土壤水分记录仪测量技术

  我国土壤干旱背景

    我国地域广大，南方天气潮湿，但是北方干燥，在北方多地我国受旱面积较大，多年来的干旱给我过经济带来了巨大的损失，南水北调工程工程浩大，加上落实实地还需长久的时间，如何利用先进的仪器设备加强土壤墒情及时准确的监测具有十分重要的意义。为此，本文讲解土壤水分记录仪及土壤水分测定仪的介绍，这些仪器能够迅速准确监测突然那个水分状况，并且可以集合气象、环境等因素分析（通过温湿度记录仪、温度记录仪、温湿光三参数记录仪、照度记录仪等环境监测仪器测量环境参数得到），可以为旱情测报及抗旱救灾工作提供科学依据。

 土壤水分测量技术

    土壤水分含测量方法在国内外比较普遍用的较多的是：时域反射法（TDR）与实域传播法（TDT）。这两种方法可以快速实时测量土壤水分状况，与其他土壤水分含量测量方法相比，在测量的实时性和精度都有优势，使用操作更加灵活，还可以适用于不同类型的土壤环境。

TDR土壤水分测量技术原理

    TDR全称时域反射法(Time Domain Reflectometry)，是根据电磁波在介质中的传播速度来测定介质的介电常数从而确定土壤容积含水量及含盐量的方法. 电磁脉冲沿着波导棒的传播速度取决于与波导棒相接触和包围着波导棒材料的介电常数（Ka）。电磁脉冲在土壤中传播时，其介电常数与土壤容积含水量有很好的相关性，与土壤类型、密度等几乎无关。一般来说，土壤成分包括空气、矿物质和有机颗粒以及土壤水分等。 由于水的介电常数远远大于空气和土壤基质中其它物质的介电常数,因此土壤的介电常数主要依赖于土壤的含水量。

空气－土壤－水分混合物的较粗略的介电常数（Ka）可以通过公式来确定：

Ka=(t×c/L)2

“L”是波导的长度

“t”为电磁脉冲从波导的始端到波导的末端所需的时间

“c”是真空中电磁波的传播速度

电磁脉冲沿着波导棒传播就像一束光在传输线中传输。传输线的中断和周边物质的不连续会使传输中的部分能量通过传输线反射回来。当电磁脉冲到达波导棒传输线的终端时，脉冲的剩余能量都将通过传输线反射回来。(图1所示）这就像一束光沿着一条管传播，在管的终端被镜子反射回来。利用电磁脉冲的这些特征，我们可以利用精密的电子设备,测量电磁脉冲沿着传输线（波导）所需要的时间。考察脉冲输入到反射返回的时间以及反射时的脉冲幅度的衰减，即可计算土壤水盐含量。

2.TDT土壤水分测量技术

TDT全称时域传播法（Time Domain Transmissometry），其基本原理与TDR相同， 不同的是TDT脉冲是在单根导播棒中传播，其信号的接受端在远离发射端的导播棒的终端。而TDR脉冲信号的发射端和接收端均是同一端。与TDR相比，TDT水分测量仪具有以下优势：

低频率，耗电小；

线路简单；

输出不需要波形显示和解释；

价格相对便宜等优势。

TDR与TDT水分测量相比：

TDR系统可以直接、快速、方便、实地监测土壤水盐状况，与其它测定方法相比，TDR具有较强的独立

性，测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等无关。 将TDR技术应用于结冰条件下土壤水分状况的测定，

可得到满意的结果，而其它测定方法则是比较困难的。 TDR另一个特点是可同时监测土壤水盐含量，在同

一地点同时测定，测定结果具有一致性，而二者测定是完全独立的，互不影响。

利用TDR技术实现的ZTS-2X土壤水分记录仪技术参数:

土壤水分记录仪功能特点：

*小巧美观便于携带，轻触式按键，大屏幕点阵式液晶显示，全中文菜单操作。

*一键式切换，可以手动记录也可脱离电脑随时设置采样间隔，自动记录数据并存储。

*实时显示功能，将仪器与电脑连接，电脑端实时显示采集数据。

*交直流两用，即可拿到野外随时测量采集数据，也可长时间放置记录地点。

*数据保存功能强大，大可储存5000条数据，即可在主机上查看数据，也可导入计算机。

*意外断电后已保存在主机里的数据不丢失。

*探头具有一致性，不同气象参数的传感器接口可以互换，不影响精度。

*将传感器插入主机后无需设置，自动搜索到多种不同类别的传感器（类似于U盘和电脑相联接）。

*省电功能，如果超过3分钟不操作仪器，将自动进入待机状态。在待机时，仪器会按设置的时间自动记录数据。

土壤湿度记录仪上位机软件功能：

1. 数据通讯。正确连接通讯线，按“显示”键显示记录，然后按“保存”键自动发送记录。

数据格式：

RecN  Water    T     ET   Emois  Dew   DATE     TIME  

0001  93.2%  017.9  018.8   54.7%  09.4  08-03-12   10:44:00

RecN:记录号，Water:土壤水分，T：土壤温度，ET:环境温度，Emois:环境湿度，Dew:露点温度，DATE：日期，TIME:时间

2、数据处理。

将上传的数据保存成txt文本文档。然后运行EXCEL软件，打开数据文件，进行相应的格式转换后成为EXCEL文件，应用EXCEL功能绘制图表、曲线等处理。也可用其它专用软件处理。

技术参数：

1） 土壤水分

测量参数：土壤容积含水量；

单位：%（m3/m3）

量程：0-99.9%

分辨率：0.1%

精度：±2%，在0～50%范围 

响应时间：1秒

2） 土壤温度

量程：-55-99.9℃

分辨率：0.1℃

精度：±0.5℃（-10℃-+85℃范围）

6） 日期时间：显示年月日时分秒

7） 记录时间间隔：1-250分钟可设

8） 记录容量：5000条

9） 电源：4节5号碱性电池

10） 功耗：<50mA（开机），<5μA（待机）

待机时间：>1000小时

通讯：RS-232C接口

土壤水分数据的实际应用

根据获取的土壤水分含量数据，可以绘制土壤水分利用曲线，通过该曲线，可以了解到水分利用程度以及什么时候开始灌溉适宜。结合智拓仪器提供的相应气象传感器，可绘制出每日水分含量及腾发量动态曲线。

计算所需要的灌溉量：

灌溉量=（田间持水量-当前平均含水量）×所需灌溉深度

此外，还可以从图表上直观获取田间持水量、压力点及所需灌水量。利用数据结合无线电系统装置，可以实现灌溉管理。