一種地表熱通量測(cè)定裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種地表熱通量測(cè)定裝置。該裝置包括箱體和11根不銹鋼針管，所述針管的一端固定在箱體的側(cè)板外側(cè)，其包括7根短針管和4根長(zhǎng)針管，其中5根短針管和4根長(zhǎng)針管由上至下間隔排列，并位于同一直線上；其余兩根短針管位于頂部的短針管和長(zhǎng)針管之間連線的兩側(cè)，和頂部的短針管呈凸弧形排布，且該兩根短針管不在同一高度上；所述短針管的內(nèi)部頂端裝有熱電偶以進(jìn)行溫度測(cè)定；所述長(zhǎng)針管的內(nèi)部設(shè)有絕緣電阻絲以進(jìn)行熱脈沖測(cè)定，同時(shí)其內(nèi)部的中部設(shè)有熱電偶以進(jìn)行溫度測(cè)定。本裝置通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定地表下若干土層的溫度和熱特性動(dòng)態(tài)，利用梯度法和量熱法同時(shí)獲取組合法所需兩項(xiàng)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)地表熱通量動(dòng)態(tài)。
【專利說(shuō)明】
-種地表熱通量測(cè)定裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于地表熱通量測(cè)定技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種地表熱通量測(cè)定裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前常用的地表熱通量測(cè)定技術(shù)主要包括±壤熱通量板法、凈福射比例法、數(shù)值 估算法，W及估測(cè)區(qū)域地表熱通量的遙感方法。運(yùn)些方法均受限于各種誤差，如測(cè)定值為地 表下一定深度±壤熱通量而非地表熱通量，參數(shù)取定值或粗略估值導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確捕捉地表 熱通量動(dòng)態(tài)變化等。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本實(shí)用新型提供了一種地表熱通量測(cè)定裝置。
[0004] 一種地表熱通量測(cè)定裝置，其包括箱體1和11根不誘鋼針管，所述針管的一端固定 在箱體1的側(cè)板外側(cè)，其包括7根短針管2和4根長(zhǎng)針管3,其中5根短針管2和4根長(zhǎng)針管3由上 至下間隔排列，并位于同一直線上;其余兩根短針管2位于頂部的短針管2和長(zhǎng)針管3之間連 線的兩側(cè)，和頂部的短針管2呈凸弧形排布，且該兩根短針管2不在同一高度上；
[0005] 所述短針管2的內(nèi)部頂端裝有熱電偶W進(jìn)行溫度測(cè)定;所述長(zhǎng)針管3的內(nèi)部設(shè)有絕 緣電阻絲W進(jìn)行熱脈沖測(cè)定，同時(shí)其內(nèi)部的中部設(shè)有熱電偶W進(jìn)行溫度測(cè)定。
[0006] 所述短針管2的外徑為1.3mm，長(zhǎng)度為20mm;所述長(zhǎng)針管3的外徑為1.3mm，長(zhǎng)度為 40mm;位于同一直線上的5根短針管2和4根長(zhǎng)針管3,其間隔為6mm;位于頂部的短針管2兩側(cè) 的短針管2,與頂部的短針管2間的垂直距離分別為1mm和2mm。
[0007] 所述熱電偶均采用直徑為0.05mm的E型熱電偶。
[000引所述絕緣電阻絲采用儀銘電阻合金制成，直徑75皿，規(guī)格221.9Ω .m-i。
[0009] 上述一種地表熱通量測(cè)定裝置的工作原理：
[0010] 熱脈沖技術(shù)是基于瞬態(tài)熱傳輸理論測(cè)定±壤熱特性參數(shù)，包括熱導(dǎo)率、熱容量和 熱擴(kuò)散系數(shù)。在短時(shí)段內(nèi)（8-15秒)對(duì)絕緣電阻絲通直流電產(chǎn)生熱脈沖W加熱±壤，利用其 兩側(cè)的熱電偶測(cè)定距加熱源一定距離處的溫度隨時(shí)間變化，基于溫度-時(shí)間變化曲線和脈 沖時(shí)長(zhǎng)等信息獲取±壤的熱特性參數(shù)。
[0011] 本裝置采用組合法計(jì)算地表熱通量:分別獲取地表下一定深度±壤熱通量和該深 度至地表間±壤熱儲(chǔ)量變化率，兩參數(shù)之和即為地表熱通量：
[0012] G〇 = Gz+AS〇-z (1)
[OOU] 其中，Go為地表熱通量，W · nf2;Gz為地表下Z深度±壤熱通量，W · πΓ2; ASo-z為Z深 度至地表間±壤熱儲(chǔ)量變化率，W · πΓ2;ζ為測(cè)定深度，m。
[0014] (1)通過(guò)梯度法測(cè)定地表下一定深度上壤熱通量Gz:該方法基于傅里葉定律，假設(shè) ±壤中熱量傳遞W熱傳導(dǎo)為主要方式，利用本裝置獲取測(cè)定深度±壤熱導(dǎo)率和隨垂直深度 變化的±壤溫度梯度，兩參數(shù)相乘可計(jì)算該深度±壤熱通量：
[0015] 〇ζ = -λ,( ΔΤ/Δζ) (2)
[0016] 其中，λζ為z深度±壤熱導(dǎo)率，W · nfi · ΚΛ ΑΤ/Δζ為z深度±壤溫度梯度，Κ · nfi。
[0017] (2)通過(guò)量熱法計(jì)算z深度至地表間±壤熱儲(chǔ)量變化率ΔSo-z:將±層分為若干亞 層，同時(shí)測(cè)定各亞層±壤容積熱容量和溫度隨時(shí)間的變化率，W計(jì)算各亞層±壤熱儲(chǔ)量變 化率，取各亞層±壤熱儲(chǔ)量變化率之和得到整個(gè)±層熱儲(chǔ)量變化率：
[001引
巧）
[0019]其中，C為上壤容積熱容量，MJ · πΓ3 · Κ-1;Τ為上壤溫度，K;t為時(shí)間，S。考慮到近地 表±層溫度和熱特性時(shí)間變異性大且呈非線性變化的特點(diǎn)，利用本裝置同時(shí)測(cè)定地表下若 干深度±壤溫度和熱特性的優(yōu)勢(shì)，將整個(gè)±層分為N層分別測(cè)算，i和j分別為±層下標(biāo)和時(shí) 間步長(zhǎng)下標(biāo)。
[0020]綜上，本裝置可同時(shí)獲取地表下若干±層的溫度和熱特性信息，利用梯度法和量 熱法計(jì)算地表下一定深度±壤熱通量和該深度至地表間±壤熱儲(chǔ)量變化率，兩參數(shù)之和即 為地表熱通量測(cè)定值。
[0021 ]本實(shí)用新型的有益效果為：
[0022] 本裝置通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定地表下若干±層的溫度和熱特性動(dòng)態(tài)，利用梯度法和量熱法 同時(shí)獲取組合法所需兩項(xiàng)參數(shù)，可W實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)地表熱通量動(dòng)態(tài)。與測(cè)定地表熱通量的 傳統(tǒng)方法相比，本裝置具有工作量少、自動(dòng)化程度高和動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠配置于 氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)中W提高災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警能力，還可應(yīng)用于相關(guān)學(xué)科W推進(jìn)科研和 教學(xué)工作。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為一種地表熱通量測(cè)定裝置示意圖；其中，a為正視圖，b為側(cè)視圖；
[0024] 圖2為實(shí)施例1中一段時(shí)期內(nèi)的測(cè)定結(jié)果;其中，a為地表凈福射Rn每小時(shí)測(cè)定值，b 為50mm深度±壤熱通量Gso和〇-5〇111111±層熱儲(chǔ)量變化率Δ So-50每小時(shí)測(cè)定值，C為地表熱通 量Go每小時(shí)測(cè)定值。
[0025] 標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1-箱體，2-短針管，3-長(zhǎng)針管。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述 說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實(shí)用新型的范圍及其應(yīng)用。
[0027] 如圖1所述一種地表熱通量測(cè)定裝置，其包括箱體1和11根不誘鋼針管，所述不誘 鋼針管的一端通過(guò)環(huán)氧樹脂固定在箱體1的側(cè)板外側(cè)，其包括7根短針管2和4根長(zhǎng)針管3，所 述短針管2的外徑為1.3mm，長(zhǎng)度為20mm;所述長(zhǎng)針管3的外徑為1.3mm，長(zhǎng)度為40mm;其中5根 短針管2和4根長(zhǎng)針管3由上至下間隔排列，間隔為6mm，且位于同一直線上;其余兩根短針管 2位于最上部短針管2和最上部長(zhǎng)針管3之間連線的兩側(cè)，和最上部的短針管2呈凸弧形排 布，其中左側(cè)的短針管2和最上部的短針管2間的垂直距離為1mm，右側(cè)的短針管2和最上部 的短針管2間的垂直距離為2mm。
[0028] 所述短針管2的內(nèi)部頂端裝有直徑為0.05mm的E型熱電偶W進(jìn)行溫度測(cè)定。所述長(zhǎng) 針管3的內(nèi)部設(shè)有絕緣電阻絲W進(jìn)行熱脈沖測(cè)定，絕緣電阻絲采用儀銘電阻合金制成，直徑 75皿，規(guī)格221.9 Ω . nfi;同時(shí)其內(nèi)部的中部設(shè)有直徑為ο. 05mm的E型熱電偶W進(jìn)行溫度測(cè) 定。
[0029] 利用本裝置測(cè)定地表熱通量主要包括W下Ξ個(gè)步驟：
[0030] 第一，裝置埋設(shè)。在測(cè)定地點(diǎn)挖一淺溝，將裝置水平插入±壤中，保證頂部針管位 于±表位置，小屯、回填淺溝。
[0031] 第二，±壤溫度和熱特性測(cè)定。將裝置各熱電偶和絕緣電阻絲的導(dǎo)線與自動(dòng)數(shù)據(jù) 采集器相連，通過(guò)自定義程序控制±壤溫度和熱特性自動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0032] 第Ξ，地表熱通量計(jì)算。轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)至電腦中，利用梯度法和量熱法 計(jì)算地表下一定深度±壤熱通量和該深度至地表間±壤熱儲(chǔ)量變化率，基于組合法將兩參 數(shù)相加得到地表熱通量。
[0033] 實(shí)施例1
[0034] 2015年5月至9月，在吉林省梨樹縣中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)站選擇一處玉米地作為測(cè)試 地點(diǎn)，利用本裝置進(jìn)行了地表熱通量測(cè)定。玉米于5月9日播種，每行棵距約20cm，行距約 70cm。
[0035] 1、裝置埋設(shè)。在行的中間位置挖一淺溝與行向垂直，將裝置水平插入未擾動(dòng)的± 壤剖面中，保證頂部針管正好位于地表。埋設(shè)完成后回填淺溝，使埋設(shè)位置與地表保持水 平。
[0036] 2、±壤溫度和熱特性測(cè)定。將各熱電偶和絕緣電阻絲導(dǎo)線與自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器相 連，通過(guò)向數(shù)據(jù)采集器輸入自定義程序?qū)崿F(xiàn)±壤溫度和熱特性自動(dòng)測(cè)定:每半小時(shí)進(jìn)行一 次±壤溫度測(cè)定，每次持續(xù)5分鐘，測(cè)定間隔1秒。每一整點(diǎn)后第2分鐘開始±壤熱特性熱脈 沖測(cè)定，用鉛酸蓄電池（12V，12Ah)提供加熱所需的電量，每次加熱時(shí)長(zhǎng)8秒。利用非線性擬 合技術(shù)處理加熱前后±壤溫度測(cè)定數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)±層的熱特性信息。
[0037] 3、地表熱通量計(jì)算。基于±壤溫度和熱特性測(cè)定結(jié)果，計(jì)算50mm深度±壤熱通量 Gso,同時(shí)計(jì)算0-50mm±層熱儲(chǔ)量變化率Δ So-50,利用組合法計(jì)算地表熱通量Go。
[0038] 圖2為6月20日至25日間測(cè)定結(jié)果，用W說(shuō)明本裝置實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)。圖2a為地表凈 福射Rn每小時(shí)測(cè)定值，變化范圍約為-60到600W · πΓ2,日峰值在10點(diǎn)到12點(diǎn)間出現(xiàn)。圖2b為 50mm深度±壤熱通量Gso和0-50mm±層熱儲(chǔ)量變化率Δ So-50每小時(shí)測(cè)定結(jié)果，將兩參數(shù)相加 得到地表熱通量Go每小時(shí)測(cè)定值，即圖2c。根據(jù)圖2c，地表熱通量Go在-40到210W · πΓ2間變 化，在10點(diǎn)到12點(diǎn)間達(dá)到日峰值，相位與地表凈福射Rn時(shí)間序列基本相符。測(cè)試前四天Go日 峰值均超過(guò)180W · πΓ2,合理地對(duì)應(yīng)于Rn日峰值>500W · πΓ2的時(shí)段。測(cè)試階段處于玉米生長(zhǎng) 初期，冠層較稀疏(6月22日測(cè)定該玉米地葉面積指數(shù)為0.51 )，使較大部分太陽(yáng)福射到達(dá)地 表，因此Go占 Rn較大比例（每小時(shí)Go/Rn介于0.1-0.5之間）。測(cè)試結(jié)果表明，利用本裝置能夠 獲取可靠的地表熱通量動(dòng)態(tài)信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地表熱通量測(cè)定裝置，其特征在于，包括箱體（1)和11根不銹鋼針管，所述針管 的一端固定在箱體（1)的側(cè)板外側(cè)，其包括7根短針管(2)和4根長(zhǎng)針管(3)，其中5根短針管 (2)和4根長(zhǎng)針管（3)由上至下間隔排列，并位于同一直線上;其余兩根短針管（2)位于頂部 的短針管(2)和長(zhǎng)針管(3)之間連線的兩側(cè)，和頂部的短針管(2)呈凸弧形排布，且該兩根短 針管(2)不在同一高度上； 所述短針管(2)的內(nèi)部頂端裝有熱電偶以進(jìn)行溫度測(cè)定;所述長(zhǎng)針管(3)的內(nèi)部設(shè)有絕 緣電阻絲以進(jìn)行熱脈沖測(cè)定，同時(shí)其內(nèi)部的中部設(shè)有熱電偶以進(jìn)行溫度測(cè)定。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種地表熱通量測(cè)定裝置，其特征在于，所述短針管（2)的外徑 為1 · 3mm，長(zhǎng)度為20mm;所述長(zhǎng)針管(3)的外徑為1 · 3mm，長(zhǎng)度為40mm;位于同一直線上的5根 短針管(2)和4根長(zhǎng)針管(3)，其間隔為6mm;位于頂部的短針管(2)兩側(cè)的短針管(2)，與頂部 的短針管(2)間的垂直距離分別為1mm和2mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種地表熱通量測(cè)定裝置，其特征在于，所述熱電偶均采用直徑 為0.05mm的E型熱電偶。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種地表熱通量測(cè)定裝置，其特征在于，所述絕緣電阻絲采用鎳 鉻電阻合金制成，直徑75以111，規(guī)格221.9〇·!!!- 1。
【文檔編號(hào)】G01K17/00GK205620051SQ201620438999
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】任圖生, 彭驍陽(yáng), 王月月, 張猛, 盧奕麗
【申請(qǐng)人】中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)