一种喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪

摘要

本发明公开了一种喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪，包括：N个相同规格的温湿度传感器，一个三杯式风速传感器，一个外夹式超声波流量计，一台主机，一个装配主机的仪器箱，N+1个伸缩式三脚架，以及用于将温湿度传感器、三杯式风速传感器及外夹式超声波流量计与主机相连的若干线缆；外夹式超声波流量计设置在喷头给水管上；所述温湿度传感器与三杯式风速传感器均固定设置在一伸缩式三脚架上，用于测量喷头附近的温湿度，以及周围环境的温湿度与风速。本发明公开的测定仪，其测定时间短、可节约劳力、成本较低、结果可靠且具备快速装卸特性。

说明书

技术领域

本发明涉及农业生产技术领域，尤其涉及一种喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪。

背景技术

喷灌在当前农业生产中是一种先进而节水的灌溉措施。经由喷头喷出的喷灌水在抵达根际层前有一部在空中飞行过程中发生了飘散与蒸发损失，这部分损失称之为飘散蒸发损失(WDELs)。研究结果表明，WDELs量主要在10％-20％之间。因此，WDELs已成为影响喷灌水利用率的一项重要影响因素。测量一套喷灌系统的WDELs也成为评价其性能并改善其喷灌效率的重要内容。

测量WDELs是一项难度高、控制误差严格的工作。目前，国际上有两种主流的田间测量WDELs的方法：雨量筒法和利用气象涡度相关系统(ECV)。但两者均具有一定弊端。雨量筒法无论在测量准备还是在获取数据上均存在消耗大量劳力、时间成本高的问题，且无法保证可靠的精度。ECV法克服了以上缺点，但目前对广大研究人员来讲，因较昂贵的气象观测设备以及较繁琐的数据加工过程，这仍然是一种门槛较高的研究方法，并且其还不具备灵活安装布置的优势。因此，以上两种田间测量WDELs的方法均不能兼具省时、省力、高精度、布置灵活且低成本的特性，使普遍的田间测定WDELs工作受到诸多限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪，其测定时间短、可节约劳力、成本较低、结果可靠且具备快速装卸特性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪，包括：N个相同规格的温湿度传感器，一个三杯式风速传感器，一个外夹式超声波流量计，一台主机，一个装配主机的仪器箱，N+1个伸缩式三脚架，以及用于将温湿度传感器、三杯式风速传感器及外夹式超声波流量计与主机相连的若干线缆；

外夹式超声波流量计设置在喷头给水管上；所述温湿度传感器与三杯式风速传感器均固定设置在一伸缩式三脚架上，用于测量喷头附近的温湿度，以及周围环境的温湿度与风速。

所述温湿度传感器包括：高精度温湿度变送器、防辐射罩和隔水透气材料，所述隔水透气材料固定于防辐射罩内壁且包裹所述的高精度温湿度变送器。

所述伸缩式三脚架包括伸缩支脚、支脚锁紧装置、球型云台、云台快装板以及内嵌于快装板内的平衡泡，所述云台快装板之上固定连接所述的温湿度传感器或三杯式风速传感器，构成可快速拆装的温湿度传感器三脚架组合体或风速传感器三脚架组合体。

所述的温湿度传感器、三杯式风速传感器和外夹式超声波流量计均通过RS485总线线缆连接所述主机，所述的RS485总线线缆头为防水航空接头。

所述外夹式超声波流量计设置在喷头给水管上包括：分别将所述外夹式超声波流量计的上下游换能器夹住喷头给水管，并用耦合剂密封。

所述装配主机的仪器箱中还包括：与所述主机相连的嵌入式打印机、电源开关、充电插口及锂电池；

所述主机包括：主板、控制盘、显示屏、线缆接口和USB输出接口。

所述温湿度传感器与三杯式风速传感器均固定设置在一伸缩式三脚架上，用于测量喷头附近的温湿度，以及周围环境的温湿度与风速，包括：

将所述N个温湿度传感器及三杯式风速传感器均分别固定设置在一伸缩式三脚架上，形成温湿度传感器三脚架组合体及风速传感器三脚架组合体；将温湿度传感器三脚架组合体编号为0～N-1；由1号温湿度传感器三脚架组合体开始，依次放置于以喷头为圆心的喷灌圈或喷灌扇面内的半径上；所述的1号温湿度传感器三脚架组合体紧邻喷头放置，其余温湿度传感器三脚架组合体按等间距延径向放置，放置后的1～N-1号温湿度传感器三脚架组合体覆盖喷洒范围后继续延伸至喷洒范围外，且至少有两个温湿度传感器三脚架组合体延伸至喷洒范围外；

0号温湿度传感器三脚架组合体放置于喷灌影响范围以外，用于测量周围环境的温湿度；

所述风速传感器三脚架组合体，放置于喷灌影响范围以外，用于测量周围环境的风速。

所述主机根据温湿度传感器、三杯式风速传感器及外夹式超声波流量计的测量结果计算喷灌飘散蒸发损失量；其步骤如下：

S1：根据0～N号温湿度传感器三脚架组合体上的温湿度传感器测量到的温湿度分别计算绝对湿度，获得N个绝对湿度；

S2：由所述1号温湿度传感器三脚架组合体计算的绝对湿度，来计算以喷头为中心、以s/2为半径的球形空间内的水汽含量；由2～N-1号温湿度传感器三脚架组合体上的温湿度传感器所计算出的绝对湿度，来分别计算以喷头为中心、以(s×(i-1))和(s/2)分别为长半径和短半径的圆环体形空间内的水汽含量，获得N-2个圆环体形空间内的水汽含量；其中，s表示1～N-1号温湿度传感器三脚架组合体中相邻温湿度传感器三脚架组合体的间距，i＝[1，N-1]；

S3：将所述球形空间内的水汽含量以及N-2个圆环体形空间内的水汽含量相加，并减去0号温湿度传感器三脚架组合体测得的周围环境的对应喷灌区域同等体积的的水汽含量，得到喷灌产生的水汽含量差，即为喷灌飘散蒸发损失；

S4：对每一测量时刻的所述水汽含量差有关时间进行积分运算，得整个测量历时内的水汽含量差总量，即为喷灌飘散蒸发损失总量，或表示为水汽含量差总量占喷灌水量的百分比；其中，所述喷灌水量通过外夹式超声波流量计采集获得；

S5：若喷灌影响区域内外的温湿度未达到一致，则重复S1至S4，否则测量结束。

所述主机的显示屏实时显示计算到的喷灌飘散蒸发损失量，当满足结束条件时，自动结束测量，并生成测量结果；所述测量结果以报表形式进行机内存储、通过所述的USB输出端口保存至外部存储器和/或通过所述的嵌入式打印机现场打印测量结果。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，其具备一定的灵活性和移动性，田间布置简便，测试过程自动化，数据实时显示，且设备成本在可控范围内，实现田间喷灌蒸发与飘散损失量测量在数小时自动化情况下即完成，无需后期数据处理，实现了现场输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的温湿度传感器、风速传感器及伸缩式三脚架示意图；

图2为本发明实施例提供的温湿度传感器内部剖面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪在田间布置示意图；

图4为本发明实施例中提供的主机面板示意图；

图5为本发明实施例中提供的主机显示屏显示画面示意图；

图6为本发明实施例中提供的计算喷灌飘散蒸发损失量的流程图；

图7为本发明实施例中提供的测量报告的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

本发明实施例提供一种喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪，其主要包括：N个相同规格的温湿度传感器，一个三杯式风速传感器，一个外夹式超声波流量计，一台主机，一个装配主机的仪器箱，N+1个伸缩式三脚架，以及用于将温湿度传感器、三杯式风速传感器及外夹式超声波流量计与主机相连的若干线缆；

外夹式超声波流量计设置在喷头给水管上；所述温湿度传感器与三杯式风速传感器均固定设置在一伸缩式三脚架上，用于测量喷头附近的温湿度，以及周围环境的温湿度与风速。

如图1所示为温湿度传感器、三杯式风速传感器及伸缩式三脚架示意图。其中图1a为温湿度传感器1与伸缩三脚架3组合，图1b为三杯式风速传感器2与伸缩三脚架3组合。

所述伸缩式三脚架3主要包括：伸缩支脚、支脚锁紧装置8、球型云台6、云台快装板4以及内嵌于快装板内的平衡泡，支腿长度及球型云台6的高度均可调节并由支脚锁紧装置8及云台锁紧装置锁紧。所述云台快装板4之上固定连接所述的温湿度传感器1或三杯式风速传感器2，构成可快速拆装的温湿度传感器三脚架组合体或风速传感器三脚架组合体。

如图2所示，所述温湿度传感器1包括：高精度温湿度变送器10、防辐射罩12和隔水透气材料9，所述隔水透气材料9固定于防辐射罩12内壁且包裹所述的高精度温湿度变送器10及其探头11。所述的高精度温湿度变送器10，优选的型号为“SensirionSHT75”。

所述的风速传感器2，优选的型号为“易谷科技YGC-FS”。所述的外夹式超声波流量计，优选的型号为“E+HProsonicFlow93W”。

本发明实施例所述的喷灌飘散蒸发损失量田间快速测定仪可以采用如图3所示方式在田间布置。具体来说：

将所述N个温湿度传感器及三杯式风速传感器均分别固定设置在一伸缩式三脚架上，形成温湿度传感器三脚架组合体及风速传感器三脚架组合体，通过所述快装板4内嵌的水平泡调节球型云台6使温湿度传感器和风速传感器至水平位置。调节所述三脚架高度使温湿度传感器1与待测喷头13等高，使风速传感器2位于离地2m高处。本实施例中，N的具体数值可以根据测区大小来确定，例如，本实施例中可将其设为14。

将温湿度传感器三脚架组合体编号为0～N-1；由1号温湿度传感器三脚架组合体开始，依次放置于以喷头为圆心的喷灌圈或喷灌扇面内的半径上；所述的1号温湿度传感器三脚架组合体紧邻喷头放置，其余温湿度传感器三脚架组合体按等间距延径向放置，放置后的1～N-1号温湿度传感器三脚架组合体覆盖喷洒范围后，继续延伸放置至喷洒范围外。本发明实施例中，如前文举例所说的将N设为14，将温湿度传感器三脚架组合体的间隔设为s，则1-12号温湿度传感器三脚架组合体按间隔s放置于喷洒范围以内，则将13和14号2个温湿度传感器三脚架组合体继续按间隔s依次放置在喷洒范围外。

本发明实施例中，必须有至少两个温湿度传感器三脚架组合体与喷灌区内其他温湿度传感器三脚架组合体按一定间隔摆放到喷灌区以外。例如：待测喷头喷灌半径10m，6个温湿度传感器三脚架组合体(1-6号)正好覆盖喷灌范围，此时还需要继续布置7号、8号温湿度传感器三脚架组合体至喷灌范围外。

0号温湿度传感器三脚架组合体放置于喷灌影响范围以外，用于测量周围环境的温湿度；

所述风速传感器三脚架组合体，放置于喷灌影响范围以外，用于测量周围环境的风速。

所述的外夹式超声波流量计14设置在喷头给水管上，具体的：分别将所述外夹式超声波流量计的上下游换能器15夹住喷头给水管，并用耦合剂密封。

所述的温湿度传感器1、三杯式风速传感器2和外夹式超声波流量计14均通过RS485总线线缆7连接所述主机16，所述的RS485总线线缆头为防水航空接头。

如图3-4所示。所述装配主机的仪器箱中还包括：与所述主机16相连的嵌入式打印机26、电源开关23、充电插口24及锂电池18；

所述主机16包括：主板17、控制盘20、显示屏21、线缆接口22和USB输出接口25。

进一步的，本发明实施例中所述主机16可以通过曲线实时显示喷灌飘散蒸发损失量WDELs，如图5所示为实际工作中主机16的显示屏21所显示的内容。

本发明实施例所述的主机16即为喷灌飘散蒸发损失田间快速测定仪主机，用于计算喷灌飘散蒸发损失量。其通电后，预先进行自检以及传感器状态检测，然后输入各项必要的测定参数：温湿度传感器放置间隔、使用的温湿度传感器数量、全圆喷灌或扇形喷灌(喷灌角)、喷灌开始时间、传感器采样频率，及其它输入项：测试名称、喷头型号等。

当喷灌开始时，依次捕获各温湿度传感器的温湿度数据、风速传感器的风速数据和外夹式超声波流量计的水量数据，其中优选的采样频率为0.1Hz。当风速低于预设值时方可启动测试。示例性的，本实施例中可以将该预设值设为2m/s。

如图6所示为计算喷灌飘散蒸发损失量的流程图；在进行如下计算时，主机的显示屏实时显示计算到的喷灌飘散蒸发损失，同样，本实例中，N可以设为14，设i为传感编号(i＝[1，N-1])，设s为各温湿度传感器三脚架组合体的间隔；具体的计算过程如下：

S1：根据0～N-1号温湿度传感器三脚架组合体上的温湿度传感器测量到的温湿度分别计算绝对湿度，获得N个绝对湿度。

S2：由所述1号温湿度传感器三脚架组合体计算的绝对湿度，来计算以喷头为中心、以(s/2)为半径的球形空间内的水汽含量；由2～N-1号温湿度传感器三脚架组合体上的温湿度传感器所计算出的绝对湿度，来分别计算以喷头为中心、以(s×(i-1))和(s/2)分别为长半径和短半径的圆环体形空间内的水汽含量，获得N-2个圆环体形空间内的水汽含量。

本发明实施例中，中心的1号温湿度传感器三脚架组合体代表的是一个球形空间，其余2-N-1号代各表圆环体形空间。

S3：将所述球形空间内的水汽含量以及N-2个圆环体形空间内的水汽含量相加，并减去0号温湿度传感器三脚架组合体测得周围环境的对应喷灌区域同等体积的水汽含量，得到喷灌产生的水汽含量差，即为喷灌飘散蒸发损失。

S4：对每一测量时刻的所述水汽含量差有关时间进行积分运算，得整个测量历时内的水汽含量差总量，即为灌飘散蒸发损失总量，或表示为水汽含量差总量占喷灌水量的百分比；

S5：若喷灌影响区域内外的温湿度未达到一致，则重复S1至S4，否则测量结束。

以上S1-S5文字描述部分是为便于理解，先描述各个分割区域，描述完喷灌区域内总的量再减去对应的0号传感器代表的喷灌影响区域外的对应体积的量，两个量的差即为WDELs，喷灌区域内所有传感的代表区域体积之和即为喷灌区外0号传感器的代表体积，即先各自描述喷灌区内外的水汽含量，再算两部分的差，得WDELs。

为简化公式，在计算每个分割区域的WDELs时，使用的喷灌区内外绝对湿度AH差乘以对应体积，即先算绝对湿度AH差，再乘对应体积，几个部分相加得WDELs；

再者，文字描述部分为简化没有讲关于时间t的问题，以下的部分是一种公式形式的表达，引入了测量时间t这个变量。

具体的，运行步骤可以用如下公式表达：

S1：根据0～N-1号温湿度传感器三脚架组合体上的温湿度传感器测量到的温湿度分别计算绝对湿度，获得N个绝对湿度。

计算公式如下：

$>AH=\frac{RH}{R_W·(T+273.15)}·\left[0.6108\exp \left(\frac{17.27·T}{T+237.3}\right)\right]·1000;$>

其中，RH、T分别为每一温湿度传感器1直接测得的相对湿度和温度，R_W为水的气体常数461.52Jkg^-1K^-1。

通过将0～N-1号温湿度传感器三脚架组合体上的温湿度传感器测量到的数据分别代入上述公式进行计算后，可以获得N个绝对湿度的计算结果。

S2：以喷头为中心、以s/2为半径的1号温湿度传感器三脚架组合体的代表的球形空间内t时刻的水汽含量差WDELs_sph(t)的运算公式为：

全圆喷灌：

$>{\mathrm{WDELs}}_{sph}\left(t\right)=\frac{4}{3}\pi {\left(\frac{s}{2}\right)}^3[{\mathrm{AH}}_1\left(t\right)-{\mathrm{AH}}_0\left(t\right)];$>

喷灌角为θ的扇形喷灌：

$>{\mathrm{WDELs}}_{sph}\left(t\right)=\frac{4}{3}\pi {\left(\frac{s}{2}\right)}^3[{\mathrm{AH}}_1\left(t\right)-{\mathrm{AH}}_0\left(t\right)]\frac{\theta }{360}.$>

其中，AH₁(t)表示t时刻根据1号温湿度传感器三脚架组合体测量数据计算到的绝对湿度；AH₀(t)表示t时刻根据0号温湿度传感器三脚架组合体上温湿度传感器测量到的周围环境的绝对湿度。

由2～N-1号温湿度传感器三脚架组合体上的温湿度传感器所计算出的绝对湿度，来计算以喷头为中心、以(s×(i-1))和(s/2)分别为长半径(旋转轴长)和短半径(旋转圆面半径)的圆环体型空间内t时刻的的水汽含量差WDELs_tr,i(t)，其运算公式为：

全圆喷灌：

$>{\mathrm{WDELs}}_{tr,i}\left(t\right)=\pi {\left(\frac{s}{2}\right)}^2(2\pi ·s·i)[{\mathrm{AH}}_i\left(t\right)-{\mathrm{AH}}_0\left(t\right)];$>

喷灌角为θ的扇形喷灌：

$>{\mathrm{WDELs}}_{tr,i}\left(t\right)=\pi {\left(\frac{s}{2}\right)}^2(2\pi ·s·i)[{\mathrm{AH}}_i\left(t\right)-{\mathrm{AH}}_0\left(t\right)]\frac{\theta }{360};$>

S3：基于S1～S2，整个喷灌区域内t时刻的WDELs(t)的运算公式为：

$>WDELs\left(t\right)={\mathrm{WDELs}}_{sph}\left(t\right)+\underset{i=2}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\mathrm{WDELs}}_{tr,i}\left(t\right)$>

S4：对每一测量时刻的所述水汽含量差有关时间进行积分运算，得整个测量历时内的水汽含量差总量，即为喷灌飘散蒸发损失总量，或表示为水汽含量差总量占喷灌水量的百分比。

设T_t为观测总历时，则水汽含量差总量WDELs_g的运算公式为：

$>{\mathrm{WDELs}}_g={\int }_0^{T_t}WDELs\left(t\right)dt$>

或WDELs_g表示为占喷灌水总量(IV)的百分比，运算公式为：

$>{\mathrm{WDELs}}_g=\frac{{\int }_0^{T_t}WDELs\left(t\right)dt}{IV}·100\%.$>

其中，喷灌水总量(IV)可通过外夹式超声波流量计采集获得。

S5：若喷灌影响区域内外的绝对湿度未达到一致，则重复S1至S4，否则测量结束。

若喷灌影响区域内外的绝对湿度未达到一致，则所测得的自测试开始至此时刻t的累计水汽含量差WDELs_acum的计算公式为：

$>{\mathrm{WDELs}}_{acum}={\int }_0^{t}WDELs\left(t\right)dt;$>

或WDELs_acum表示为占喷灌水总量(IV)的百分比，运算公式为：

$>{\mathrm{WDELs}}_{acum}=\frac{{\int }_0^{T_t}EDLs\left(t\right)dt}{IV}·100\%.$>

若喷灌影响区域内外的温湿度达到一致，则测量结束。

S6：测量结束，并生成测量结果；所述测量结果以报表形式进行机内存储、通过所述的USB输出端口保存至外部存储器和/或通过所述的嵌入式打印机现场打印测量结果。

示例性的，当测试结束后生成如图7所示的测量报告。

另一方面，本发明实施例中，当测试过程中风速连续超过预设的最大值时，主机也将自动停止测试。例如，风速持续超过预设值(2m/s)达到5分钟时，停止测试。

本发明实施例主要获得了如下有益效果：

1)本发明通过直接测量由喷灌作用而产生的多余的水汽，提供了一种可靠的、快速的、省力的、且节约成本的田间测量喷灌飘散蒸发损失量的新方法及设备。

2)本发明通过对温湿度传感器进行了防喷溅的改良，使其能够在喷灌水覆盖区域实现正常工作。本发明在喷灌结束后数十分钟或数小时内(视气象条件而定)完成喷灌的飘散蒸发损失量的测量，且工作过程无需人为值守。测定结束后无需复杂的数据处理过程，当场可显示并输出测定结果。

3)整套设备组装拆卸简便，灵活性、移动性强，可适用不同喷灌条件下的飘散蒸发损失的测量。

4)本发明实现了喷灌飘散蒸发损失量的实时显示，这一性能对研究喷灌飘散蒸发的发生的时间过程、产生规律提供了重要的数据资料。

5)本发明的主要组成部分易于制作加工，设备成本不高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。