冻阻式冻土传感器

摘要

冻阻式冻土传感器，涉及气象观测中冻土测量的传感器。它由柱型传感器主体件、地下外套筒、隔热垫、连接插座、自动采集器组合而成，其中柱型传感器主体件内部设若干个中心距为1cm的感冻泡腔，腔内检测电极、感冻泡连通槽、电极导线密封槽、注水孔、排水孔；柱型传感器主体件外套箍有防涨胶管，置入地下外套筒中，腔内检测电极嵌在感冻泡腔壁上，感冻泡腔和感冻泡连通槽由注水孔注满自来水；自动采集器置于连接插座的上部，内设有电子转换开关、单片机控制系统、存储器、供电电路、通讯接口和现场设置、运行状态显示；本发明结构简单、科学合理、技术性能稳定、观测精度高（可达±1cm）、易于推广应用、解决了气象观测冻土自动化的技术关键。

权利要求

1.冻阻式冻土传感器，由柱型传感器主体件（4），地下外套筒（5）、隔热垫（3）、连接插座（2），自动采集器（1）组成，其特征是所述柱型传感器主体件（4）由非金属材料加工而成，延其轴向同侧依次设置若干个直径为8mm、中心距为1cm的感冻泡腔（8）并由轴向的感冻泡连通槽（10）串通，每个感冻泡腔（8）的内壁竖直方向嵌有检测电极（11）电极导线分别引出经电极导线密封槽（9）与连接插座（2）的座孔对应依次排列连接；感冻泡连通槽（10）的上端设有注水孔（13），下端设排水孔（14），柱型传感器主体件（4）外套箍一个硅橡胶防涨胶管（12），置入地下外套筒置于地下外套筒（5）中，上部穿过隔热垫（3）与连接插座（2）连接。

2.根据权利要求1所述冻阻式冻土传感器，其特征是所述感冻泡腔（8）和感冻泡连通槽（10）由注水孔（13）注满自来水。

3.根据权利要求1所述冻阻式冻土传感器，其特征是所述自动采集器（1），由防护罩固定在连接插座（2）的上端，内设有电子转换开关、单片机控制系统、存储器、供电电路、通讯接口和现场设置、运行状态显示，与冻土传感器及上位机实现电路和传输信号的有效连接。

4.根据权利要求1所述冻阻式冻土传感器，其特征是所述自动采集器是利用单片机控制系统控制电子转换开关，按序逐个对相邻的两个腔内检测电极（11）交流电压数据实现采集、判断、存储，通过485传输方式传入上位机告知，以此实施冻土的自动检测工作。

说明书

冻阻式冻土传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及气象观测中冻土测量的传感器。

背景技术

[0002] 冻土深度的测量数据是道路、建筑、输油、输水等工程建设不可或缺的基础信息，更是春季种植、农作物品种调整等农业生产的依据。冻土深度的观测包括土壤冻结层数和冻结深度的观测，是我国大部分地区气象台站的基本观测任务之一。

[0003] 我国冻土深度观测采用《TB1-1型冻土器》人工观测的方法。国外冻土观测一般采用《丹尼林式冻土器》也是人工观测的方法，测量原理相同，即观测员每天定时将深入地下0.5～4.5米刻画有长度标识的注水软胶管提出地面，用手逐厘米的捏掐软管的硬度来判断胶管内的水是否结冰来判断地下土壤的冻结层数和冻结深度。这种人工测量方法不仅观测人员辛苦、也存在着刻画长度的标尺热胀冷缩带来的误差和人员主观操作的捏掐、弯折破坏原有自然冻结状态带来的判断误差。截止目前，国内还没有冻土观测的自动化仪器设备，虽有人试图采用时域放射法、电容测量法、光电测量法、温度测量法等来设计冻土传感器，但均由于测量冻土的精度无法达到1厘米，且传感器加工复杂在多层次冻土的测量上存在较大难度，也不利于较深层次冻土的测量，故没有得到推广应用。

[0004] 随着我国气象观测自动化程度的提高，诸多气象观测要素先后实现了自动观测，现代化的地面气象自动化系统逐渐形成。为了填补我国自动观测冻土方法的空白，增加观测冻土的可靠性、减少人为误差、提高气象自动观测水平，急需研制一种能够实现自动化遥测冻土的传感器。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种结构简单、观测精度高（1cm）性能稳定、可以广泛应用于气象自动化系统中的冻土观测传感器。

[0006] 由理论和实践得知：土壤发生冻结的实质是土壤所含水份的冻结，土壤冻结的热物理过程在主要方面仍保持水冻结过程的主要特征。土壤中存在的连续热交换主要是通过热传导方式进行，地面某处同层土壤水平方向的温度梯度趋于零，垂直方向的温度梯度较大。基于含有导电粒子的水溶液在相变时的导电电阻会发生骤变这一“冻阻特性”，且这一特性的重现性又非常好的规律性特点，我们得到的启示是：可以用非纯净水做感应质制成感应元件，通过测量水的相变情况可以反应同层土壤的冻结状况。

[0007] 本发明技术方案是设计一种冻阻式冻土传感器，它由柱型传感器主体件、地下外套筒、隔热垫、连接插座、自动采集器组合而成，其中所述柱型传感器主体件由非金属材料加工而成，内部设若干个中心距为1cm的感冻泡腔，腔内检测电极、感冻泡连通槽、电极导线密封槽、注水孔、排水孔；柱型传感器主体件外套箍有防涨胶管，置入地下外套筒中，上部穿过隔热垫与连接插座连接；所述腔内检测电极嵌在感冻泡腔壁上，其导线经电极导线密封槽与连接插座的座孔对应按序依次排列连接；感冻泡腔和感冻泡连通槽由注水孔注满自来水；所述自动采集器置于连接插座的上部，内设有电子转换开关、单片机控制系统、存储器、供电电路、通讯接口和现场设置、运行状态显示；与冻土传感器及上位机实现电路和传输信号的有效连接。

[0008] 本发明与已知技术比较，其结构简单、科学合理、技术性能稳定、观测精度高（可达±1cm）、易于推广应用、解决了气象观测冻土自动化的技术关键。

附图说明

[0009] 图1为本发明的结构纵剖示意图。

[0010] 图2为本发明中柱型传感器主体件结构纵剖示意图。

[0011] 图3为本发明中柱型传感器主体件结构横剖示意图。

[0012] 图4为本发明自动采集器中单片机控制系统工作逻辑方框图。

[0013] 图中1-自动采集器         2-连接插座      3-隔热垫

[0014] 4-传感器主体件          5-地下外套筒     6-地面

[0015] 7-传感器主体件的柱型体  8-感冻泡腔       9-电极导线密封槽

[0016] 10-感冻泡连通槽         11-腔内检测电极  12-防涨胶管

[0017] 13-注水孔               14-排水孔 。

具体实施方式

[0018] 以下结合附图详细说明本发明的结构及制作使用方法：如图所示本发明由柱型传感器主体件（4）、地下外套筒（5）、隔热垫（3）、连接插座（2）、自动采集器（1）组合而成。其中，所述柱型传感器主体件（4）采用直径为18mm的非金属材质的固体材料加工，内部竖直方向设有151个中心距离为1cm、直径为8mm,长为10mm的感冻泡腔（8），每个感冻泡腔（8）的竖直壁上嵌有一个直径为1.5mm、长6mm不锈钢材质的腔内检测电极（11），电极导线经纵向4×5mm的电极导线密封槽（9）与连接插座（2）上的151个座孔对应依次排列连接。纵向感冻泡连通槽（10）将151个感冻泡腔（8）连通，上设注水孔（13），下端设排水孔（14），注满自来水，排尽气泡后关闭排水孔（14）及注水孔（13）。再将传感器主体件（4）外套箍一个硅橡胶防涨胶管（12），与已固定的连接插座（2）连接后一并插入PPE材质的地下套筒（5）内。在连接插座（2）的上部设有一个自动采集器（1），自动采集器（1）的内部设有电子转换开关、单片机控制系统、存储器、供电电路、通讯接口、并有现场设置、运行状态显示，各功能系统实现有效连接后就可以进行自动冻土检测。自动采集器提供传感器的检测电压为AC12V。

[0019] 使用时，接通电源，利用单片机控制系统控制电子转换开关，按序逐个对相邻的两个腔内检测电极（11）间交流电压数据实现采集、判断存储，通过485传输方式传入上位机告知，以此实施冻土的自动检测工作。