[发明专利]一种测定土壤热特性和水分特征的系统和方法

权利要求书

1.一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，包括：

测量装置，用于测量土壤的温度和含水量；

上位机，与所述测量装置连接，用于根据所述土壤的温度确定土壤的热特性，并根据所述含水量确定土壤的水分特征；

所述测量装置包括：

探针，用于加热土壤，并用于探测土壤温度信息；

多个热敏电阻，固定于所述探针上，用于测量土壤的温度；

开设有多个孔的陶瓷盘，用于固定所述探针；

重量传感器，用于测量所述陶瓷盘的重量；

电路板，分别与所述探针、多个所述热敏电阻和所述重量传感器连接，用于控制所述探针加热土壤的时间，并用于根据所述陶瓷盘的重量确定土壤的含水量。

2.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述探针包括：

加热探针，用于发射热脉冲信号对土壤进行加热；

温度探针，用于接收热脉冲信号，并探测土壤温度。

3.根据权利要求2所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述加热探针和所述温度探针均包括：

加热电阻丝，用于加热土壤；

金属管，套设于所述加热电阻丝上；

导热环氧树脂，填充于所述加热电阻丝与所述金属管的空隙中，用于传递所述加热电阻丝散发的热量。

4.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述热敏电阻按设定距离等间距的安装在所述探针上。

5.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述测量装置还包括：椭圆手柄；

所述电路板镶嵌于所述椭圆手柄中。

6.根据权利要求1所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述系统还包括：

辅助转孔装置，用于辅助所述测量装置插入土壤。

7.根据权利要求6所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述辅助转孔装置包括：手柄、连接杆、气泡水平仪和空心钢管；

所述手柄通过所述连接杆与所述空心钢管固定连接；

所述气泡水平仪安装于所述连接杆上。

8.根据权利要求7所述的一种测定土壤热特性和水分特征的系统，其特征在于，所述空心钢管上开设有圆孔；所述圆孔用于观察空心钢管是否全部插入土壤中。

9.一种测定土壤热特性和水分特征的方法，其特征在于，包括：

获取测定数据；所述测定数据包括：热敏电阻测定土壤最高温度所对应的测量时长、加热探针和温度探针间的距离、加热探针加热土壤的时长、单位长度和单位时间内加热探针输入的热量以及土壤温度随时间的变化值；

根据所述热敏电阻测定土壤最高温度所对应的测量时长、所述加热探针和温度探针间的距离以及所述加热探针加热土壤的时长确定土壤的热扩散率和容积热容量；

根据所述土壤的热扩散率和容积热容量确定土壤的热导率；

根据土壤中不锈钢TDR探针的电磁脉冲信号获得土壤的含水量；

根据陶瓷盘中钢管TDR探针的电磁脉冲信号获得陶瓷盘中的含水量；

根据所述热敏电阻测定陶瓷最高温度所对应的测量时长、所述加热探针和温度探针间的距离以及所述加热探针加热陶瓷盘的时长确定陶瓷盘的热扩散率和容积热容量；

根据所述陶瓷盘的热扩散率和所述容积热容量确定陶瓷盘的热导率；

根据探针校正过程中建立的含水量或热导率与基质势之间的关系，以及测定的陶瓷盘的含水量或热导率确定陶瓷盘的基质势；

根据所述陶瓷盘的基质势获得热导率-含水量-基质势特征曲线；

根据所述热导率-含水量-基质势特征曲线获得土壤的热特性和水分特征。

10.根据权利要求9所述的一种测定土壤热特性和水分特征的方法，其特征在于，根据公式确定所述土壤温度随时间的变化值ΔT(r,t)；

根据公式确定所述土壤的热扩散率κ；

根据公式确定所述土壤的溶积热容量C_v；

根据公式确定所述土壤的热导率λ；

其中，ΔT为测定的温度随时间变化值，t为时间，E₁为指数积分，t₀为热脉冲加热时长，r为所述加热探针和温度探针间的距离，Q'为加热探针的放热强度，t_m为热敏电阻测定土壤最高温度所对应的测量时长，q′为单位长度和单位时间内加热探针输入的热量。