多功能传感器的开发与优化用于测量土壤热性质、水分保持特征和电导率

《Journal of Hydrology》：Development and optimization of a multifunctional sensor for measuring soil thermal properties, water retention characteristics and electrical conductivity

　　

耦合多孔陶瓷基体（porous ceramic matrix）到热脉冲（heat pulse）和时域反射计（time domain reflectometry，TDR）。研究人员开发了一种传感器用于测量土壤水力、热和电性质。使用COMSOL模拟优化传感器尺寸。陶瓷基体半径18 mm，长度40 mm，延伸杆长度50 mm。

土壤热性质（soil thermal properties，STP）和土壤水分保持特征（soil water retention characteristics，SWRC）是影响作物生长、土壤结构变化、水热交换及溶质分布的关键参数，但现有测量技术（如双探针热脉冲法，DPHP；时域反射计，TDR；基质势传感器）因测量频率、感知体积和安装位置不匹配，难以实现同步、连续和非破坏性监测。为解决这一难题，研究人员开发了一种耦合DPHP、TDR和多孔陶瓷基体的多功能传感器，并通过COMSOL多物理场模拟优化其尺寸，以实现对同一土壤样品的SWRC和STP的同时测量。该研究得出陶瓷基体最优半径为18 mm、长度为40 mm，延伸杆长度为50 mm，可确保热导率（λ）、体积热容（C）、介电常数（ε）和电导率（σ）的估计误差在可接受范围内（<1%–3%）。该传感器具有高精度、低成本和非破坏性等优势，为理解耦合水热溶质运移提供了统一数据，论文发表在《Journal of Hydrology》。

研究人员主要采用以下关键技术方法：1）双探针热脉冲（DPHP）法，基于无限线热源模型测量土壤热性质（λ、C、热扩散率κ）；2）时域反射计（TDR）法，基于电磁波传播测量土壤水分含量（θ）和电导率（σ）；3）多孔陶瓷基体与土壤平衡后，通过预校准曲线（如λ-ψ_m、C-ψ_m、θ-ψ_m或σ-ψ_m）间接估计基质势（ψ_m）；4）COMSOL多物理场模拟（热传递模块和AC/DC模块）用于优化传感器尺寸，并验证了模拟准确性（基于Kluitenberg等（2010）和Nissen等（2003）的文献数据）。所用土壤为砂土（93.7%砂、3%粉粒、3.3%粘粒，来源Kode?ová等，2013）。

研究结果如下：

**3.1 模拟验证**
通过对比文献中DPHP测量水、干砂和饱和砂的温度上升曲线，以及TDR在不同液面高度下的介电常数测量值，验证了COMSOL模拟的准确性。均方根误差（RMSE）分别为7.29×10^-3 ℃（最低）和1.60×10^-1 ℃（最高），以及2.43×10^-3和3.99×10^-3，表明模拟可靠。

**3.2 热性质估计的模拟优化**
- **3.2.1 陶瓷半径优化（热导率）**：通过模拟不同陶瓷半径（RC）下36种水含量组合的热导率估计，发现当RC≥18 mm时，径向热传导引起的相对误差（REa）可控制在1%以内。
- **3.2.2 陶瓷长度优化（热导率）**：基于最优RC=18 mm，模拟不同陶瓷长度（LC），当LC≥40 mm时，轴向热传导引起的REa可控制在2%以内。
- **3.2.3 延伸杆长度优化（热导率）**：基于最优RC和LC，模拟不同延伸杆长度（LS），当LS=50 mm时，土壤热导率估计的REa<3%，优于传统thermo-TDR（40 mm杆长时的3%误差）。
- **3.2.4 体积热容估计精度**：在最优RC、LC和LS下，陶瓷和土壤体积热容（C）的REa均可控制在1%以内。

**3.3 陶瓷介电常数和电导率估计的模拟优化**
- **3.3.1 陶瓷半径优化（介电常数）**：通过模拟不同RC下6种陶瓷介电常数（ε_C）和6种土壤介电常数（ε_S）组合，当RC≥13 mm时，ε_C估计的REa<1%。
- **3.3.2 陶瓷半径优化（电导率）**：模拟不同RC下54种电导率组合，当RC≥14.8 mm时，σ_C估计的REa<1%。

**3.4 不足之处**
后续传感器开发需进行大量测量和校准。不同测量策略（如TDR与DPHP联合测量θ；基于C-ψ_m曲线估计ψ_m）可能引起测量值差异，且陶瓷批次间性质可能略有变化，需校准传感器。此外，传感器在冻土中的适用性尚未明确。

**讨论与结论**
讨论部分指出，传感器尺寸优化可有效降低因介质非均质性引起的误差，但需考虑热源有限长度、手柄材料热性质等因素的影响。结论部分翻译如下：通过耦合热脉冲、TDR和基质势传感器，开发了一种多功能传感器，用于同时测量同一土壤样品的水分含量、基质势和热性质。土壤水分含量和热性质由伸出陶瓷的杆直接测量，而土壤基质势可基于多孔陶瓷基体的热导率、体积热容、水分含量或电导率间接预测。与文献测量数据对比，COMSOL模型被验证能准确可靠地评估传感器误差并优化传感器。模拟结果表明，增加多孔陶瓷基体尺寸可实现高估计精度，即使土壤与陶瓷基体物理性质差异显著。优化结果指出，多孔陶瓷基体的最优设计为半径18 mm、高度40 mm，热脉冲传感器延伸杆长度50 mm。该设计确保多孔陶瓷基体的介电常数、电导率、热导率和体积热容的估计误差在可接受范围内。优化后的多功能传感器具有高精度、低成本和低破坏性的特点。更重要的是，该传感器可同时考虑土壤时空变异性测量土壤水热性质，对更好地理解和模拟耦合水热溶质运移具有重要意义。