探头式土壤水温盐水势系统

1、背景

土壤水分是植物水分的直接来源，植物吸收土壤中的水分、有机质等营养物质，进行生长。同时，土壤水分含量的多少，又决定着植物的生长状况的好坏。因此，测量土壤水分有着重要的实际意义。目前，国内外有很多土壤水分测定方法。

探头式土壤水温盐传感器可方便、快速地测量土壤表层的水分、温度、盐分。

该系统通过实时、连续、原位监测土壤水分、温度、水势的变化，是土壤水动力学的基础研究设备。广泛应用于农田蒸散、作物耗水、森林水文、湿地水文、草原生态、水土流失、环境污染、水循环研究等领域。

2、系统工作原理及特点

ENVIdata-DT 探头式土壤水温盐水势系统由数据采集器，探头式土壤水分、温度、盐分传感器，土壤水势传感器组成。按用户设定的测量间隔定时、自动测量土壤水分、温度盐分和土壤水势。

该系统通过Internet传输数据，用户无需到测点下载数据，只要能上网，可随时查看系统运行情况、下载最新和历史数据。

3、技术参数

3.1探头式土壤水分、温度、电导率传感器

3.1.1 TRIME-PICO64/32 土壤水分、温度、电导率传感器

结构和原理：TRIME基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）时域反射技术。用以直接测量土壤或其他介质的介电常数，介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系，土壤含水量即可通过模拟电压输出被读数系统计算并显示出来。

测量时，金属波导体被用来传输TDR信号，TRIME工作时产生一个1GHz的高频电磁波，电磁波沿着波导体传输，并在探头周围产生一个电磁场。信号传输到波导体的末端后又反射回发射源。传输时间在10ps-2ns间。IMKO发明了这种测量技术，使得仪器可以检测到小至3ps的时间信号。建立了时间采样的方法。从而使得土壤水分的测量变得更为准确和方便。

特点：

1）PICO探针有着很大的测量区域，最大可以达到2L。

2）测量范围可以达到100%。但是，在35%-75%范围内，测量最为精确。

3）电导率测量范围可以达到20dS/m。

4）对于大多数土壤类型来说，PICO探头在出厂前就已校准。对于一些特殊的土壤或者应用，例如纯粘土，可以在15种不同的校准曲线中选择。

5） PICO探针涂有保护层，可以将探针杆隔绝起来，这样就能保证探针杆上没有电反应。PICO探针是非常适合长期的安装在土壤中，并且能够保证，在数十年内，不会 发生测量漂移。

6） PICO探针探头和管式探头安装的深度，可达50m（或者更深）。

7） PICO探头可以测量土壤含水量，电导率和温度。而且，土壤的盐分含量，可以根据创新性的TRIME方法（1GHz高频电磁波）进行计算。

8） PICO探针适合于沙质、有机质和粘性土壤。甚至纯粘性土壤也可以被测量。

9） 因为TDR电子元件是安装在PICO探头里面的，所以对电缆的长度以及其它常有的不利影响（如水覆盖）没有限制。

10）PICO探针式探头最大探针长为160mm。对于探针长度可达1米的TDR仪器在测量时，会有问题，用户需特别留意，特别是土壤剖面水分含量不同时，例如：浅层是10%，深层是35%。

测量原理：TDR

适应土壤电导率范围：0-20dS/m，>20 dS/m可标定

土壤水分测量范围: 0-100%体积含水量

测量精度： ±1%（0-40%）、±2%（40-70%）

土壤温度测量范围：-15℃~+50℃（可定制其他温度量程）

土壤温度测量精度：±1.5°C (绝对); ±0.5°C (相对)

防水等级：IP68

供电：7-24V DC

尺寸：155mm x Ф32mm

测量体积：0.25L（110mm x Ф50mm）

探针长度探针长度标准110mm，可选50mm，直径：3.5mm

3.1.2 SM150T土壤水分、温度传感器

SM150T采用FD 原理，研究级土壤水分传感器，其体积含水量测量结果可以达到2.5%。

该仪器不仅能够对各类土壤进行水分测量，也可对多种介质的水分进行有效测量，它既可用于科研，作为水分定点监测或移动测量的基本工具，也可用于生产中的水分自动控制传感器。在食品及粮食行业，它可对粉状或颗粒状的介质进行水分测量。另外，在建筑领域，可用来对搅拌料水分进行有效监测。

土壤水分量程0-100% ，精度：±3% （校准后）

土壤温度量程-20 to +60°C，精度：± 0.5°C（ 0 to 40°C），± 0.75°C（ -20 to +60°C ）

输出：0-1v

供电：5-14v  

防水等级：IP68

尺寸：长158mm，直径 40mm

探针：长60mm，直径3.2mm

缆线：5m

3.1.3 Hydra土壤水分、温度、电导率传感器

仪器探头中产生高频电信号，测量土壤的电导与电容特性，从而计算出土壤的含盐量与含水量，同时，仪器用电热调节器测量土壤的温度。

土壤水分量程0-100% ，精度：≤±3%；分辨率：0.1%

土壤温度量程-10℃ - 60℃，精度：± 0.3℃；分辨率：0.1℃

土壤电导率量程0-15ds/m ，精度：±2% or 0.2ds/m；分辨率：0.01

供电：9-20v  

功耗：＜10mA（工作），＜1mA（休眠）

输出：SDI-12

工作环境：-10℃ - 60℃ 可定制其他温度范围

传感器尺寸：长度115mm，直径40mm

探针：长度56mm，材质316不锈钢

3.1.4  AZS-3 土壤水分、温度、电导率传感器

土壤水分量程0-100% ，精度：≤±3%、≤±2%（原位率定后）；分辨率：0.1%

土壤温度量程-30℃- 55℃，精度：± 0.3℃；分辨率：0.1℃

土壤电导率量程0-15ds/m ，精度：5%FS ；分辨率：0.01

输出：SDI-12

供电：6-24v  

功耗：36mA（工作），＜15mA（休眠）

防水等级：IP68

3.2 Aquaflex 带状土壤水分传感器

用来测量大块土体的含水量同时测量土壤温度，传感器测量长度3米，测量土体体积6升。埋设式测量，可连接数据采集器进行长期监测。特别适用于菜园、葡萄园或草坪体育场、高尔夫球场或城市绿化带，对灌溉进行高效管理。

原理：Time Domain Transmission. (TDT)原理，与TDR原理相似，但有不同，美国技术，号：US Patent 5148125，根据介质导电性质对沿带状传感器发射的脉冲信号速度和波形的影响来确定含水量。

特点：

l 测量土体大，Φ50mm×3000mm圆柱型土体，容积约6升，避免单点测量的偶然性；

l 耐用、稳定性好，易于安装、操作简单；

l 测量条带可任意弯曲以适应测量需要；

l 内建温度传感器，可同时测量土壤温度，并对温度和电导率进行自动补偿；

水分测量范围：0-60%容积含水量；  

水分测量分辨率：±0.5%容积含水量；

水分测量精度：±2%容积含水量；

温度测量范围： -10 - 50℃；

温度测量精度： ±0.5℃；

操作温度：-10 - 50℃；

输出类型：4到20mA，RS232，频率和*的数字数据；

供电：标准电池或外部电源供电；6~26V，；平均电流150uA，峰值150mA（60ms测量时）

3.3 Th2土壤温度传感器

测量单点的温度，可测量土壤，液体和气体的温度。细长的身体和尖利的顶端可减少土壤的影响，保持良好的传热性。特殊的结构可减少缆线温度对测量结果的影响。

测量范围：-50°C...+70°C

精度：±0,1 K at 0°C; ±0,2 K at ± 20°C; ±0,1 K at ± 40°C

感应区域: Length 15 mm ,Ø 5 mm

3.4 土壤水势传感器

3.4.1  TEROS 32 野外高精度土壤水势、温度张力计

原理：采用与植物根系从土壤中吸收水分相似的原理，当土壤中的水分减少，水势降低时，埋置在土壤中的张力计管中的水分会从多孔的陶瓷头渗出，此时张力计管中形成一定的真空度，通过测量张力计管中的真空度，就可以反映出土壤中水势的变化。

水势测量范围：-80 ~ +50 kPa

准确度：±0.15 kPa

分辨率：0.0012 kPa

温度量程：-30 ~ +60 kPa

准确度：±0.1℃（-20℃~40℃）;±1℃（此范围之外）

分辨率：0.001 ℃

输出：SDI-12

尺寸：总长400 mm、800mm、1200mm 可选，特殊尺寸可定制

直径：25mm  

3.4.2 EQ3土壤水势、温度传感器

原理：精密的土壤水分探头植入在多孔渗水材料中，该材料的土壤水分和水势的关系已知且稳定。探头插入土壤后，土壤水势迅速达到平衡，土壤水分探头测量该材料的水分含量并转化成土壤水势。

测量参数：土壤水势（基质势）和土壤温度

土壤水势测量范围：0~-1000 kPa (-10bar)

土壤水势精度：±10 kPa（0to-100kPa）； 读数的10％（-100 to-1000kPa）

土壤温度测量范围：0 to 40°C

土壤温度精度：±0.5℃（0~40℃），±0.75℃（-20 ~ + 60℃）

输出：0~1.0 V

供电：5-14 V，18mA/s

防水等级：IP68

尺寸：长181 mm，直径40.5 mm

重量：0.3kg

传感器校准：建议每2年校准1次（取决于使用情况） 

3.4.3  EQ系列土壤水势传感器

测量范围：0 到–1500 kPa (0 到 –15 巴)

精度：0 kPa 到-100 kPa: ±10 kPa；-100 kPa 到 -1500 kPa: 10%

使用条件：除过电导率大于 1 mS/cm的盐碱土外，可用于所有土壤

输入输出：输入： 5-15 V 直流电压,  最大 23 mA,；输出: 100 -800 mV 直流电压

外壳：不锈钢，尺寸重量：17 cm × 4 cm × 2 cm, 标准电缆长度：5 m,  最多可延长至100 m, 350 g

4、数据采集器

4.1 DT 数据采集器

一款坚固、独立、低能耗的数据采集器，具有支持U盘、18位分辨率、通讯性能可扩展及内嵌显示屏等特性。DT80的双通道隔离概念可同时使用多达10个隔离或15个共用参考模拟输入，配置扩展模块后最多可通道可扩展至600个。

DT系列数据支持SDI-12传感器组网，支持SCADA系统的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V电源为传感器供电。工作温度可达-45℃。

处理器：采用18位A/D转换器,精度±0.025%

存储：128Mb可无限扩展，内存可存储130,000个读数，可使用PC卡或闪存可（可存储65,000个读数）

U盘存储：兼容USB1.1或USB2.0驱动，每兆约90,000采集数字点

LCD液晶显示，2线16字母的LCD液晶显示和6个按键用于查看通道及数采状态和功能执行

通讯：RS232、USB、以太网等

采样间隔：10ms至天，可自定义

输出值种类：平均值, 最大值, 最小值, 取样值 (Sample), 向量值, 累计值 ( Totalize )等

工作温度范围-45~70℃，工作湿度85%（无水汽凝结）

时钟精准度：约±1分钟/年0-40℃；约±4分钟/年-40-70℃

供电电压：10~30VDC

4.2 ENVILog 数据采集器

CPU：32位处理器FPU，180MHz

模拟通道：8个模拟输入通道，可定制扩展到100个  

数字通道：24个，其中8个DI口、16个DO口

计数通道：12个，8个 32位低速计数端口，最大计数速度10Hz；4个 32位高速计数输入，最大计数速度100KHz

串行通道：4个SDI-12总线端口、1个RS232端口（可定制扩展）、2个RS485端口（定制可扩展）

计算通道：使用变量和各种函数的表达式对模拟通道、数字通讯和串行传感器通道的数值进行计算；函数包括有算术函数、三角函数、关系函数、逻辑函数和统计函数等。

报警：条件、延迟、动作等多种模式

采集频率：1s-1天 可设置

显示：2.54’OLED屏，8个按键可查看实时数据

状态指示灯：6个，包括采集状态、存储指示、警告显示和电源指示，内部电池充电指示和充满指示

内存：内置512MB（约1千万个数据）；可插拔U盘，最大支持32G容量

通讯：USB、以太网、RS232、RS485；支持U盘下载数据

无线功能：内置4G DTU模块，全网通，支持ENVIData云平台；内置WIFI模块

时钟精度：±5分钟/年

供电：9-30v DC，

功耗@12Vdc：<1mA(待机)，100mA（运行)。

尺寸：202*136*77mm

重量：1Kg

工作条件：温度-45℃到+70℃，湿度0-85%RH不冷凝的

5、ENVIdata数据传输和管理平台（云平台）

该系统直接将数据传送到ENVIdata数据服务器上，通过对监测的生态环境因子的时序变化和相关性分析，确定监测对象的状态发展。 

ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件，运行在用户的服务器上；也可以运行在澳作公司安全的服务器上，为多个用户提供数据接收服务，同时帮助用户监控野外测点硬件系统的运行状态。

澳作公司ENVIdata系列生态环境监测系统是业内成功获得 ISO9001国际质量体系认证，于2010年获得 ISO9001 质量认证书，至今全部通过专家的年度复核，确保系统集成的品质

用户采用用户名和密码登陆，只要能上网，就能浏览实时和历史数据

特点：

1） 生态环境信息以各种时间间隔 （分钟、每小时、每天）发送到网站上。

2） 用户只要能上网，既可浏览实时数据。

3） 中心服务器中文界面，便于操作和管理

4） 提供多参数、实时或历史数据曲线图

5） 系统提供多站点地图显示

ENVIdata 数据服务平台已为国内的客户服务多年，系统稳定、可靠。

6、支架

两种支架可供选择，三角支架（图一）和十字底座支架（图二）

建议根据场地条件选择：

1、 三角支架，整体比较大气、平稳，适合安装在平整的场地中，整体高度约2.3米；

2、 十字底座支架，占地范围更小，适宜安装在林地或有坡度的场地中。

图一：                                          图二：

7、产地： 德国、中国