专利名称：一种土壤水分测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤水分测定装置，具体涉及一种利用微生物电化学工艺的土壤水分测定装置，属于土壤学科领域。
背景技术：
在地球系统中，地表土壤水分是陆地和大气能量交换过程中的重要因子，对陆地表面蒸散、水的运移、碳循环有很强的控制作用，是气候、水文、生态、农业等领域衡量土壤干旱程度的重要指标。土壤含水量的时空分布与变化对陆地-大气间热量平衡、陆面大气环流和土壤温度变化产生显著的影响。大范围的土壤水分的监测是农业过程研究和环境因子评价的重要组成部分，是灌溉管理和产量预报模式中的重要参量。因此，监测土壤水分一直是人们十分关注的问题。经典的土壤水分测定方法包括重量水分法、中子仪法、土壤湿度计法等。该方法可以准确估测土体剖面的含水量，测定的土层较多，深度较大，但只能得到单点的数据，代表范围有限，数据的实时性较差，人力财力消耗大，宏观性得不到体现，采样速度慢，数据得不到及时更新。而遥感技术可以迅速、大面积、多时相地获取地面信息。因此，研究用遥感检测土壤水分是十分重要而有意义的工作。目前成熟的土壤水分检测方法有TDR (时域反射法)、 FDR (频域反射法)，这些传感器都只需要几秒的时间就可以完成土壤水分的测定，但是由于其电路设计比较复杂，成本难以降低，应用受到限制。此外传感器都需要提供持续稳定的电源，而在偏远的无人值守的野外地区，经常性的去更换电池也是不可行的。微生物电化学装置是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置。不仅可从易生化降解的有机物中获取电能，还可从一些难降解的有机物中获取电能。其作用机理为有机物在阳极区附近被产电微生物氧化分解，产生的电子到阳极，再经过外电路到达阴极，质子通过水溶液传递到阴极，并与氧气反应生成水，从而完成整个化学氧化还原反应，此过程中外电路会形成电流。现行的技术研究还多关注于其产电和底物降解能力，其他方面的研究还有待进一步的探索。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于提供一种结构简单且成本较低、不需要提供外加电源的土壤水分测定装置。为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下。一、一种土壤水分测定装置，主要由阴极、阳极组、导线、电阻组成；其中通过导线将阴极、位于土壤中的阳极组以及电阻串联起来形成一个回路，电阻介于阴极和阳极组之间。本发明所述的阳极组由固定条，连接件，土壤接触孔，固定孔，电极和支架组成。具体地，用设置有固定孔的固定条将电极平压于设置有土壤接触孔的支架上，并通过连接件贯穿固定孔、支架和电极，以将电极固定于支架之上。本发明所述的阴极的电极材料是碳毡；本发明所述的阳极组的电极材料是碳毡。本发明所述的固定条和支架的材料是聚氯乙烯、或者硬度为60 95的塑料材料。二、利用本发明所述的土壤水分测定装置测定土壤水分的方法。具体的应用方法为
A、电极安装
用设置有固定孔的固定条将电极平压于设置有土壤接触孔的支架上，并通过连接件贯穿固定孔、支架和电极，以将电极固定于支架之上；然后把此阳极组插入到土壤中，阴极直接放到土壤上；
B、电路连接
将阴极、阳极组和电阻用导线串联在一起形成一个回路，且电阻介于阴极和阳极之
间；
C、运行装置测定土壤水分
启动土壤水分测定装置，5 7天后，测定阳极组和阴极之间的电压值；在测定土壤的水分时，事先控制土壤的水分含量，会得到不同的电压值，以此得到的水分含量-电压的计算公式，并以此标定的公式自动计算出实际土壤的含水率。本发明的有益效果在于
(1)本发明与现有技术的不同及优势在于本发明主要是利用土壤水分高低会影响到微生物电化学工艺的电压输出，来计算出土壤水分；
(2)本发明所述的土壤水分测定装置结构简单，不需要太多的维护，建造和运行成本
低；
(3)本发明所述的土壤水分测定装置，其电压信号是通过自身的微生物电化学氧化有机物而产生，因而是不需要提供外加能源的。
图1本发明的结构示意图
其中，1-阴极；2-阳极组；3-电阻；4-导线。图2阳极结构的示意图
其中，5-固定条；6- 土壤接触孔；7-固定孔；8-支架；9-电极。图3 土壤水分测定装置测定沉积物水分的情况。图4 土壤水分测定装置测定林地水分的情况。
具体实施例方式下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1
本实施例说明本发明所述的一种土壤水分测定装置具体结构、应用方法以及工作原理。如图1所示，本发明所述的土壤水分测定装置，主要由阴极1、阳极组2、导线4、电阻3组成；其中通过导线4将阴极1、位于土壤中的阳极组2以及电阻3串联起来形成一个回路，电阻3介于阴极1和阳极组2之间。如图2所示，本发明所述的阳极组2由，固定条5，连接件(附图2中未标注)，土壤接触孔6，固定孔7，电极9和支架8组成。具体地，用设置有固定孔7的固定条5将电极9 平压于设置有土壤接触孔6的支架8上，并通过连接件贯穿固定孔7、支架8和电极9，以将电极9固定于支架8之上，形成整个阳极组2。本发明所述的阴极1的电极材料是碳毡；本发明所述的阳极组2的电极材料是碳毡。本发明所述的固定条5和支架8的材料是聚氯乙烯、或者硬度为60 95的塑料材料。运行装置测定土壤水分时，将阳极组2插入到土壤中，阴极1直接放到土壤上。安装时装置的阴极1和阳极组2，通过导线3和电阻4相连接，电阻4介于阳极组2和阴极1 之间。阳极组2附近的厌氧菌，以电极作为电子受体，不断的将其土壤中有机物氧化，传递电子和质子到阴极1从而形成电流。而随着土壤中水分的变化，会影响到质子的传递速度， 从而反馈到电压信号上，以指示出土壤中水分的含量。实施例2
本实施例说明利用本发明所述的水分测定装置测定沉积物水分的实验。取700 g的江苏境内太湖中的沉积物置于反应器中，按实施例1所述的安装方法将碳毡阳极组装入支架中并固定，插入到沉积物中。将阴极置于沉积物上，然后再加入一定 200 mL的水，当微生物电化学装置接好电阻后，在25°C的工作环境中运行，5天驯化结束。 再补加200 mL的水，电压迅速增加，并由于挥发而导致沉积物中水分的减少，从电压信号上反映出水分下降的趋势。然后用防水透气膜封住反应器口，防止水分挥发，控制反应器中土壤水含量在不同的数值上，会分别得到相应的电压值。并回归此数据得到公式Y = 0.42X -121.2，其中Y代表电压值(mV)，X代表土壤水分含量(mL)。实施例3
本实施例说明利用微生物电化学工艺的装置测定林地土壤水分的实验。取600 g的土壤来自于林地，并置于反应器中，按实施例1所述的安装方法将碳毡阳极装入支架中并固定，插入到土壤中。将阴极置于土壤上，然后再加入200 mL水，当微生物电化学装置接好电阻后，在25°C的工作环境中运行，6天驯化结束后。再补加200 mL的水，电压迅速增加，并由于挥发而导致土壤中水分的减少，从电压信号上反映出水分下降的趋势。然后用防水透气膜封住反应器口，防止水分挥发，控制反应器中土壤水含量在不同的数值上，会分别得到相应的电压值。并回归此数据得到公式Y =0. 53X -151. 1，其中Y代表电压值(mV)，X代表土壤水分含量(mL)。
权利要求
1.一种土壤水分测定装置，主要由阴极(1)、阳极组(2)、导线(4)、电阻(3)组成；其中通过导线(4)将阴极(1)、位于土壤中的阳极组(2)以及电阻(3)串联起来形成一个回路，电阻(3)介于阴极(1)和阳极组(2)之间。
2.根据权利要求1所述的土壤水分测定装置，其特征在于所述的阳极组(2)由固定条(5)，连接件，土壤接触孔(6)，固定孔(7)，电极(9)和支架(8)组成；其中，用设置有固定孔(7 )的固定条(5 )将电极(9 )平压于设置有土壤接触孔(6 )的支架(8 )上，并通过连接件贯穿固定孔(7)、支架(8)和电极(9)，以将电极(9)固定于支架(8)之上，形成整个阳极组 (2)。
3 根据权利要求1或2所述的土壤水分测定装置，其特征在于所述的阴极(1)的电极材料是碳毡。
4.根据权利要求1或2所述的土壤水分测定装置，其特征在于所述的阳极组(2)的电极(9)的材料是碳毡。
5.根据权利要求1或2所述的土壤水分测定装置，其特征在于所述的固定条(5)和支架(8)的材料是聚氯乙烯、或者硬度为60 95的塑料材料。
6.根据权利要求1所述的土壤水分测定装置测定土壤水分的方法A、电极安装用设置有固定孔(7)的固定条(5)将电极(9)平压于设置有土壤接触孔(6)的支架(8) 上，并通过连接件贯穿固定孔(7)、支架(8)和电极(9)，以将电极(9)固定于支架(8)之上， 形成整个阳极组(2)；然后把此阳极组(2)插入到土壤中，阴极(1)直接放到土壤上；B、电路连接将阴极(1)、阳极组(2)和电阻(3)用导线(4)串联在一起形成一个回路，且电阻(3)介于阴极(1)和阳极组(2)之间；C、运行装置测定土壤水分启动土壤水分测定装置，5 7天后，测定阳极组(2)和阴极(1)之间的电压值；在测定土壤的水分时，事先控制土壤的水分含量，会得到不同的电压值，以此得到的水分含量-电压的计算公式，并以此标定的公式自动计算出实际土壤的含水率。
全文摘要
本发明涉及一种土壤水分测定装置，属于土壤学科领域。本装置主要由阴极、阳极、导线、电阻组成，其中阳极还包括固定条，土壤接触孔，固定孔，电极，支架；其中通过导线将位于水相中的阴极、位于土壤中的阳极以及电阻串联起来形成一个回路，电阻介于阴极和阳极之间。本发明在阳极成功挂上生物膜后，即可用于土壤中水分的测定。本发明结构简单且成本较低、不需要提供外加电源，具备良好的经济效益及应用前景。
文档编号G01N27/327GK102175730SQ20111003690
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月13日 优先权日2011年2月13日
发明者宋天顺, 江和龙 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所