ENVIdata-DT植物茎流叶温茎粗气象(生理生态)监测系统

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1 背景
茎流、叶温、茎粗变化是植物的重要生理指标,而光照、土壤湿度、空气温湿度是影响重要指标的关键环境因子。树木液流的日变化呈单峰格型,不同胸径树木的液流日变化格型有很大差异,前人对液流和树形的研究有些仅着眼于液流瞬时值水平,缺少对液流整体格局特征的认识,也有用树形分级的方法对液流和树形关系进行探讨,但该方法存在尺度扩展过程中容易引起误差的缺点。
当根系吸水充足时茎干膨胀,亏缺时茎干收缩。因而可以用茎直径变化反应植株体内水分状况变化。
该系统通过茎流大小测试植株的耗水量,通过叶温预报植物需水量,利用植物器官(茎、叶、果实等)体积微变化动态反应植物体内水分状况,广泛用于植物水分利用、水量平衡、能量平衡、灌溉等研究领域.

2 系统工作原理及特点
ENVIdata-DT 植物茎流叶温茎粗监测系统由数据采集器、茎流传感器、冠层叶温传感器、作物茎杆变化或树木生长传感器组成。按用户设定的测量间隔定时、自动测量茎流、叶温和生长参数。
该系统通过Internet传输数据,用户无需到测点下载数据,只要能上网,可随时查看系统运行情况、下载最新和历史数据。

2.1 传感器
2.1.1 茎流传感器

EM51用于测量直径大于12cm 的样木,采用组织热平衡技术THB (Tissue Heat Balance)。
EM62用于直径在6mm~20mm之间的样木,采用茎干热平衡系统技术SHB(Stem Heat Balance)测量树干茎流。
EM51 THB组织热平衡技术的结构和原理
工作原理:组织热平衡方法(Tissue Heat Balance)是从内部对一段树干组织加热,热量向垂直方向、径向和侧向扩散,茎流量取决于随树液流动损失的热量。与茎干热平衡法不同的是,该法仅对一段茎干从内部加热,而不是从外表面加热。测量原理下图。
EM51 整株树的茎流值采用如下公式计算:

公式中A 是树干周长(带树皮)[cm],B 是树皮+韧皮部厚度[cm]。
该结果包含应该去除的测点的热量损失。为了得到去除了热量损失的“净”茎流量,需要在曲线图上去除基线。
EM62 SHB茎干热平衡技术(stem heat balance)的结构和原理
工作原理:基于茎杆热平衡原理(stem heat balance),由外部加热,从内部测量温度。
传感器由两个相同的圆柱形组成,每部分外部裹有绝缘泡沫。一个圆柱体内装有线性加热元件,轻轻挤压绝缘泡沫后贴在茎干上,细针状热电偶沿树干半径方向、与上部加热元件(液流方向)齐平插入茎干;第二个圆柱体内没有加热元件,只是用于覆盖参照热电偶。
液流流过传感器时被加热,带动热量向上流动到热电偶处,使该处温度升高。闭环控制使得两个热电偶的温差保持2K 或4K,这样输入功率与流过传感器水体的水量呈比例关系,可求算茎流量。
EM62整株树的茎流值采用如下公式计算:

公式中的(mV)直接来自下载的数据。为了得到去除了热量损失的“净”茎流量,需要在曲线图上去除基线。


特点:
l 能量需求与茎流量成比例,能耗低,平均能耗0.3~0.4W;发热能量(mW),高精确度、高稳定性、高分辨率
l 直接得到茎流值,无需校准
TDP热扩散茎流传感器
应用热扩散原理,测量不同树种的茎流量。该原理能够实现连续监测茎流,并且受环境因素的干扰相对小。探头适用于直径75mm以上的树干,安装容易,可以重复使用。TDP-30和TDP-50每个探头占用一个单端模拟通道,TDP-80每个探头占用两个单端模拟通道。安装工具随探头提供。
SG系列探头应用热平衡原理,多种尺寸系列可以适于安装在直径2.1至175mm的草本或木本植物茎干上。该探头无需校正,不用穿刺到树干中。每个探头占用3个单端模拟通道。探头所需的安装附件随探头提供。

SF1包裹式茎流传感器:导出以g/h为单位的茎流量;
传感器类型 示例产品 茎杆直径范围(mm) 高度(mm) 加热器电压 功耗(W) 包裹范围(名义上直径)
微传感器 D\SGA3 2.7 ~ 4.0 35 2.3 0.05 2、3、5
茎杆传感器 D\SGA13 12 ~ 16 70 4.0 0.15 9、10、13、16、19、25
树干传感器 D\SGB50 45 ~ 65 305 6.0 1.4 35、50、70、100
数据采集器输入(每个传感器):3DIF通道(全量程<1mV),1SE通道(用于加热器电压,全量程<10V);缆线:标准1.5米(8芯,带接头);缆线可扩展
SV1 TDP茎流速传感器:导出以cm/h为单位的茎流速;
传感器类型 针长/直径(mm) 树干直径范围(mm) 垂直空间 加热器电压 功耗(W) 样品木质部厚度
D\TDP-30 30/1.2 70 ~ 200 40mm 3.0 0.2 30 ~ 70 mm
D\TDP-50 50/1.65 120 ~250 40mm 5.0 0.3 50 ~ 100mm
D\TDP-80 80/1.65 超过180 40mm 7.5 0.5 > 80 mm
数据采集器输入(每个传感器):1DIF通道(全量程<1mV),1SE通道(用于加热器电压,全量程最大10V);缆线:标准3米(5或6芯,带接头);缆线可扩展
*澳作研发的通道扩展板:功能强大,精度高(与进口数据采集器精度相同),可接多路传感器(数量不受限制)。
*多路电源供应:使用可调式电压调节分配器,针对不同传感器输出不同范围电压
统配有电压调节器为探头供电,可以同时输出两种不同的电压,功率能够满足所有探头的耗电量。
2.1.2 红外叶温测量
红外叶温传感器是基于斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)
特点:测量植物冠层、土壤、水面等温度
技术指标:
测量范围:-10…65℃
精度:-10…+65℃, ±0.2℃
-40…+70℃ , ±0.5℃
工作温度:-55….+80℃ 0…100% RH
2.1.3茎粗传感器
D6 树木胸径传感器
D6树木生长应变传感器用于连续、高精度、自动测量树木的周长变化。体积小、重量轻,可轻松安装在树干上,对树皮或树木的生长没有任何损害。
整个传感器象带子一样缠绕树木,用弹簧定位。树木尺寸的变化直接传递到传感器,瞬时记录树木对环境影响的反应、树皮的膨胀、导管水位或细胞分裂等。
树木尺寸变化通过带子传递到传感器,在应变传感器中转换成电阻信号。带子受温度影响很小。带子和树皮间有一个特富龙层,减少带子的摩擦力,同时确保带子不受结冰、树脂或结疤的影响。
特点:
  • 连续、高精度测量树木的周长变化
  • 安装简单,无需破坏树皮或影响树木的生长
  • 测量树木生长的日变化,精度达5um
  • 最小化测量带与树皮间的摩擦力及温度的影响
  • 调节测量带,可轻松扩大测量范围
作物茎杆直径变化传感器
SD-5M 作物茎杆微变化传感器:测量范围:0-5mm,用于茎粗4-25mm;
SD-6M 作物茎杆微变化传感器:测量范围:0-5mm,用于茎粗20-70mm;
2.1.1 气象传感器
Thies多参数传感器
传感器高度集成,可测多种参数。风向风速采用先进的超声技术,内置GPS接收功能。长时间使用而无需维护。特别适用于沿海或有侵蚀的地区。
测量参数:风速、风向、空气温度(超声波测量)、空气湿度、气压、光照强度、降雨量。
信号输出:
数字信号输出
端口:RS485/422
波特率:1200~921600波特率
输出:瞬时值,平均值
输出频率:10到0.1HZ
通讯协议:ASCLL,MODBUS-RTU
模拟信号输出
输出:0~10V,2~10V瞬时值,平均值
输出间隔:10ms
精度:16bit


结构功能


2.1.2 传感器(更多传感器请来电索取)
风速风向传感器
三维超声风向风速传感器
空气温湿度传感器
PAR光合有效辐射传感器
压力传感器
雨量筒
激光雨滴谱仪
辐射传感器
……
2.2、数据采集器
DT系列数据采集器是一款坚固、独立、低能耗的数据采集器,具有支持U盘、18位分辨率、通讯性能可扩展及内嵌显示屏等特性。DT80的双通道隔离概念可同时使用多达10个隔离或15个共用参考模拟输入,配置扩展模块后最多可通道可扩展至600个。
DT系列数据支持SDI-12传感器组网,支持SCADA系统的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V电源为传感器供电。工作温度最低可达-45℃。
2.3、ENVIdata数据传输和管理
该系统直接将数据传送到www.ecodata.net (中国生态数据网)网站上,通过对监测的生态环境因子的时序变化和相关性分析,确定监测对象的状态发展。
ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件,运行在用户的服务器上;也可以运行在澳作公司安全的服务器上,为多个用户提供数据接收服务,同时帮助用户监控野外测点硬件系统的运行状态。
澳作公司ENVIdata系列生态环境监测系统是业内首家成功获得 ISO9001国际质量体系认证,于2010年获得 ISO9001 质量认证书,至今全部通过专家的年度复核,确保系统集成的品质
用户采用用户名和密码登陆,只要能上网,就能浏览实时和历史数据.



特点:
1) 生态环境信息以各种时间间隔 (分钟、每小时、每天)发送到网站上。
2) 用户只要能上网,既可浏览实时数据。
3) 中心服务器中文界面,便于操作和管理
4) 提供多参数、实时或历史数据曲线图
5) 系统提供多站点地图显示
ENVIdata 数据服务平台已为国内的客户服务3年,系统稳定、可靠。


3、技术指标
数据采集:
最大扫描速率:25Hz
处理器:采用18位A/D转换器,精度±0.025%
存储:128Mb可无限扩展,内存可存储130,000个读数,可使用PC卡或闪存可(可存储65,000个读数)
U盘存储:兼容USB1.1或USB2.0驱动,每兆约90,000采集数字点
LCD液晶显示,2线16字母的LCD液晶显示和6个按键用于查看通道及数采状态和功能执行
通讯:RS232、USB、以太网等
采样间隔:10ms至天,可自定义
输出值种类:平均值, 最大值, 最小值, 取样值 (Sample), 向量值, 累计值 ( Totalize )等
工作温度范围-45~70℃
时钟精准度:约±1分钟/年0-40℃;约±4分钟/年-40-70℃
供电电压:10~30VDC
工作湿度85%(无水汽凝结)
DT80:
模拟输入:5-15个单端通道(10个差分)
脉冲通道:12个
数字I/O口:8个
DT82E:
模拟输入:2-6个单端通道(4个差分)
脉冲通道:8个
数字I/O口:4个
DT82I:
模拟输入:2-6个单端通道(4个差分)
脉冲通道:8个
数字I/O口:4个
DT85:
模拟输入:12-48个单端通道(32个差分)
脉冲通道:15个
数字I/O口:8个

传感器:
多参数传感器:
风速:
量程:0~60m/s
分辨率:0.1m/s
精度:±0.3 m/s rms @ WG ≤ 5 m/s
±3% rms @ WG > 5 m/s
±5% rms @ WG > 50 m/s
风向:
量程:0~360°
分辨率:1°
精度:±2° @ WG > 2 m/s
空气温度(超声波测量):
量程:-30~70°C
分辨率:0.1°C
精度:±0.5°C
空气温度:
量程:-30~70°C
分辨率:0.01°C
精度:±0.5°C
空气湿度:
量程:0~100%
分辨率:0.1%
精度:±3%(10~90%)
气压
量程:300~1100hPa
分辨率:0.01hPa
精度:±0.5hPa(20°C)
光照强度
量程:0~150kLux
分辨率:30Lux
精度:±3%的测量值,3 Lux每分钟
降雨量
量程:0~10mm每分钟
分辨率:0.01mm

应用案例

木质部变化或者树皮的膨胀依赖于一天的测量时间,天气、温湿度等条件,这就导致树木茎杆周长的变化是双向的。
由于太阳升起导致蒸腾作用会导致树干周长减小,相应的日落后蒸腾作用结束树干周长会增大,这种双向变化也依赖于天气(是否干燥,降雨)。
树木茎干周长日变化大约在±0.5 mm to±2.5 mm 。树体一天周长变化(D6测量)如下:



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