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    南京傳滴儀器設備有限公司 南京特愛得儀器設備有限公司
    Nanjing Chuan-Di Instrument & Equipment CO., LTD. Nanjing Teai-de Instrument & Equipment CO., LTD.
    (原中國科學院南京土壤研究所技術服務中心傳感器、儀器設備部)

     技術文章
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    真空表式張力計、壓電式水勢傳感器(壓電式負壓計)及其變送器、土壤溶液抽慮器
    WT-11 型土壤水分 / 溫度計 PC-09型一體化壓電式水勢變送器
    WT-11 型土壤水分 / 溫度計

    一、概 述
    WT-11 型土壤水分 / 溫度計一種能直接測定土壤的含水量和土壤溫度的儀器 . 如照片所示 .
    土壤含水量的測量方法是采用 土壤含水率 時域反射法 (Timedomainreflectrometry,TDR), 它也是一種通過 測量土壤介電常數來獲得土含水率的一種方法。 TDR 的原理是電磁波沿非磁性介質中的傳輸導線的傳輸到導線終點時,又有一部分電磁波沿導線反射回來,這樣入射與反射形成了一個 時間差 T 。因此通過測量電磁波在埋入土壤中的導線的入射反射時間差 T 就可以求出土壤的介電常數,進而求出土壤的含水率。
    土壤溫度的測量是將 溫度傳感器直接插入土壤中 , 進行測量 .
    這種儀器采用 TDR 測量方法、其優點是測量速度快,操作簡便,精確度高,可連續測量,既可測量土壤表層水分,也可用于測量剖面水分既可用于手持式的時實測量,也可用于遠距離多點自動監測,測量數據易于處理。因此 適用于科學試驗、節水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養、污水處理、及各種顆粒物含水量的測量。
    二、測量參數 1 、水分量程: 0 - 100% 單位:%( m3/m3 ); 滿度值: 100.0% (用戶可自已校正); 測量精度: ± 3% ;復測誤差 : < 1%; 參數類型:土壤容積含水量
    2 、溫度 量 程 : -20℃-+100℃ ;特點:簡單可靠,以 10mV/℃ 線性增加或減小,不需要校正;即當 25℃ 時,輸出電位為 250mV; 分辯率: 0.1℃ , 在室溫下精度為 ± 0.25℃ , 全量程 ± 0.75℃
    三、電路參數電源:儀器內裝蓄電池供電,(附 8.4V 充電器);水分:靜態電流 <30mA; 工作頻率: 100MHz; 響應時間 < 1秒;測量穩定時間: 2 秒 ; 測量區域: 95% 的影響在以中央探針為中心,直徑為7 cm 、高為 7cm 的園柱體內 . 工作溫度范圍: -20 ℃ -80 ℃

    一、PC-09型一體化壓電式水勢變送器結構與連接
    PC-09型一體化壓電式水勢變送器可對水勢傳感器進行供電和信號變送,它由壓力變送器、測量放大器和V/A變送器等組成。它能將水勢傳感器產生的電壓信號轉達換成4-20mA電流輸出,供數字表讀數或計算機數據采集。它是水勢數據采集和農田節水灌溉控制系統必需部件。
    一體化壓傳感器的測量范圍為0到-100Kpa,相應輸出電流為4-20mA,在智能表上的電壓讀數為1-5V。因此負壓的結果為: -P=(智能表上的讀數-1000)/40。
    如讀數為4200mV,則水勢傳感器的負壓值 80Kpa。智能表上、下線控制輸出的設置詳見說明書。如果要求大于30Kpa時控制灌溉,則設置值=30X40+1000=2200mV.
    真空表式與壓電式張力計 在野外安裝壓電式水勢傳感器 WT-11型土壤水分-溫度計

    多種傳感器變送器
    (pH/ORP/Do/EC/)

    土壤溶液抽慮器使用時的連接
    新型真空表式的真空表是可卸下來的,它靠O型張力計圈密閉。一體化二線制壓電變送器的螺紋(直徑為10-1)與真空表的螺紋是一樣的,因此主體件既可以做成真空表式張力計又可以做成壓電式水勢傳感器,十分方便。也可以用SWP-100便攜式土壤水勢測定儀測定水勢。
    左圖為一體化壓電式水勢傳感器 性能:
    1、二線制供電電壓為12V-24V
    2、壓力范圍:0- -100KPa
    3、輸出信號為4-20mA
    4、將輸出信號送到智能表,由智能表設置某種作 物灌溉值,組成一種簡單、經濟、實用的自動灌溉裝置,實現自動灌溉。
    二、使用與注意事項
    壓電式水勢傳感器使用、安裝時主要掌握好用無氣水和將陶土管中的空氣排除干凈這兩個環節。除氣瓶中的空氣不僅影響儀器測量精度和產生遲后現象,而且嚴重的還會影響儀器的正常使用。
    使用時先將張力計的陶土頭部分放入水中,待讀數平衡后,調節零位;用標準壓力表校正時,調節斜率,使讀數與相應讀數一致。
    1. 水勢傳感器中注入無氣水(冷開水)直到加滿為止,將傳感器直立10-20分鐘(不要加蓋子),讓水把陶土管濕潤,并見水從陶土管表面滴出。再將傳感器注滿無氣水,加蓋子密封,并將儀器直立,讓陶土管在空氣中蒸發。約二小時后,此時從陶土管、壓電傳感器、有機玻璃管中,會有埋藏的氣泡逸出,輕輕敲打傳感器,使氣泡集中到上部。再將陶土管浸入無氣水中,此時變送器讀數回到零附近,打開蓋子,重新充滿無氣水,加蓋子密封,并將儀器直立,讓陶土管在空氣中蒸發。上述操作反復2-3次。反復做幾次除氣處理,在除氣的同時,傳感器中的空氣自動排出而為水充滿。
    2. 零位的調節:傳感器除氣后在空氣中蒸發,使負壓升至一定值(約為滿度值的1/4)時,將陶土管的一半浸入水中,靜候變送器慢慢回零,直止不變,此時調節變送器的零位調節器,顯示0.000。用標準壓力表校正傳感器(含變送器)的靈敏度。詳見"壓電式土壤濕度計"說明書。
    3. 按照上圖所示的輸入、輸出接線圖正確接線,否則不能正常工作,甚至損壞器件。
    4. 用專用取土器預先在埋設水勢傳感器的地上鉆一個孔,將傳感器輕輕插入,以防損壞傳感器。
    5. 儀器在濕土中使用,測量由濕變干的過程,水勢傳感器可以從飽和時開始測量;若需要在較干的土壤中作用,測量由干變濕的過程,干土的初始含水量須在水勢傳感器的測量范圍內(<0.85巴),先將水勢傳感器風干達到被測干土的吸力值,然后插入土壤中使用。
    6. 在室外使用時,由于溫度變化大,以及使用周期長,就要對水勢傳感器和變送器采取一些保護措施.如在水勢傳感器上外罩避免日光趨勢照射.為減少溫差波動對傳感器的影響,可將傳感器埋入土中.為了防止土壤中的水氣滲入,做一個塑料管密封套保護傳感器。
    7. 一般來講,如埋設前傳感器內部的空氣基本除凈,且土壤的濕度在傳感器的測量范圍內,則可連續維持20-25天不必重新加水。當氣溫降到冰點前,應將傳感器撤離。
    8. 陶土頭切忌油污,以免堵塞細孔,傳感器失靈。
    9. 儀器通常在5-45℃溫度范圍內使用。同時應注意避免其他電、磁場的干擾。
    10. 水勢傳感器的校正請參閱壓電式土壤濕度計說明書或其它資料。
    附錄:
    100Kpa=1巴=1000毫巴=75.01厘米汞柱=1020厘米水柱。

    土壤溶液抽慮器的連接與使用

    用專用取土器預先在埋設土壤溶液抽慮器的地上鉆一個孔,將土壤溶液抽慮器輕輕插入,以防損壞土壤溶液抽慮器。將手動真空泵與抽氣管連接好,再將20mL抽液注射器與抽液管連接好,就可投入使用。
    使用方法:
    1、用手來回壓動手動抽氣泵,使壓力表在80KPa以上,并自動保持負壓。

    2、待溶液進入抽慮管后,手按手動抽氣泵上的進氣按鈕,解除負壓,用注射器抽取土壤溶液。

     

    SWP-100型便攜式土壤水勢測定儀
    概述 測定土壤水勢通常用真空表式張力計, 真空表式張力計雖然簡單,但有幾個弱點,如在使用前有較長的除氣過程;真空表在較長時間處在高負壓情況下靈敏度可能發生變化或回不到零點;在運輸和使用過程中碰到有劇烈的振動真空表回不到零點;測定精度低,通常為2.5%等.所以對這種真空表式張力計的改進就勢力在必行.   
      SWP-100型便攜式土壤水勢測定儀利用張力計原理結合一個或多個探頭的方法,對傳統技術進行了改進,可以只采購一臺儀器,可完成上百個水勢探頭的測數任務,它既保證了水勢測定的精度,又降低了多點觀察的成本。。 適用于農田和盆栽土壤的水分測定,可將探頭長期埋于地下不同的深度和不同的被測地塊,這樣如果想知道某個點位的水勢就可以將儀器接到探頭上即可讀出數值?梢栽谔镩g定位檢測和觀測土壤水勢,從而可進一步獲取土壤水分、導水率等土壤水利性質參數。
    二SWP-100型便攜式土壤水勢測定儀技術指標與特點:
    1. 測量范圍:0~100Kpa
    2. 精度:精度為±1KPa。顯示屏數顯的單位為千帕斯卡(KPa)。
    3. 環境溫度:0~60 ℃.
    4.儀器由二個數5號電池供電(電池電壓從1.2伏-3伏變化儀器零點和靈敏度不變)。
    5.用戶可以根據自己的要求再采購不同數量的張力計探頭. 價格合理(儀器加20支張力計的價格與20支真空表式張力計的價格相當。如果購買數量大于20支,就開始少化錢)。
       0-10 Kpa:表示潮濕,對多數作物濕度過高。
       10-30 Kpa:表示濕潤,適宜多數作物生長。
       30-50 Kpa:表示干爽,喜濕作物已需灌水。
       >50 Kpa:表示干燥,多數作物需要灌水。

    壓電式土壤濕度計
    通常負壓式土壤濕度計的土壤水吸力(水勢)值,采用U型玻璃管中水銀柱高低或真空表讀數。顯然,這樣的負壓式土壤濕度計不能連續地記錄土壤濕度的動態變化過程。而壓電式土壤濕度計能將測得的土壤吸力值轉變為電壓信號輸出,供二次儀表測量顯示,或連續記錄這個電壓值。這為研究者提供田間土壤水吸力的動態資料,可以進行土壤水分模型試驗,土壤持水曲線和滲透速度等測定,這些大量的動態資料對數字模擬研究尤為必要。另外由于自動連續記錄數據,節省了大量的測量和讀數時間。在微機日益普及的今天,將壓電式土壤濕度計的電壓信號經過A/D轉換器與接口電路輸入微型計算機,進行數據處理,可作為數據庫或進行復雜的數值運算,或與灌溉系統聯接起來,實現微機控制的閉環自動灌溉系統。

    一 原理與結構
    利用固態壓力傳感器將土壤濕度計測得的土壤吸力值轉換為電壓值,供二次儀表(數字儀表或自動記錄儀)測量和顯示。
    壓電式土壤濕度計的結構由張力計、壓力傳感器、顯示儀表及電源等部分組成,如圖1所示。

    1. 張力計:張力計的構造與一般張力計相同,通過一個多孔陶土體與被測土壤緊密接觸,使陶土管中水的張力與土壤水的吸力達到平衡,張力計內部便產生與土壤吸力相應的負壓力,它通過水傳遞給壓力傳感器。
    2. 壓力傳感器:壓力傳感器是采用擴散硅壓力傳感器。采用集成電路工藝在硅膜片上制成一個惠斯登電橋,當硅片受到壓力時,電橋失去平衡,產生一個電位差。這就是壓力傳感器將壓力轉換為電信號的原理。在土壤水吸力為零至一個大氣壓時,輸出電壓值為0-100毫伏。土壤水吸力值與電壓值之間呈良好的線性關系。
    3. 顯示儀表:顯示儀表可以采用數字電壓表或電子電位差計(記錄儀)。根據使用要求不同選擇不同的分辨率和精度?蛇x用分辨率為10微伏,精度為0.05%的高精度五位數字電壓表;在作為普通測量時,可用數字萬用表,分辨率為0.1mV,精度為0.5%±2個字。傳感器的信號還可以由A/D轉換器進行轉換后,經I/O接口,供計算機進行數據采集和處理,由計算機顯示屏顯示和打印機打印輸出。
    4. 電源:壓力傳感器是用直流電源供電,通常有恒壓源和恒流源供電方式兩種。在近距離測量時,可以用恒壓源或恒流源供電,若測量傳輸距離較遠時,且精度要求較高時,要用恒流源供電。無論是恒壓源供電,還是恒流源供電,一個電源只能對一個傳感器供電,否則會產生交叉干擾。

    二 安裝與校正
    1. 安裝:將電壓式濕度傳感器的插頭插入變送器的插座中,變送器上的信號線接到數字電壓表(或電子電位差計,數據采集系統的A/D轉換器)的輸入端,然后將電源變換器插入220V交流電源插座中。這時數字電壓表上的讀數為土壤水吸力轉換為電壓的值。
    2. 校正:濕度傳感器的校正裝置如圖2所示。采用標準水銀壓力表或標準真空表(0.4級)的壓力值為比對標準。將已經作除氣處理的待校正張力計插入盛水的密封的容器中,使陶土管的中部與水面平衡,陶土管中部受的負壓就是該處土壤水的吸力大小,開始時,容器通氣大,水面張力為零,調節儀器讀數為零。然后接通抽氣機,使容器內達到接近-684毫米汞柱,也即-0.9大氣壓時,調整傳感器的靈敏度,使輸出電壓為90mV;蛘卟捎糜嬎愕姆椒ǖ膩淼玫綔y定結果,如在-684毫米汞柱(也即-0.9大氣壓)時,壓電傳感器的輸出為80mV,在實際應用測量時壓電傳感器的輸出為70 mV,則這時的大氣壓為:
    P=(-684/80)×70=-598.5毫米汞柱
    或 P=(-0.9/80)×70=-0.7875大氣壓。在用Kpa來表示大氣壓時,則P= -598.5×0.133322=-79.7932 Kpa。
    再使容器通大氣,水面張回到零,這樣反復二、三次調節,就可以確定下來。
    PC-09型一體化壓電式水勢變送器的壓力與電壓關系曲線如右圖所示.
    三 使用中注意事項

    壓電式土壤濕度計使用、安裝時要求掌握好用無氣水和將陶土管中的空氣排除干凈這兩個環節,除氣瓶中的空氣不僅影響儀器測量精度和產生滯后現象,而且嚴重的還會影響儀器的正常使用。具體需要注意以下事項:
    1. 張力計中注入無氣水,反復做幾次除氣處理,在除氣的同時,傳感器中的空氣自動排出而為水充滿。
    2. 變送器上的信號輸出線紅線為正,黑線為負,分別接到二次儀表的輸入端。
    3. 儀器在濕土中使用,測量由濕變干的過程,張力計可以從飽和時開始測量;

    若需在較干的土壤中使用,測量由干變濕的過程,干土的初始含水量須在張力計測量的范圍內(<0.85巴),先將張力計風干達到被測干土的吸力值,然后插入土壤中使用。
    4. 在室外使用時,由于日溫度變化大,以及使用周期長,就要對儀器的傳感器部分采取一些保護措施。如在傳感器上加外罩避免日光直接照射;為減少溫差波動以傳感器的影響,可將傳感器埋入土中;為了防止土壤中的水氣滲入,做一個塑料管密封套保護傳感器。
    5. 儀器通常在5-45℃溫度范圍內使用。同時應注意避免其他電、磁場的干擾。

    真空表式張力計
    土壤濕度計(見照片)由一個陶土管和一個真空表組成。陶土管是儀器的感應部件,具有許多細小的孔隙,陶土管被水浸潤后,在孔隙中形成一層水膜。當充滿水而且密封的土壤濕度計插入水份不飽和土壤時,水膜便與土壤水連結起來,使儀器內部的水產生負壓。這樣,真空表指示的負壓,就是土壤水吸力。
    土壤水吸力是土壤水勢的強度指標,和土壤水的流動以及對植物的有效性有密切的關系,與土壤含水率的含義不同,它是在土壤水勢的強弱上面不是在多寡上反映土壤的干濕程度,一般來說,土壤吸力愈大,含水量愈;土壤吸力愈小,含水量愈多,所以土壤濕度計指標的資料也能大致反映出土壤的含水量狀況。
    儀器具有結構簡單,靈敏度較高,使用方便等到優點,可以定點定位連續測定土壤水份的運行,及時反映土壤水份的縱橫變化。為灌溉、排水,作物生長提供必要的科學根據。
    土壤濕度計由集氣管,真空表和陶土管組成,集氣管上端為注水口,用密封蓋蓋緊。旁側有一個接口與真空表聯接,下端通過塑料管與陶土頭相接。
    儀器按長度分常用的為表以下長度300毫米,如使用單位需要特定的長度,可與我公司聯系定制。
    1、張力計的主體為聚炳烯(PPR)材料,較原來的PVC材料密封性更好,壽命更長;2、真空表用O型圈密封,用戶可自行拆卸;3、不用橡皮塞密封,既方便,密封性又好。歡迎使用。

    真空表式張力計說明書
    PC-09型一體化壓電式水勢變送器說明書

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