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原文传递基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法和装置

专利名称：	基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法和装置
摘要：	本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的方法和装置，所述装置包括集成底座(1)、X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)、加热探针(10)以及测量装置，本发明通过相互垂直的X方向和Y方向两组探针来测量水流方向，并矢量合成实际水流方向，可以测量饱和土壤水的任意方向水流，既能测量土壤水流向，也能准确测量其流速大小，测得的饱和土壤水流速大小十分准确。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国农业大学
发明人：	李淑艳;张继尧;徐声远;史高雅;赵艺颖;王伟
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910241968.6
公开号：	CN109916947A
代理机构：	北京中安信知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	徐林
分类号：	G01N25/18(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	100083 北京市海淀区清华东路17号
主权项：	1.一种基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置，其特征在于：所述装置包括集成底座(1)、X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)、加热探针(10)以及测量装置；其中，加热探针(10)垂直地布置于集成底座(1)的底面中心；X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)和Y方向第二温度探针(5)分别垂直地布置于集成底座(1)的底面，其中，X方向第一温度探针(2)和X方向第二温度探针(4)相对于集成底座(1)的底面中心对称；Y方向第一温度探针(3)和Y方向第二温度探针(5)相对于集成底座(1)的底面中心对称；X方向第一温度探针(2)和X方向第二温度探针(4)的连线垂直于Y方向第一温度探针(3)和Y方向第二温度探针(5)的连线；所述X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)和Y方向第二温度探针(5)与集成底座(1)的底面中心的距离相等；所述测量装置包括第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)、第四测温元件(9)、导线(11)、加热装置(12)和数据采集装置(13)；在X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)上、沿与加热探针(10)的轴线平行的方向分别布置有第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)和第四测温元件(9)，所述第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)和第四测温元件(9)穿过集成底座(1)与数据采集装置(13)相连；导线(11)的一端通过集成底座(1)的顶面与加热探针(10)中的加热电阻相连，另一端与加热装置(12)相连。 2.利用如权利要求1所述的基于热脉冲原理测量饱和土壤水流向和流速的装置测量饱和土壤水流向和流速的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： a、集成底座(1)的底面向下将X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)和加热探针(10)垂直地插入待测土壤中；其中，X方向第一温度探针(2)、加热探针(10)和X方向第二温度探针(4)所在直线或Y方向第一温度探针(3)、加热探针(10)和Y方向第二温度探针(5)所在直线与水流速方向同向或者与水流速方向不同向； b、等待水流稳定后，加热装置(12)通过导线(11)为加热探针(10)提供一个热脉冲信号，加热探针(10)的温度升高； c、数据采集装置(13)通过第一测温元件(6)、第二测温元件(7)、第三测温元件(8)和第四测温元件(9)采集X方向第一温度探针(2)、Y方向第一温度探针(3)、X方向第二温度探针(4)、Y方向第二温度探针(5)的温度变化数据； d、利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小； e、根据步骤d中得到的X方向和Y方向的水流速，利用平行四边形法则，进行矢量合成，最终得到实际水流流向和流速大小：式中，Jw为实际水流速，Jwx为x方向水流速，Jwy为y方向水流速。 3.如权利要求2所述的测量饱和土壤水流向和流速的方法，其特征在于：步骤d中，所述利用上下游最大无量纲温度差异法分别计算X方向和Y方向水流速大小的计算方法为：无量纲温差为：式中， DTD为无量纲温差；对X方向来说，Td为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃；对Y方向来说，Td为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较高者的温度升高值，即下游探针温度升高值，单位为：℃；Tu为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较低者的温度升高值，即上游探针温度升高值，单位为：℃； λ为加热探针(10)的热导率，单位为：Wm-1℃-1；q为单位长度加热探针(10)在单位时间内释放的热量，单位为Wm-1；其中，λ、q已知；在测定过程中，最大无量纲温差DTD达到最大值时，表示为MDTD：式中， MDTD为最大无量纲温差；对X方向来说，Xd为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较高者距离热源加热探针(10)的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为X方向第一温度探针(2)或者X方向第二温度探针(4)中温度较低者距离热源加热探针(10)的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m；对Y方向来说，Xd为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较高者距离热源加热探针(10)的距离，即下游探针距离热源的距离，单位为：m；Xu为Y方向第一温度探针(3)或者Y方向第二温度探针(5)中温度较低者距离热源加热探针(10)的距离，即上游探针距离热源的距离，单位为：m； t0为加热时间，单位为：s；tm代表Td与Tu温度差异达到最大值的时间，单位为：s；α为饱和土壤水热扩散率，单位为：m2s-1；s为积分变量；V为对流热脉冲速率，单位为：ms-1；通过测量Td、Tu得到DTD的最大值MDTD值后，根据式6，计算出对流热脉冲速率V；式中，V表示对流热脉冲速率，单位为：ms-1；Jw为水流速，单位为ms-1；Cw为水的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；Cb为饱和土壤的体积热容量，单位为：MJkg-1℃-1；根据式2来计算Jw，从而得到X方向和Y方向的水流速Jwx和Jwy。 4.如权利要求2所述的测量饱和土壤水流向和流速的方法，其特征在于：步骤a中，X方向第一温度探针(2)、加热探针(10)和X方向第二温度探针(4)所在直线或Y方向第一温度探针(3)、加热探针(10)和Y方向第二温度探针(5)所在直线与水流速方向不同向。
所属类别：	发明专利