數字式土壤梯溫儀的製作方法

2023-10-31 05:41:47

專利名稱：數字式土壤梯溫儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測定土壤梯度溫度用的測定儀器。
測定土壤梯度溫度是了解土壤熱狀況和分布特徵的常用方法。若測定時土壤原結構和地被物被撓動和破壞，改變了土壤與大氣的熱交換能力和土壤的導熱係數、熱容量等物理性狀；或各梯級測點分布不在同一垂直軸線上，都將使測值偏離實際情況。目前國內外用於土壤梯度溫度測定器械，基本上都是單測溫點探頭(包括曲管地溫表和各種電子地溫計)，由於器械及測溫探頭結構的限制，測定時需在一定水平面內按照梯度要求深度挖坑埋設探頭。這樣原地被物和土體就受到了破壞和撓動。
本實用新型的目的在於向公眾提供一種測定土壤梯溫時可不撓動土體和破壞地被物，並保證各梯級測點分布在同一垂直軸線上，而且具有特別適於野外使用的各種性能的溫度測定儀。
本實用新型採用的技術方案是以易成型、互換好，抗老化的銅－康銅熱電偶為測溫材料，並將其設計製作成插入式多溫點梯級組合測溫探頭，熱電偶自由端溫度進行高精度自動補償，並採用低功耗自動穩零放大電路、線性化電路、數字電路，以及DC－DC電源升壓電路最終實現土壤梯度溫度較高精度的直讀。
具體技術措施是設計製作出一隻由感溫錐、感溫環、梯柱、手柄、接線盒、電纜插座所組成的多溫點梯級組合測溫探頭(圖1)。感溫錐、感溫環是不同梯溫測點的感溫體，一個梯點一隻，由傳熱快、不易腐蝕的金屬材料作成。熱電偶的測端嵌入感溫錐、感溫環中，但與感溫錐、感溫環絕緣。感溫環的設置一方面能使探頭各方位與土壤有較好的接觸，另一方面又能較快地將土壤熱量傳遞予熱電偶；感溫錐除具有傳遞熱量功能外，其另一作用是提高探頭的壓強，使其容易插入土中；梯柱的作用是按一定梯度測定要求將各個感溫環隔離，並使其形成一個探頭整體；用抗老化能力強、絕緣電阻大、不導熱、既韌又堅硬的管狀材料製作，梯柱內徑大小以不影響探頭強度和能方便穿過全部測定用熱電偶絲為準；手柄為探頭手執的地方，便於測定時探頭的插入或撥出，也用堅實不導熱的管狀材料製作；接線盒和電纜插座的作用是連接各梯點熱電偶和傳導電纜。探頭的各連接處均用環氧樹脂等密封裝，使其具有較好的防水性能；探頭在地面露出部分(手柄和接線盒)其表面呈白色，減弱太陽輻射對探頭的直接影響。
為了克服、減弱傳導電纜和插頭座對測值的影響，傳導電纜應為銅－康銅補償電纜。電纜的蕊數為(n＋1)，其中n為探頭的梯級測點數由銅偶絲加工而成，另一蕊用康銅偶絲加工而成作為共用。插頭座(包括探頭，電纜線、主機各處使用的)的蕊數為(n＋1)，其中n為探頭的梯級測點數，由銅材料加工而成。另一蕊為硬態康銅材料加工而成。
電路原理如圖3。圖3(a)為電源電路。集成直流升壓電路IC1和R1、R2、D1、D2、T1、T2、C1、C2及R3、R4、DW1、DW2將兩節乾電池電壓(3V)提升到能滿足測量電路正常工作需要的正負電壓V＋1，V－1和基準電壓V＋2，V－2。
圖3(b)為測量電路。由集成運放IC2構成阻抗轉換器，使儀器具有較高的輸入阻抗，在進行長距離測量時減小電纜長度對信號強度的影響；IC3用加法器原理構成熱電偶自由端溫度自動補償電路，並進行信號放大，Rt為測量熱電偶自由端溫度(t2)用鎳熱電阻，RN1為補償的定標電阻，其阻值跟Rt在0℃時的阻值相等。由於鎳熱電阻的電阻－溫度曲線跟銅－康銅熱電偶的熱電勢－溫度曲線極相似，調節RW1、RW2就可實現熱電偶自由端溫度在－10～50℃範圍變化時進行高精度自動補償，其補償誤差可小於0.1℃。集成電路IC4～IC9採用過零正負半波檢波和加法器原理構成線性化電路，將熱電偶的熱電勢－溫度曲線校正成線性以適應數字測量的需要。其中IC4～IC5為－20～0℃的線性校正電路，IC6～IC8為0～80℃的線性校正電路，V4、V5、V6、V7為線性校正電壓。採用T分度號銅－康銅熱電偶時，V4＝10Vi(Vi為熱電偶相對於0℃時的熱電勢)，V5＝7.89mv，V6＝16.11mv，V7＝25.67mv。在正溫區時電路的數學表達式為V8＝KVi－(10Vi－V5)－(10Vi－V6)－(10Vi－V7)；負溫區時，V8＝KVi＋10Vi。式中當10Vi＜V5，10Vi＜V6，10Vi＜V7時該項數學式為0，K為電路IC3的放大倍數。當熱電偶測端溫度(t1)為20℃時，調節RW3使IC3的輸出電壓V3＝200mv(即1℃相當於10mv)，測定－20～80℃，IC9輸出電壓(V8)的溫度偏差小於±1mv，即相當於測量溫度偏差±0.1℃。
為了確保熱電偶自由端與Rt隨時處於同一溫場中，在製作時將熱電偶自由端包繞於Rt中，並將Rt用絕熱、絕緣材料封裝於護殼中，以緩衝外界溫度劇烈波動的影響(圖2)本實用新型的優點在於1.多點測定土壤梯度溫度。在測定時探頭能直接垂直插入(或鑽孔引入)達到最大限度避免測定時撓動、破壞土壤結構和地被物，並確保各梯級測溫點分布在同一垂直軸線上，實現土壤垂直－水平梯度溫度的原態－原位長距離測定。2.測量精度較高，探頭互換性、穩定性好。儀器主機在0～45℃環境中使用，測量－20～80℃，其測量誤差小於±0.2℃，探頭互換誤差及各梯點的相對誤差小於0.1℃。3.儀器為液晶數字顯示，2×1.5V乾電池供電，體積小、重量輕、功耗小、操作簡便，便於攜帶。


圖1為插入式多溫點梯級組合測溫探頭結構示意圖；圖2為熱電偶自由端溫度補償用鎳熱電阻結構示意圖；圖3為儀器電路原理圖，其中(a)為電源電路原理圖，(b)為測量電路原理圖。1－感溫錐，2－感溫環，3－梯柱，4－手柄，5－接線盒，6－多蕊電纜插座，7－熱電偶測端，8、9－絕緣熱電偶絲，10－絕熱、絕緣密封物，11－護殼，12－熱電偶自由端，13－鎳電阻繞組，14－電阻骨架。15－電阻引出線。
電路原理圖中IC2、IC3為自動穩零運放，IC4～IC9為低功耗、低失調、低漂移運放，IC10為低功耗31／2A／D轉換器，DW1、DW2為集成能隙基準電源，D3～D10為低VF矽開關二極體，R6＝R8，R11＝R12，R14＝R15，R17＝R18＝R19，R21＝R22＝R23，R25＝R26＝R27，R29＝R30＝R31＝R32＝R33＝R34，R6、R7、R8、R9為±0.1％的精密金屬膜電阻，RN1、RN2、RN3、RN4、RN5為錳銅線繞電阻。
實施例插入式多溫點梯級組合測溫探頭的感溫錐、感溫環用銅材料車制，表面鍍鉻；梯柱用環氧玻璃布棒或酚醛布棒車制或注塑成型。
在感溫錐和感溫環的橫切面上鑽一剛能插入熱電偶測端結點的小孔，感溫環上孔的深度不少於3mm，感溫錐上孔的深度應達錐體高度的中心。將熱電偶的測端結點絕緣後插入孔中並用環氧樹脂密封固定，按照探頭裝配的需要截取漆包偶絲的長度，裝配時偶絲穿入梯柱中心孔內引出，各測點的熱電偶絲待探頭裝配完後另一端分別焊接在插座上，其中銅偶絲分別焊接在插座的銅蕊上，康銅偶絲並在一起焊接在插座的康銅蕊上。
探頭各接縫處用環氧樹脂封裝，表面塗以絕緣清漆。
補償導線可以根據探頭梯級測點的多少選用相同數的純銅絕緣軟線和一根康銅偶絲作成的絕緣軟線合併在一起，外套上絕緣護套，兩端分別按銅蕊接銅蕊，康銅蕊接康銅蕊焊接上插頭。在批量生產時補償導線可向廠家定做，定做時最好有外屏蔽層。
熱電偶自由端溫度補償用鎳熱電阻採用漆包純鎳絲按圖2結構，以無感繞法繞制。RN1、RN2、RN3、RN4、RN5用漆包錳銅線繞制並進行精密校正。若Rt在0℃時為200Ω，則RN1的匹配精度要精確到0.05％以下；RN2、RN3、RN4、RN5精確到0.1％。
主機機殼既可用工程塑料模壓製作，也可用金屬材料經扳金工藝加工而成。採用塑料殼體時內壁應用鋁箔進行屏蔽(本實用新型樣機採用塑料殼體)。
主機電路板先在印製板上焊裝原器件、再在底板上焊裝引線，最後進行總裝和調試。
權利要求1.一種由銅一康銅熱電偶測溫探頭、補償電纜和主機電路所構成的數字式土壤梯溫儀，其特徵在於測溫探頭是由梯級分布的感溫錐及兩個或兩個以上感溫環形成的測溫點所構成；熱電偶的測端嵌入感溫錐、感溫環中，但與感溫錐、感溫環絕緣，熱電偶的自由端包繞於自由端溫度補償電阻(Rt)的繞組中，並用絕熱、絕緣材料封於護殼中；在主機電路中，Rt一端通過Rw1接電源V+1和通過R1接IC1負輸入端，Rt另一端接電路公共端，RN1一端接公共端，另一端通過Rw1接電源V-1和通過R1接IC1負輸入端，R5一端接K1，另一端接IC1正輸入端和C1，IC1的輸出端通過R1與IC1，負輸入端連接，R1一端接Rw1，另一端與
負輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的梯溫儀，其特徵在於感溫錐和感溫環為導熱體，梯柱為絕緣絕熱體。
專利摘要一種由儀器主機、傳輸電纜和測溫探頭所構成的數字式土壤梯溫儀，它適用於野外土壤梯度溫度測定。本實用新型在進行土壤梯度溫度測定時探頭可以直接插入，做到不破壞、撓動地被物和土體結構，並確保各級梯溫測點分布在同一垂直軸線上，實現土壤梯度溫度的水平-垂直長距離原態-原位測定。本實用新型採用集成電路和液晶數字顯示、低壓乾電池供電、體積小、重量輕、功耗少、性能穩定、攜帶方便。
文檔編號G01K7/04GK2103134SQ9121463
公開日1992年4月29日 申請日期1991年6月20日 優先權日1991年6月20日
發明者蔣明富 申請人:中國科學院成都分院土壤研究室