般选择在具有代表性土壤中,避开这片地的边缘和灌溉管道直接影响的区域
     2)   打孔深度:打孔深度为土壤水盐传感器下外沿至土壤水盐传感器底部长度加50mm
     3)   打孔工具:用螺旋钻进行打孔
     4)   打孔方法:打孔时土钻要与地面垂直,可先在土钻延长杆上在打孔深度上做好标记,在标记与地面齐平时即达到打孔要求
     5)   注意事项:打孔后一定要将土壤水盐传感器放入打好的孔内,土壤水盐传感器可以顺畅进入孔内,土壤水盐传感器下外沿低于地面
2.  泥浆制作与填充
     1)   集土:钻孔时螺旋钻带出的泥土要用盆来收集
     2)   破碎:将收集的土壤进行破碎,挑出泥土中的杂质
     3)   混合:1:1比例加入水,和成泥浆,泥浆中不能有大块坚硬土壤
     4)   填充量:填充量控制在2/3左右
3.  插入土壤水盐传感器
     1)   插入方法:将传感器孔缓慢插入孔内,可左右旋转排除多余泥浆
     2)   注意事项:插入时要缓慢,防止泥浆过量喷出,当受到阻力过大时,可以适当向上拔出再插入
4.      传感器完成安装
    1) 土壤水盐传感器外管上地面位置线与地面齐平时即完成安装
    2) 土壤温度传感器与土壤水盐传感器安装方法相同,土壤温度传感器外管上地面位置线与地面齐平时即完成安装
5.   连线
    1) 将土壤水盐传感器用连接线连接到传输模块
    2) 将土壤温度传感器用连接线连接到传输模块
    3) 将太阳能电池班连接线与传输模块连接
    4) 按下传输模块上的电源开关
    5.)安装完成     
    6) 安装效果展示
三、安装注意事项
    1.  供电传输模块太阳能板需安装稳固,面向正南方向,不能有遮挡物
    2.  土壤水盐传感器及土壤温度传感器安装打孔时距离要达到半米以上,打孔时边打边用传感器插入实验,放置打孔深度过深或者过浅,深度一般要求大于传感器长度50mm为宜
    3.  土壤水盐传感器及土壤温度传感器填充泥浆制作时要注意剔除硬块、石头等杂物,按照比例加水,浓度太大会造成传感器无法顺利插入至指定位置,浓度过小会造成传感器上端无法密闭紧实 

六、 附录

1.关键术语

质量含水量:也称作自然含水率或绝对含水量,土壤中所含水的质量与烘干土的质量的比值。
计算公式:质量含水量=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100%
相对含水量:土壤含水量占该土壤田间持水量的百分数。
计算公式:相对含水量(%)=土壤含水量/田间持水量×100%
体积含水量:水分容积与土壤容积之百分比。
计算公式:体积含水量(体积%)=水分容积/土壤容积×100%
 
   

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