一种自记式冻土含冰量测量装置

摘要

本发明涉及一种自记式冻土含冰量测量装置。引起冻土温度状态变化的因素消除后，在当地自然条件影响下，冻土温度恢复到从前稳定状态，利用这一性质本发明通过加热单位体积冻土并使其融化，测量冻土融化前后的土壤湿度，进而间接估算单位体积冻土含冰量。土壤温度和湿度传感器紧贴温度传感器安装在四片涂有耐高温绝缘材料电加热网的几何中心，通过温度传感器开关电路控制电加热网和电源的连接与断开。蓄电池放置在保温箱内转接太阳能充电控制器连接太阳能电池板组成电源系统。本发明成本较低，运行稳定可靠，结构原理简单，适合野外冻土含冰量的长时间自动观测。

权利要求

1.一种自记式冻土含冰量测量装置，包括：涂有耐高温绝缘材料电加热网（1）、温度传感器（2）、土壤温度和湿度传感器（3）、数据采集器（4）、温控开关电路（5）、太阳能充电控制器（6）、太阳能电池板（7）、电池保温箱（8）、蓄电池（9），其特征是温度传感器（2）紧贴土壤温度和湿度传感器（3）安装在由四片涂有耐高温绝缘材料电加热网（1）组成的立方体几何中心，土壤温度和湿度传感器（3）通过导线与数据采集器（4）连接，蓄电池（9）装在保温箱（8）中通过太阳能充电控制器（6）的转接与太阳能电池板（7）共同组成电源系统，由温控开关电路（5）控制涂有耐高温绝缘材料电加热网（1）电源开关闭合、断开。

说明书

一种自记式冻土含冰量测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种自记式冻土含冰量测量装置，该装置能够实现测量并记录冻土在固定时间间隔内的含冰量的值，通过自动充电、测量和记录完成长期的野外观测试验。

背景技术

[0002] 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰，北极高纬度冻土地区生态系统的研究资料表明，近年来由于气温升高而导致冻土活动层加深、生态系统各种生态要素发生了显著变化。同时，释放大量温室气体与水分，引起区域水能循环系统发生深刻变化，继而对整个地球系统产生重要影响，在我国多年冻土面积占国土面积的21.5%。冻土包括未冻水（液态水）、气体、固体颗粒和冻结水（冰）四种成分。冰作为冻土的重要成分之一，观测其变化是研究冻土活动的重要参照，但是当前对冻土含冰量的长期野外观测是一项技术难题，这是因为冻土的特殊构造使得土壤取样、测量等工作非常困难。目前被公认的能够准确测量冻土含冰量的 “核磁共振法”也只局限于实验室测量。所以研发一种可以适应野外观测的自记式冻土含冰量测量装置具有很高的实用价值。

发明内容

[0003] 综上所述，本发明的目的在于提供一种自记式冻土含冰量测量装置，本发明利用引起冻土温度状态变化的因素消除后，在当地自然条件影响下，冻土温度恢复到从前稳定状态这一性质，通过加热获取土壤湿度的间接方式获取冻土含冰量的变化，降低研究成本，有效解决了冻土含冰量观测难题，并且能够适应野外复杂的自然环境条件，实现全自动观测。

[0004] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：

[0005] 一种自记式冻土含冰量测量装置，包括：涂有耐高温绝缘材料电加热网、温度传感器、土壤温度和湿度传感器、数据采集器、温控开关电路、太阳能充电控制器、太阳能电池板、电池保温箱、蓄电池。温度传感器紧贴土壤温度和湿度传感器安装在由四片涂有耐高温绝缘材料电加热网组成的立方体几何中心，土壤温度和湿度传感器通过导线与数据采集器连接，蓄电池装在保温箱中通过太阳能充电控制器的转接与太阳能电池板共同组成电源系统，由温控开关电路控制涂有耐高温绝缘材料电加热网的闭合、或断开。

[0006] 本发明的优点：

[0007] 1、本发明通过先测量土壤冻结状态下土壤液态含水量，再测量加热融化冻土后的土壤液态含水量，利用二者之差来间接实现冻土含冰量估算。

[0008] 2、本发明采用的数据采集器性能稳定可靠，可存储15分钟间隔的数据1年，只需要工作人员定期采集数据并维护即可，数据通过专用软件下载到电脑做后期处理。

[0009] 3、本发明采用太阳能电池板给蓄电池充电，装置带有过流过压保护电路，具备一定的自我保护能力，保证了系统工作的可持续性，可满足长期的野外自动观测需求。

[0010] 4、本发明所需成本低，性能稳定，易于维护，且数据下载和分析方便。

[0011] 5、本发明为测量冻土含冰量提供了技术支撑，简化测量设备，可推广应用于气候、水文或生态等研究领域。

附图说明

[0012] 图1为本发明整体结构简图。

[0013] 图2为温控开关电路程序流程图。

[0014] 图3为本发明测量实验室制备不同含水量的冻土中含冰量占总含水量百分比变化曲线。

具体实施方式

[0015] 本发明采用的电加热网（1）为涂有ZS-1091耐高温陶瓷绝缘涂料，可承受600℃高温，击穿强度大于 10KV/mm，化学稳定性，能耐老化，耐水，耐化学腐蚀，涂层导热系数高。温度传感器（2）为不锈钢封装、防水型DS18b20温度探头、土壤温度和湿度传感器（3）和数据采集器分别采用美国Decagon公司生产的5TM和EM50，温控开关电路（5）是由温度传感器（2）和一块以STC89C52R+为核心控制器的单片机系统板组成的，装在保温箱（8）内的蓄电池（9）为蓄电池（PV100-12）串联组成的电池组、太阳能板（7）为太阳能电池板并联组成的太阳能发电组、太阳能充电控制器（6）是智能数显太阳能充电控制器，充电电流为10A至60A自动适配，自带过压欠压保护。

[0016] 下面结合附图，对本发明的技术方案再做进一步的说明：

[0017] 如图1-2所示，一种自记式冻土含冰量测量装置，包括：涂有耐高温绝缘材料电加热网1、温度传感器2、土壤温度和湿度传感器3、数据采集器4、温控开关电路5、太阳能充电控制器6、太阳能电池板7、电池保温箱8、蓄电池9。温度传感器2紧贴土壤温度和湿度传感器3安装在涂有耐高温陶瓷绝缘涂料四片电加热网1组成的立方体几何中心，土壤温度和湿度传感器3通过导线与数据采集器4连接， 数据采集器4主要采集5TM土壤温度和湿度传感器3传输的土壤温度和湿度数据；串联在一起的蓄电池组9装在保温箱8中通过智能数显太阳能充电控制器6的转接与太阳能电池板组7共同组成电源系统，由温控开关电路5控制涂有耐高温绝缘材料电加热网1的闭合、或断开。

[0018] 涂有耐高温绝缘材料电加热网（1）主要材料是镍铬丝Cr20Ni80，在其表面喷涂耐高温陶瓷绝缘涂料，通过加工制作规格为四片10cm*5cm组成的立方体电加热网，电热丝的工作电压为48V,经过计算测试整个电加热网的最大发热功率为350W。当土壤冻结之后其内部水分迁移变化缓慢，尤其是多年冻土，所以测量冻土含冰量的数据频率可以很低，同时为了使融化了的冻土彻底恢复，这里选择一天测量一次含冰量。温控开关电路一直扫描定时器发出的加热信号，当温控开关电路接收到加热信号之后闭合电加热网1的电源开关开始加热土壤，温控开关电路5根据温度传感器2传回的数据判断冻土是否融化。经过多次测试发现当冻土温度达到1℃的时候，土壤温度和湿度传感器3测得的土壤湿度可以完全代表土壤融化状态的湿度，所以当温度传感器2检测到涂有耐高温绝缘材料电加热网1几何中心的温度达到1℃时温控开关电路5断开电加热网1和电源的连接，停止加热。这个过程中数据采集器4以15分钟的时间间隔一直采集土壤温度和湿度变化。最后用加热后的土壤湿度减去加热前的土壤湿度得到的差值即为当前土壤含冰量。

[0019] 为了使自记式冻土含冰量测量装置能够稳定的实现长期的野外观测，对其充电、加热、含冰量等计算设计步骤如下：

[0020] 1）设太阳能电池板组输出电流为I 1，输出电压为U 1,根据电功率计算公式，则这组太阳能电池板在时间T 1内的输出功W 1为：

[0021] W1=U1 I1 T1 (1)

[0022] 2）蓄电池组工作电压为U 2，工作电流为I 2，则蓄电池组在时间T 2内对电加热网所做功W 2为：

[0023] W2=U2 I2 T2 (2)

[0024] 要保持系统长期野外观测稳定工作，则需要充放电平衡，即：

[0025] W1=W2  (3)

[0026] 3）设加热的冻土密度为ρ，加热冻土的体积为V ，则加热冻土的质量M 可以表示为[0027] M=ρV  (4)

[0028] 根据热量公式可以知道加热质量为M 的冻土所需要的热量H 为:

[0029] H=CρVΔt  (5)

[0030] 式（5）中C 为冻土比热容，Δt是冻结状态时的温度与1℃的温度差。而这些热量全部来自于功率为P 的电加热网热量，但是电加热网的热量一部分电加热网内冻土，一部分热量被外部冻土吸收，视网内外冻土吸收的热量相同。若加热这些土壤到1℃所需的时间为Δ T ，根据纯电阻电路发热功率计算方法可以得出：

[0031] H=2PΔT  (6)

[0032] 因为W2=PΔT，所以：

[0033] H=2W2=2W1  (7)

[0034] 根据 (1) (2) (7)可以得出：

[0035] CρVΔt=2 U1 I1 T1  (8)

[0036] CρVΔt=2U2 I2 T2  (9)

[0037] 根据式（8）（9）可知，系统安装时首先应提前对要观察的区域做一些前期实验，测出该地区冻土密度ρ和冻土比热容C 的大致范围，根据这些数据对太阳能电池板、蓄电池等组成的电源系统做出设计，确保系统可以野外观测要求。其次使测量装置充分接触周围真实环境，最大程度还原冻土在仪器安装之前的结构。

[0038] 4）系统安装完毕之后，当温度达到t0时冻土处于稳定状态，此时数据采集器记录了稳定状态下的土壤温度和湿度M0，当定时器装置发出加热信号时，涂有耐高温绝缘材料电加热网1开始加热，直到位于涂有耐高温绝缘材料电加热网几何中心的温度传感器2检测到土壤温度达到1℃时停止加热，此时数据采集器4记录了t1时的土壤湿度M1。最后下载存储的土壤温度和湿度数据与1℃的土壤湿度比较，便可得当前条件下冻土含冰量E为：

[0039] E= M1- M0(9)

[0040] 图3为本装置测量的实验室条件下制备的不同含水量的冻土中各个温度下冻土中含冰量占冻土总含水量的百分比。图3中，也给出了中国矿业大学( 北京) 力学与建筑工程学院，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室关于总含水量为35.3%的土壤中含冰量占总含水量的百分比变化趋势。从图3可以看出：本发明在测量冻土含冰量的试验中基本扑捉到了冻土含冰量占总含水量23.3%的百分比变化趋势，实现野外对冻土含冰量自动观测的目的。