一种土壤测定装置及其测定方法、计量标定方法与流程

1.本发明属于土壤测量的技术领域，特别是涉及一种土壤测定装置及其测定方法、计量标定方法。


背景技术：

2.目前主要测定土壤含水量方法有人工取土烘干法和电学测定法(主要为介电法)。电学测定法由于其快速测定，被应用在自动监测站(如土壤墒情站)和手持原位测定。一般的，自动监测站须对建站土壤建立率定公式，主要是通过与人工取土烘干法得到的重量含水量进行校准。而该校准过程无法获得土壤孔隙度和土粒密度参数。
3.在无法测定土壤孔隙度和土粒密度参数的条件下，以上方法校准后的土壤体积含水量的系统误差可达到0.02cm3cm-3
以上，所以依赖该法进行校准和测定，使得介电法快速测定的不确定度变大的。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种土壤测定装置及其测定方法、计量标定方法。
5.本发明采用以下技术方案：一种土壤测定装置，包括：
6.密闭容器，所述密闭容器上开设有气阀口；环刀结构，放置于所述密闭容器内；环刀结构的外壁与密闭容器之间留有预定空间；所述环刀结构用于盛取、放置样品；称重传感器，设于所述密闭容器的外底部；压力或压强传感器，安装在所述密闭容器的内底部；气体发生器，连通于所述气阀口。
7.在进一步的实施例中，用于测定土壤参数，所述土壤参数至少包括：土壤孔隙率的测定、土粒密度的测定和土壤体积含水量的测定。
8.采用如上所述的土壤测定装置的测定方法，至少包括以下步骤：步骤一、使用环刀结构取待测土壤样品s且盛满，进行质量称重并记为ms；步骤二、将所述待测土壤样品s进行烘干处理得到干燥土壤样品，进行质量称重并记为m
sc
；步骤三、将盛有干燥土壤样品的环刀结构放置到密闭容器中，快速抽取密闭容器中的气体使密闭容器中的压力或压强传感器的数据为p0，并保持恒温t0；步骤四、向所述密闭容器中充入预定质量的惰性气体至压力或压强传感器的数据为p1，立即密封所述密闭容器；步骤五、基于步骤二至步骤三计算得到土壤孔隙率s
p
；步骤六、基于所述土壤孔隙率s
p
计算得到土粒密度ρ
土
|t0；步骤七、执行步骤一，基于步骤五和步骤六计算得到土壤体积含水量v％；其中，步骤二至步骤七中的气相、固相和液相均不发生改变。
9.在进一步的实施例中，所述步骤五中的土壤孔隙率s
p
的计算流程如下：
10.步骤501、采用以下公式计算干燥土壤样品在密闭容器的孔隙大小v
b-z
：
11.p1×vb-z
＝k0，k0表示温度为t0条件下的气体常数；
12.步骤502、获取环刀结构的容积为v
环
，密闭容器的容积为vb，则密闭容器中剩余容
积为vo：vo＝v
b-v
环
；
13.则环刀结构内干燥土壤样品得到孔隙大小vz：vz＝v
b-z-vo；
14.步骤503、基于步骤401和402计算得到s
p
：
15.在进一步的实施例中，所述步骤六中的土粒密度ρ
土
|t0的获取流程如下：
16.基于步骤五，当前密闭容器存在气相和干燥土壤固相，因此定义干燥土壤样品的体积为v
土
，质量为m
土
：
[0017][0018]
则，其中，m
环
为环刀结构的质量。
[0019]
在进一步的实施例中，所述土壤体积含水量v％的获取过程如下：
[0020]
定义待测土壤样品s中的水体积为v
水
、质量为m
水
；土壤体积为质量为则采用以下公式计算得到v
水
：
[0021][0022]
则其中，ρ
土
|t0为温度t0的水密度为一定值。
[0023]
采用如上所述的土壤测定装置的计量标定方法，用于标定计量参数和土壤孔隙度，其中，所述标定计量参数为气体常数k0。
[0024]
在进一步的实施例中，所述气体常数k0的标定方式如下：制作金属材质的标定件：所述标定件包括第一标定件和第二标定件；其中，所述第一标定件的体积为所述环刀结构的容积的20％，所述第二标定件的体积为所述环刀结构的容积的50％；
[0025]
将所述第一标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
20
；
[0026]
将所述第二标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
50
；
[0027]
将所述第一标定件和第二标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
70
；
[0028]
基于p
20
、p
50
和p
70
绘制气体常数拟合曲线，结合公式pv＝k分别计算得到k
20
、k
50
和k
70
；则
[0029]
在进一步的实施例中，所述土壤孔隙率s
p
的标定过程如下：
[0030]
将环刀结构和定体积的土壤样品放置到密封容器内，将此时的温度记为t1、压力或压强记为p1；对放置有环刀结构的密封容器进行称重得到质量m1；
[0031]
向密封容器充入固定体积的气体v，使内部压力或压强上升待度降至t1后，记录实际压力或压强为p2；对此时的密封容器进行再次称重得到质量m2；
[0032]
查询空气在压力或压强p1和压力或压强p2条件下的空气密度，并分别记为ρ1、ρ2；
[0033]
则根据以下公式得到v
气
，v
气
为密闭容器内除环刀结构和土壤样品固相以外的气相体积：
[0034][0035]
则土壤孔隙度表示为：v
气-v。
[0036]
本发明的有益效果：本发明首先公开了土壤测定装置，不仅仅用于土壤参数的测定，同时还可用于参数的标定，减少了现有技术中因人为计算和人为测定导致的误差，提高了测定精度。同时，本发明是充分利用气体填充、气体质量在空隙及空间的变化，从填充的角度测定土壤孔隙率，增加了土壤孔隙率的精度。而土壤孔隙率作为其他参数测量的基础，故同时增加了其他参数的精确度。
附图说明
[0037]
图1为实施例1的土壤测定装置的连接关系图。
[0038]
图2为实施例3气体常数曲线标定实验示意图。
[0039]
图3为实施例3绘制的气体常数拟合曲线图。
[0040]
图1至图3中的标注为：环刀结构1、密闭容器2、称重传感器3、气阀口4、压力或压强传感器5、第一标定件6、第二标定件7。
具体实施方式
[0041]
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步的描述。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，本实施例公开了土壤测定装置，包括：密闭容器，需要说明的是本实施例中的密闭容器的顶部设置有密封端盖，当需要对其内部进行操作时则将端盖打开，当需要启动测定流程时，则扣紧密封盖。
[0044]
密闭容器内放置有环刀结构，在本实施例中，环刀结构为上、下均开口的环形圈，既便于取土壤样本，同时便于容纳土壤样本。环刀结构采用耐腐蚀的金属材料制备而成，确保环刀结构长期不发生氧化，每次使用前将其表面擦拭干净。环刀结构的外壁与密闭容器之间留有预定空间，使用时，预定空间被设置为容纳气体，便于后期参数标定。
[0045]
密闭容器的外底部设置有称重传感器，密闭容器的内底部设置有压力或压强传感器，称重传感器则是用于称量密闭容器及其内部的总质量，压力或压强传感器则是用于获取密闭容器内的压力或压强信息。因在参数测定的过程中，检测要求精度高。故称重传感器为南京思摩特传感器有限公司数字式传感器ss-100，量程范围为0.1g～2000.0g，精度为0.5g。压力或压强传感器为基恩士(中国)有限公司的gp-m010，量程范围为-0.1mpa～1mpa，精度为
±
1％ f.s.。
[0046]
密闭容器上开设有气阀口，并在气阀口上安装有气体发生器，用于抽气或者打气。
[0047]
实施例2
[0048]
基于实施例所述的土壤测定装置，本实施例公开了土壤测定装置的测定方法，用于测定土壤参数，所述土壤参数至少包括：土壤孔隙率的测定、土粒密度的测定和土壤体积含水量的测定。
[0049]
土壤是由无机物、有机物等固相物质和水组成的团粒结构组成。这种结构是有孔隙的，不仅各大团粒之间有孔隙，大团粒内部也有孔隙，组成大团粒的小团粒之间及内部，也有孔隙。这就给测量带来了一定的困难。但是这种孔隙实际上就是空气，因此本实施例的土壤空隙率的检测是从空气的角度进行，增加了检测精度。
[0050]
土壤孔隙率的测定则包括以下步骤：
[0051]
步骤一、使用环刀结构取待测土壤样品s且盛满，进行质量称重并记为ms；
[0052]
步骤二、将所述待测土壤样品s进行烘干处理得到干燥土壤样品，进行质量称重并记为m
sc
；
[0053]
步骤三、将盛有干燥土壤样品的环刀结构放置到密闭容器中，快速抽取密闭容器中的气体使密闭容器中的压力或压强传感器的数据为p0，并保持恒温t0；气体可以是氮气或者其他惰性气体。
[0054]
步骤四、向所述密闭容器中充入预定质量的惰性气体(可以是氮气，假设n mol)至压力或压强传感器的数据为p1，立即密封所述密闭容器；
[0055]
步骤五，采用以下公式计算干燥土壤样品在密闭容器的孔隙体积大小v
b-z
：
[0056]
p1×vb-z
＝k0，k0表示温度为t0条件下的气体常数；
[0057]
步骤六、获取环刀结构的容积为v
环
，密闭容器的容积为vb，则密闭容器中剩余容积为vo：vo＝v
b-v
环
；
[0058]
则环刀结构内干燥土壤样品得到孔隙大小vz：vz＝v
b-z-vo；
[0059]
步骤六、计算得到s
p
：
[0060]
整个实验过程须不发生相变。为了保证参数的可靠性，可多次重复步骤一至步骤六，最后取平均值即可。
[0061]
实施例3
[0062]
本实施例公开了基于实施例1的土壤测定装置，对实施例2中的t0条件下的气体常数进行标定：需要制作金属材质的标定件和气体常数曲线。
[0063]
进一步的，金属材质的标定件的要求如下：标定件包括第一标定件和第二标定件；其中，所述第一标定件的体积为所述环刀结构的容积的20％，所述第二标定件的体积为所述环刀结构的容积的50％；金属密度应大于2g/cm3，可为用高纯度金属材料制作，也可使用合金材料制作。表面光滑，中无孔隙。且使用耐腐蚀的金属材料，确保该标准件长期不氧化，每次使用前将其表面擦拭干净，并进行称重，确保重量无异常变化。与实施例1中的环刀结构一样，均为上、下敞口的环形结构。
[0064]
制作完标定件后，可进行测定装置的系数k值得测定，测定步骤如下：将所述第一标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体(可以是氮气，假设n mol)，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
20
；
[0065]
如图2所示，将所述第二标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器
中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体(可以是氮气，假设n mol)，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
50
；
[0066]
将所述第一标定件和第二标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
70
；
[0067]
基于p
20
、p
50
和p
70
绘制气体常数拟合曲线，如图3所示，结合公式pv＝k分别计算得到k
20
、k
50
和k
70
；则
[0068]
实施例4
[0069]
基于实施例和实施例2，本实施例公开土粒密度ρ
土
|t0的获取流程如下：
[0070]
使用环刀结构在田间取样且盛满，本实施例的样品用于测定土壤的土粒密度。将待测土壤样品s放置在烘箱内设置105℃烘干处理24～48小时得到干燥土壤样品，进行质量称重并记为m
sc
；将盛有干燥土壤样品的环刀结构放置到密闭容器中，快速抽取密闭容器中的气体使密闭容器中的压力或压强传感器的数据为p0，并保持恒温t0；向所述密闭容器中充入预定质量的惰性气体至压力或压强传感器的数据为p1，立即密封所述密闭容器。采用以下公式计算干燥土壤样品在密闭容器的孔隙体积大小v
b-z
：p1×vb-z
＝k0，k0表示温度为t0条件下的气体常数；可通过实施例3计算得到。
[0071]
获取环刀结构的容积为v
环
，密闭容器的容积为vb，则密闭容器中剩余容积为vo：vo＝v
b-v
环
。
[0072]
当前密闭容器存在气相和干燥土壤固相，因此定义干燥土壤样品的体积为v
土
，质量为m
土
：
[0073][0074]
则，其中，m
环
为环刀结构的质量，准确获得室温t0的土粒密度ρ
土
|t0。
[0075]
实施例5
[0076]
基于实施例4，本实施例公开了对土壤体积含水量v％的测定过程，具体如下：
[0077]
定义待测土壤样品s中的水体积为v
水
、质量为m
水
；土壤体积为质量为则采用以下公式计算得到v
水
：
[0078][0079]
则其中，ρ
土
|t0为温度t0的水密度为一定值。
[0080]
实施例6
[0081]
对实施例3所测定的土壤孔隙度进行标定，标定过程如下：
[0082]
将环刀结构和定体积的土壤样品放置到密封容器内，将此时的温度记为t1、压力
或压强记为p1；对放置有环刀结构的密封容器进行称重得到质量m1；
[0083]
向密封容器充入固定体积的气体v，使内部压力或压强上升待度降至t1后，记录实际压力或压强为p2；对此时的密封容器进行再次称重得到质量m2；
[0084]
查询空气在压力或压强p1和压力或压强p2条件下的空气密度，并分别记为ρ1、ρ2；
[0085]
则根据以下公式得到v
气
，v
气
为密闭容器内除环刀结构和土壤样品固相以外的气相体积：
[0086][0087]
则土壤孔隙度表示为：v
气-v。
[0088]
进一步的，将定体积的土壤环刀取样并密封。该密封容器应有充气(抽气)接口，气压检测接口，温度检测接口。调节环境及样品温度为一合适温度(例如25℃)。
[0089]
①
记录此时的温度(25℃)，气压表读数(正常大气压)，温度为t1，气压为p1。
[0090]
②
关闭接口，撤去连接管线。并称重该装置，(该密封环刀)，重量为m1。
[0091]
③
连接充气接口，气压检测接口，温度检测接口。
[0092]
④
充气口加压充气(空气)，使气压上升约0.1mpa。
[0093]
⑤
充气后温度将增加，通过散热或等待，使温度降至25℃。
[0094]
⑥
记录实际气压值为p2[0095]
⑦
关闭接口，撤去连接管线。并称重该装置，(该密封环刀)，重量为m2。
[0096]
不同压力或压强下的空气密度如下表所示：
[0097]
压力或压强mpa温度(℃)密度g/1000ml0.1251.16910.2252.33820.3253.50730.4254.67640.5255.8455
[0098]
如果出现气压读数不是表中的整数，可以用插值法计算。

技术特征：
1.一种土壤测定装置，其特征在于，包括：密闭容器，所述密闭容器上开设有气阀口；环刀结构，放置于所述密闭容器内；环刀结构的外壁与密闭容器之间留有预定空间；所述环刀结构用于盛取、放置样品；称重传感器，设于所述密闭容器的外底部；压力或压强传感器，安装在所述密闭容器的内底部；气体发生器，连通于所述气阀口。2.采用如权利要求1所述的土壤测定装置的测定方法，其特征在于，用于测定土壤参数，所述土壤参数至少包括：土壤孔隙率的测定、土粒密度的测定和土壤体积含水量的测定。3.根据权利要求2所述的土壤测定装置的测定方法，其特征在于，至少包括以下步骤：步骤一、使用环刀结构取待测土壤样品s且盛满，进行质量称重并记为m
s
；步骤二、将所述待测土壤样品s进行烘干处理得到干燥土壤样品，进行质量称重并记为m
sc
；步骤三、将盛有干燥土壤样品的环刀结构放置到密闭容器中，快速抽取密闭容器中的气体使密闭容器中的压力或压强传感器的数据为p0，并保持恒温t0；步骤四、向所述密闭容器中充入预定质量的惰性气体至压力或压强传感器的数据为p1，立即密封所述密闭容器；步骤五、基于步骤二至步骤三计算得到土壤孔隙率s
p
；步骤六、基于所述土壤孔隙率s
p
计算得到土粒密度ρ
土
|t0；步骤七、执行步骤一和步骤二计算得到土壤体积含水量v％；其中，步骤二至步骤七中的气相、固相和液相均不发生改变。4.根据权利要求3所述的土壤测定装置的测定方法，其特征在于，所述步骤五中的土壤孔隙率s
p
的计算流程如下：步骤501、采用以下公式计算干燥土壤样品在密闭容器的孔隙体积大小v
b-z
：p1×vb-z
＝k0，k0表示温度为t0条件下的气体常数；步骤502、获取环刀结构的容积为v
环
，密闭容器的容积为v
b
，则密闭容器中剩余容积为v
o
：v
o
＝v
b-v
环
；则环刀结构内干燥土壤样品得到孔隙大小v
z
：v
z
＝v
b-z-v
o
；步骤503、基于步骤401和402计算得到s
p
：5.根据权利要求3所述的土壤测定装置的测定方法，其特征在于，所述步骤六中的土粒密度ρ
土
|t0的获取流程如下：基于步骤五，当前密闭容器存在气相和干燥土壤固相，因此定义干燥土壤样品的体积为v
土
，质量为m
土
：则，其中，m
环
为环刀结构的质量。
6.根据权利要求3所述的土壤测定装置的测定方法，其特征在于，所述土壤体积含水量v％的获取过程如下：定义待测土壤样品s中的水体积为v
水
、质量为m
水
；土壤体积为质量为则采用以下公式计算得到v
水
：则其中，ρ
土
|t0为温度t0的水密度为一定值。7.采用如权利要求1所述的土壤测定装置的计量标定方法，其特征在于，用于标定计量参数和土壤孔隙度，其中，所述标定计量参数为气体常数k0。8.根据权利要求7所述的土壤测定装置的计量标定方法，其特征在于，所述气体常数k0的标定方式如下：制作金属材质的标定件：所述标定件包括第一标定件和第二标定件；其中，所述第一标定件的体积为所述环刀结构的容积的20％，所述第二标定件的体积为所述环刀结构的容积的50％；将所述第一标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
20
；将所述第二标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
50
；将所述第一标定件和第二标定件置于所述环刀结构内，并一同放置到所述密闭容器中；保持恒温t0，抽取所述密闭容器中气体至压力或压强变化至p0；向所述密闭容器中充入固定质量的惰性气体，立即密封，待所述压力或压强传感器的读数稳定记为p
70
；基于p
20
、p
50
和p
70
绘制气体常数拟合曲线，结合公式pv＝k分别计算得到k
20
、k
50
和k
70
；则9.根据权利要求7所述的土壤测定装置的计量标定方法，其特征在于，所述土壤孔隙率s
p
的标定过程如下：将环刀结构和定体积的土壤样品放置到密封容器内，将此时的温度记为t1、压力或压强记为p1；对放置有环刀结构的密封容器进行称重得到质量m1；向密封容器充入固定体积的气体v，使内部压力或压强上升待度降至t1后，记录实际压力或压强为p2；对此时的密封容器进行再次称重得到质量m2；查询空气在压力或压强p1和压力或压强p2条件下的空气密度，并分别记为ρ1、ρ2；则根据以下公式得到v
气
，v
气
为密闭容器内除环刀结构和土壤样品固相以外的气相体积：
则土壤孔隙度表示为：v
气-v。

技术总结
本发明公开了一种土壤测定装置及其测定方法、计量标定方法，属于测量技术领域。方法如下：步骤一，将实验对象放置密闭容器中；步骤二，保持恒温T0，快速抽取所述密闭容器中气体，使压力或压强为P0；步骤三，向所述密闭容器中充入预定质量的惰性气体，立即密封；步骤四，待所述压力传感器或/和压强传感器读数稳定记为P


技术研发人员：黄尚书 王亮亮 陈德文 何绍浪 王斌强 林小兵 成艳红 雷礼文 孙永明 吴艳 柳开楼
受保护的技术使用者：南京思摩特传感器有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/25