可以DIY的张力计
发布时间:2020-09-07
可以DIY的张力计




• 作者: Michael D Cahn
• 作者: David Chambers
发表于: April 23, 2019
 
 
张力计是监测蔬菜和浆果作物土壤水分状况的一种非常有用的工具。与通常需要数据记录器或计算机等设备来收集读数的其他传感器相比,田间灌溉人员可以很容易地读取张力计的读数。此外,张力计的读数不受土壤质地、温度和盐度变化的影响,并且可以在不带电的情况下工作(不需要电池)。
 
什么是张力?张力计测量土壤湿度的单位是负压,也称为张力。张力是衡量植物根系从土壤孔隙中抽出水分所需施加的力。大毛孔比小毛孔吸水力小。当植物从土壤中吸取水分时,水首先从最大的孔隙中被吸收。当土壤干燥时,根系需要施加更大的力来从较小的孔隙中吸取水分。因此,高张力值意味着土壤变得干燥。
 
张力计是如何工作的?张力计充满水(最好是蒸馏水),水已经通过沸腾脱气。张力计的一个关键部件是一个多孔陶瓷杯,它允许张力计轴中的水通过杯内的小孔自由进入土壤中,而不会出现漏气现象(图1)。如果土壤未饱和,水将从杯内流入未填充的土壤孔隙中。因为空气不能代替流出的水所腾出的空间,所以在张力计的轴上形成真空,可以用精确的压力计测量。当张力计的内部真空压力等于土壤张力或从土壤孔隙中吸水所需的力时,水将停止从张力计杯内迁移到土壤中。真空表测量张力,单位为千帕或立方巴,两者相等(1千帕=1立方巴)。

 

图1. 在小于80千帕的张力下,水可以自由地通过陶瓷杯中的小孔流动,而无需空气进入张力计
 

张力读数的解释 由于张力值提供了植物从土壤中吸取水分所需的能量,因此张力计读数很容易与作物的水分压力相关。在高压力值下,植物会承受更多的水分压力和生长也会减慢。此外,无论土壤是砂质、粘土还是壤土,张力读数在水应力方面具有相似的含义。
 
张力计的可靠性 张力计的致命弱点是,如果任何空气泄漏到仪器中,它将无法保持真空,读数也将不可靠。有几种品牌的商用张力计可供选择。有些相对便宜,使用简单,而另一些则更复杂,可以与数据记录器接口,提供全天连续的读数。根据我们的经验,一些最流行的商用张力计经常泄漏空气和失去真空压力,在许多情况下,压力计不能提供准确的读数或不耐用。真空压力的损失意味着张力计需要经常用脱气水补充。此外,灌溉者可能会误认为低读数表明作物有足够的水分,而实际上土壤可能是干的。
 
一个可靠的张力计设计  我们在2018年设计并测试了一个版本的张力计,该版本的张力计制作简单,提供了精确的读数,材料成本不到55美元。这种设计提高了仪器在高压下保持真空的能力。在中等潮湿的土壤条件下,张力计通常需要每月至少用脱气水填充一次。即使当土壤干燥至张力超过张力计的最大范围(>80 kPa)时,这些张力计仍保持真空约两周,直到竖轴杆内的水全部耗尽。
 
以下段落描述了制作张力计所需的材料(图2)和程序。这些材料的供应商是我们使用的材料的例子,但您可以为这些部件确定不同或更便宜的来源。通过仔细遵循这些说明,人们应该能够建立一个可靠的张力计,提供准确的张力读数。
 

图2. 制作张力计所需的部件:a.陶瓷杯  b.½英寸PVC轴管  c.PVC“T”  d.真空计 e.橡胶塞。



 
所需材料:

陶瓷杯
供应商:SoilMoisture Equipment Corporation,Santa Barbara CA(805-964-3525)零件号0655X01-B01M3,尺寸:0.875英寸外径x 2.75英寸长度。成本:每件30.80美元。
编者注:SoilMoisture陶瓷杯0655X01-B01M3现已升级为Y2630A-100S1,请点击型号查看采购信息
 
环氧树脂(陶瓷/塑料)
供应商:SoilMoisture Equipment Corporation,Santa Barbara CA(805-964-3525)
零件号0980V004,说明:4盎司:环氧树脂和4盎司硬化剂。成本:每件106美元。注意,环氧树脂/硬化剂的体积足以制造几百个拉力计。
 
真空计
供应商:Zoro.com/Grainger.com零件号4FMK3,说明:¼英寸MNPT 2英寸直径测试真空计。成本:每件18.09美元。
 
#1号橡胶塞
供应商:Grainger.com网站零件号8DWU6,型号RST1-S,描述:24 mm颈部,底部直径。=14毫米。顶部直径。=20毫米。成本:$18.08/52件
 
附表40 PVC管(直径½英寸)
供应商:灌溉供应或五金店
 
PVC“T”
供应商:灌溉供应或五金店,制造商:斯皮尔斯公司,零件号402-072,说明:½英寸卡瓦x¼英寸螺纹异径“T”
 
PVC胶(灰色)和紫色底漆
供应商:灌溉供应或五金店
 
气管螺纹密封胶(白色或蓝色膏状)
供应商:灌溉供应或五金店
 
油漆工胶带
供应商:五金店
 
凡士林
供应商:药房


所需工具:
• PVC锯子或PVC切割工具
• 氧化铝磨石,制造商:福尼零件号:A11 60028说明:直径7/8英寸[23毫米]。x 2英寸[50.8毫米]长
• 手持式电动钻机
• 轴锯箱
• 小刀
 
 

步骤
1. 按以下长度切割PVC管段
 
        1英尺深度张力计:上轴=4英寸,下轴=17英寸
        2英尺深度张力计:上轴=4英寸,下轴=30英寸
 
建议将底部轴切割比上述长度长约1英寸,然后使用轴锯箱或电动斜切锯小心地切割轴的下端,以确保以90度角切割。如果切口偏离90度,陶瓷杯将弯曲地安装在轴端部。
 
2. 首先用PVC胶水将上轴和下轴粘合到½PVC“T”上。确保不要用胶水将底部轴的末端修剪成90度。在通风良好的位置,在轴的末端和“T”的“滑动”端的内侧涂抹PVC底漆。然后在两边涂上灰色的PVC胶,把零件推到一起,保持在原位大约30秒到1分钟。提示:涂胶后立即将零件稍微扭转约30度,以确保零件牢固。同时用油漆胶带覆盖非粘合区域,以防止外部被胶水覆盖。
 
3. 用手钻和磨石将底轴下端内侧稍微斜切(图3)。或者,你可以用小刀把末端斜切。无论是使用钻头还是刀具对管道内部进行斜切,都应定期停止并测试安装陶瓷杯。这样你就不会去除太多的材料,而且会很快感觉到要去除的适量。 
 
   
图3. 使用钻头将张力计轴的带斜口,以容纳陶瓷杯。


 
4. 用环氧树脂将陶瓷杯粘在底轴下端。在涂胶过程中,用油漆胶带覆盖陶瓷杯的外部(图4)。检查陶瓷杯是否紧贴在PVC管中,并对齐。如果使用来自SoilMoisture公司的环氧树脂,将1份环氧树脂与1份硬化剂混合。充分搅拌。陶瓷杯的喉部和PVC管的内部只需要少量的环氧树脂,所以最好同时粘合几个拉力计,这样就不会浪费环氧树脂。由于环氧树脂在一小时后开始固化,一次可以粘不超过20到40杯。20台张力计需要大约20毫升的环氧树脂。固化时间与温度有关。在77°F下完全固化8小时。最好留出更多时间进行固化。胶合后,可使用油漆工胶带将杯子固定在轴上。用胶带固定两个时要小心,以确保杯子与PVC轴对齐。让胶水凝固至少24小时,用张力计杯端垂直支撑。提示:最好是在高于65°F的温度下粘合零件。在较低温度下可能需要更多的硬化剂。此外,建议首先测试一小批环氧树脂,以确保硬化剂与环氧树脂的比例足以使环氧树脂硬化。     
 

图4. 用油漆胶带防止胶水涂在PVC轴和陶瓷杯上

 
 
5. 在压力表的¼英寸外螺纹上涂抹管螺纹密封剂,并用手拧紧真空表。小贴士:不要过紧,否则PVC“T”会破裂!
 
6. 将除气蒸馏水充满张力计。水可以通过煮沸并冷却来除气。
 
7. 在橡胶塞的下端涂上一层薄薄的凡士林薄膜,然后轻轻扭转一下,将橡皮塞插入张力计的顶端,以牢固地固定塞子(塞子松脱是真空泄漏的主要原因)。

 

图5. 成品张力计已准备好进行测试



 
测试张力计是否漏气:
 
在将张力计注满水并用橡皮塞密封后,在陶瓷杯的末端包上一块干纸巾并紧紧握住(图6)。如果张力计充满脱气水,当毛巾从杯中吸水时,张力应迅速增加至约20至30千帕。如果压力计没有增加到0以上,则可能有空气泄漏到张力计中。检查胶接处,确保塞子牢固就位。
如果张力迅速增加到20千帕以上,则将张力计放在阳光下,以确保张力升至70至80千帕以上。这可能需要一些时间,几分钟到几小时,这取决于环境温度。如果张力没有增加到较高的值,则检查胶接处和止动块。同时检查压力表是否牢固地拧入PVC“T”

 

图6. 用干纸巾包住陶瓷杯,测试张力计是否能保持真空
 




现场安装张力计:
 
在野外正确安装张力计将使陶瓷杯与周围土壤紧密接触。使用直径为½英寸的土壤探针,在比安装深度浅几英寸的深度处打一个导向孔(图7)。把土和水充分混合成薄煎饼状的稠度,制成土水浆。向孔内加入泥浆,将拉力计推至所需深度(图8)。土壤泥浆确保水可以在陶瓷杯和周围土壤之间自由流动,并填充孔和张力计轴之间的空隙。陶瓷杯和土壤之间形成的气隙会降低张力计读数的准确性。平衡两天后,张力计读数应准确反映土壤的张力。


 

图7. 用土壤探针钻一个孔,深度比张力计的预期深度(A)小1或2英寸。
在孔中灌注土壤泥浆将有助于在陶瓷杯和周围土壤(B)之间形成良好的水力接触




图8.在滴灌洋葱作物上新安装的张力计



 
 
翻译:陈栋

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