基于间距校正理论的热探针测定土壤水热参数和容重方法研究
发布时间：2021-04-18 11:28
土壤水分、热参数和容重是重要的土壤物理参数,三者相互影响、相互作用,被广泛应用于各个学科,如土壤科学、农业气象学、岩土工程,准确测定土壤水热参数和土壤容重对农业生产、气候变化、灌溉管理、工程应用等具有重要意义。热脉冲技术具有对土壤扰动小、成本低,可以实现连续、定位、多个土壤物理参数同步测定的优点,被广泛应用于测定土壤水分、热参数和土壤容重。热脉冲技术测定土壤容积热容易受到探针间距变化的影响,继而影响了其测定含水率和容重的准确度,修正热脉冲的间距误差,可以提高热脉冲技术应用前景和范围。本文以提高热脉冲技术测定土壤水分、热参数和土壤容重的准确度和应用范围为研究背景,以原位间距校正理论的应用为研究主线,将原位间距校正理论应用于改进热脉冲双探针的探针设计和提高Thermo-TDR基于热容法测定粘性土容重的精度中,主要结论如下:（1）无论是共面倾斜还是非共面倾斜,非线性模型能够明显提高长针（10 cm长度）测定土壤比热的准确性,相对误差为-8.30%;而线性模型校正效果不明显,相对误差达43.90%,因此,非线性模型适于长探针,而线性模型对于长探针间距校正存在一定局限性。（2）膨胀土失水收缩过程...
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热脉冲双探针结构示意图（Heitmanetal.,2003）
西北农林科技大学硕士论文14图2-2热脉冲实验装置示意图(卢奕丽2016)Fig.2-2Schematicoftheapparatuswithheatpulsedual-probes加热电阻丝，感应探针的热敏电阻或热电偶可以感应介质的温度变化，收集数据采集仪记录的热敏电阻或热电偶温度变化，得到温度上升曲线（图2-3）。通过温度上升曲线获得热参数有两种方法：一是直接读取ΔTm和tm值并通过式（2-2）、（2-3）计算热参数，称为单点法（SinglePointMethod）(Bristow1994;KnightandKluitenberg2004)；另一种方法是通过数据分析软件（Mathematica和MATLAB）利用PILS模型非线性拟合温度数据获得热参数，称为非线性拟合法（NonlinearModelFittingMethod）(Welchetal.1996)。单点法计算简单，但温度曲线平缓或有噪音时极值点不易确定，因此非线性拟合法优于单点法(Bristowetal.1995)。土壤容积热容的测定对探针间距敏感，需要提前校准探针间距，在已知容积热容的介质中（5gL-1琼脂溶液或干土）进行标定，琼脂溶液的容积热容值和水的相同，20℃为4.18MJm-3K-1(HamandBenson2004)。
第二章测定方法和原理17图2-4用于原位间距校正理论-线性模型的热脉冲双探针示意图Fig.2-4Schematicdiagramofdual-probesforlinearmodelofprobespacingcorrectionmethod2.3.3非线性模型由2.3.1可知，当加热探针和感应探针发生不共面倾斜，或探针发生弯曲时，线性模型无法对间距误差进行校正，此时使用非线性模型进行探针间距的校正。非线性模型的间距变化量用一个二阶函数描述，由于至少三点才能确定一条二阶函数曲线，故感应探针中含有3个热敏电阻（图3-1）。定义：()()()0011;1,2,3lnmimiimimitttittt==（2-15）tm1、tm2和tm3分别是热阻1、热阻2和热阻3温度上升曲线到达最大值的时间，均质土壤热阻1、热阻2、热阻3热扩散率相等，则根据式（2-2）可得：222112233r=r=r（2-16）定义p和p2为：122322132;rrpprr====（2-17）定义变化后的间距为ri，间距变化量为Δri，满足:()()0+,1,2,3iiir=rrzi=（2-18）使用二阶函数表示间距变化量，外倾Δri为正值，内倾反之；a，b值为回归系数：()()2,1,2,3irz=az+bzi=（2-19）将式（2-18），（2-19）代入式（2-17）可得，221011202222220223033;ralblralblppralblralbl++++==++++（2-20）将式（2-20）进行简单的数学变换可得式（2-21），
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法[J]. 胡优,李敏,任姮烨,司炳成. 农业工程学报. 2019(10)
[2]野外试验中热脉冲探针间距校正方法的应用[J]. 乔照钰,原晓辉,刘刚. 土壤学报. 2018(01)
[3]探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响[J]. 付永威,卢奕丽,任图生. 农业工程学报. 2014(19)
[4]土壤持水特征测定中质量含水量、吸力和容重三者间定量关系 Ⅱ.原状土壤[J]. 付晓莉,邵明安,吕殿青. 土壤学报. 2008(01)
[5]土壤持水特征测定中质量含水量、吸力和容重三者间定量关系I.填装土壤[J]. 邵明安,吕殿青,付晓莉,王全九,刘春平. 土壤学报. 2007(06)
[6]时域反射仪结合土钻法测定土壤容重[J]. 祝艳涛,钱天伟,但德忠. 资源开发与市场. 2006(03)
[7]热脉冲法测定土壤热性质的研究进展*[J]. 李毅,邵明安. 土壤学报. 2005(01)
[8]利用热脉冲时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数Ⅱ.应用[J]. 任图生,邵明安,巨兆强. 土壤学报. 2004(04)
[9]利用热脉冲-时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数 Ⅰ.原理[J]. 任图生,邵明安,巨兆强,Horton Robert. 土壤学报. 2004(02)
博士论文
[1]热探针方法测量土壤水热特性的改进研究[D]. 温敏敏.中国农业大学 2018
[2]干湿交替过程中土壤容重、水分特征曲线和热特性的动态变化特征[D]. 张猛.中国农业大学 2017
[3]基于土壤热导率定位监测容重的Thermo-TDR技术[D]. 卢奕丽.中国农业大学 2016
[4]土的电磁特性及同轴电缆电磁波反射技术研究[D]. 梁志刚.浙江大学 2005
[5]变容重土壤的水分动力学研究[D]. 吕殿青.西北农林科技大学 2003
硕士论文
[1]膨胀土干燥收缩特性试验研究[D]. 张琦.南京大学 2014
[2]TDR探头设计及含水量和干密度的联合监测技术[D]. 陈伟.浙江大学 2011
本文编号：3145395
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热脉冲双探针结构示意图（Heitmanetal.,2003）
西北农林科技大学硕士论文14图2-2热脉冲实验装置示意图(卢奕丽2016)Fig.2-2Schematicoftheapparatuswithheatpulsedual-probes加热电阻丝，感应探针的热敏电阻或热电偶可以感应介质的温度变化，收集数据采集仪记录的热敏电阻或热电偶温度变化，得到温度上升曲线（图2-3）。通过温度上升曲线获得热参数有两种方法：一是直接读取ΔTm和tm值并通过式（2-2）、（2-3）计算热参数，称为单点法（SinglePointMethod）(Bristow1994;KnightandKluitenberg2004)；另一种方法是通过数据分析软件（Mathematica和MATLAB）利用PILS模型非线性拟合温度数据获得热参数，称为非线性拟合法（NonlinearModelFittingMethod）(Welchetal.1996)。单点法计算简单，但温度曲线平缓或有噪音时极值点不易确定，因此非线性拟合法优于单点法(Bristowetal.1995)。土壤容积热容的测定对探针间距敏感，需要提前校准探针间距，在已知容积热容的介质中（5gL-1琼脂溶液或干土）进行标定，琼脂溶液的容积热容值和水的相同，20℃为4.18MJm-3K-1(HamandBenson2004)。
第二章测定方法和原理17图2-4用于原位间距校正理论-线性模型的热脉冲双探针示意图Fig.2-4Schematicdiagramofdual-probesforlinearmodelofprobespacingcorrectionmethod2.3.3非线性模型由2.3.1可知，当加热探针和感应探针发生不共面倾斜，或探针发生弯曲时，线性模型无法对间距误差进行校正，此时使用非线性模型进行探针间距的校正。非线性模型的间距变化量用一个二阶函数描述，由于至少三点才能确定一条二阶函数曲线，故感应探针中含有3个热敏电阻（图3-1）。定义：()()()0011;1,2,3lnmimiimimitttittt==（2-15）tm1、tm2和tm3分别是热阻1、热阻2和热阻3温度上升曲线到达最大值的时间，均质土壤热阻1、热阻2、热阻3热扩散率相等，则根据式（2-2）可得：222112233r=r=r（2-16）定义p和p2为：122322132;rrpprr====（2-17）定义变化后的间距为ri，间距变化量为Δri，满足:()()0+,1,2,3iiir=rrzi=（2-18）使用二阶函数表示间距变化量，外倾Δri为正值，内倾反之；a，b值为回归系数：()()2,1,2,3irz=az+bzi=（2-19）将式（2-18），（2-19）代入式（2-17）可得，221011202222220223033;ralblralblppralblralbl++++==++++（2-20）将式（2-20）进行简单的数学变换可得式（2-21），
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法[J]. 胡优,李敏,任姮烨,司炳成. 农业工程学报. 2019(10)
[2]野外试验中热脉冲探针间距校正方法的应用[J]. 乔照钰,原晓辉,刘刚. 土壤学报. 2018(01)
[3]探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响[J]. 付永威,卢奕丽,任图生. 农业工程学报. 2014(19)
[4]土壤持水特征测定中质量含水量、吸力和容重三者间定量关系 Ⅱ.原状土壤[J]. 付晓莉,邵明安,吕殿青. 土壤学报. 2008(01)
[5]土壤持水特征测定中质量含水量、吸力和容重三者间定量关系I.填装土壤[J]. 邵明安,吕殿青,付晓莉,王全九,刘春平. 土壤学报. 2007(06)
[6]时域反射仪结合土钻法测定土壤容重[J]. 祝艳涛,钱天伟,但德忠. 资源开发与市场. 2006(03)
[7]热脉冲法测定土壤热性质的研究进展*[J]. 李毅,邵明安. 土壤学报. 2005(01)
[8]利用热脉冲时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数Ⅱ.应用[J]. 任图生,邵明安,巨兆强. 土壤学报. 2004(04)
[9]利用热脉冲-时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数 Ⅰ.原理[J]. 任图生,邵明安,巨兆强,Horton Robert. 土壤学报. 2004(02)
博士论文
[1]热探针方法测量土壤水热特性的改进研究[D]. 温敏敏.中国农业大学 2018
[2]干湿交替过程中土壤容重、水分特征曲线和热特性的动态变化特征[D]. 张猛.中国农业大学 2017
[3]基于土壤热导率定位监测容重的Thermo-TDR技术[D]. 卢奕丽.中国农业大学 2016
[4]土的电磁特性及同轴电缆电磁波反射技术研究[D]. 梁志刚.浙江大学 2005
[5]变容重土壤的水分动力学研究[D]. 吕殿青.西北农林科技大学 2003
硕士论文
[1]膨胀土干燥收缩特性试验研究[D]. 张琦.南京大学 2014
[2]TDR探头设计及含水量和干密度的联合监测技术[D]. 陈伟.浙江大学 2011
本文编号：3145395
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