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基于熱技術(shù)液流測(cè)量方式綜述

2022-10-26 15:41:08 點(diǎn)將科技 476

背景摘要:植物的蒸騰作用是水分利用的主要形式,拉動(dòng)水分在“土壤-植物-大氣”連續(xù)體體系中不斷循環(huán)遷移。樹(shù)木蒸騰耗水產(chǎn)生的水勢(shì)差會(huì)拉動(dòng)水分通過(guò)木質(zhì)部向上運(yùn)輸進(jìn)而形成液流,因此樹(shù)干液流可作為評(píng)估樹(shù)木蒸騰耗水能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

液流測(cè)量方式液流測(cè)量方式

方法

原理

安裝示意圖

適用類(lèi)型

優(yōu)缺點(diǎn)

熱脈沖

(Heat Pluse

VelocityMethod,HPVM)

補(bǔ)償熱脈沖法(CHPM)

測(cè)量 2 個(gè)對(duì)稱(chēng)放置在線性加熱器兩側(cè)的溫度傳感器達(dá)到 相同溫度時(shí)的時(shí)間來(lái)計(jì)算液流密度。

 

 

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方法成熟,應(yīng)用較廣泛,可行性較高。

 

 

 

 

 

 

優(yōu)點(diǎn):不受環(huán)境條件,樹(shù)冠結(jié)構(gòu)及根系特性的影響,簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確,經(jīng)濟(jì)可行。
缺點(diǎn):存在測(cè)定精度問(wèn)題。

最大溫差法(T-max)

由加熱器和 1 個(gè)溫度探針組成,通過(guò)記錄從發(fā)出熱脈沖至溫度探針到達(dá)最大溫度時(shí)的時(shí)間, 再根據(jù) MARSHALL 的基礎(chǔ)理論計(jì)算液流速率。

熱比率法

由 1 個(gè)加熱器和 2 個(gè)安裝在加熱器上下游的溫度探針組成,通過(guò)測(cè)定 2 個(gè)探針的增溫比即可計(jì)算液流速率。

熱平衡法(Heat Balance Method,HBM

莖熱平衡法 (Stem Heat Balance,SHB)

 

加熱元件上下方安裝 2 對(duì)熱電偶,用來(lái)測(cè)定液流通過(guò)后的溫差,依據(jù)熱量平衡關(guān)系計(jì)算液流

 

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SHB 法適用于測(cè)定胸徑較小的樹(shù)干。

 

優(yōu)點(diǎn):無(wú)需標(biāo)定,進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。

缺點(diǎn):不適用于液流速率較高的植物。


樹(shù)干熱平衡法 (Trunk Heat Balance,THB)

 

與莖熱平衡法類(lèi)似,均通過(guò)熱

量平衡關(guān)系計(jì)算液流,

 

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THB 法同樣不需要標(biāo)定,并且可測(cè)定胸徑較大的樹(shù)干。

 

優(yōu)點(diǎn):THB 法同樣不需要標(biāo)定。

缺點(diǎn):THB 法設(shè) 備較多,安裝相對(duì)復(fù)雜,易對(duì)樹(shù)干造成微損傷。

 

熱擴(kuò)散法(Thermal Dissipation Method,TDM)

 


通過(guò)溫差與液流速率間的關(guān)系計(jì)算液流速率

 

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優(yōu)點(diǎn):測(cè)定結(jié)果較準(zhǔn)確,儀器成本較低,安裝簡(jiǎn)單,有較成熟的商品化產(chǎn)品

缺點(diǎn):液流可能被低估。

熱場(chǎng)變形法 (Heat Field

Deformation,HFD)


通過(guò)測(cè)定加熱器周?chē)S向和切向的溫度差來(lái)表征由樹(shù)液流動(dòng)而產(chǎn)生的熱場(chǎng)變化,進(jìn)而確定液流密度

 

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優(yōu)點(diǎn):能夠準(zhǔn)確地測(cè)定零液流量以及逆向液

缺點(diǎn):測(cè)定過(guò)程較復(fù)雜

 

外熱比法 (External Heat-Ratio,EHR)

 


通過(guò)釋放熱脈沖 ,根據(jù) 2 個(gè)熱電偶的增溫比來(lái)計(jì)算液流密度

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外熱比法最小可測(cè)直徑為 5 mm,較少應(yīng)用于直徑較大的莖干。

優(yōu)點(diǎn):精確、無(wú)損地測(cè)定胸徑較小的樹(shù)干中的雙向液流。

缺點(diǎn): 微型外部量規(guī)的配置尚存在問(wèn)題。

應(yīng)用展望:

1、熱脈沖法、熱平衡法、熱擴(kuò)散法經(jīng)一系列的發(fā)展與完善,減小了測(cè)量誤差。熱擴(kuò)散法還形成了成熟的商業(yè)化產(chǎn)品,并得到了廣泛的應(yīng)用。

2、雖然利用外熱比法和熱場(chǎng)變形法測(cè)定活立木液流速率的研究有限,但外熱比法實(shí)現(xiàn)了精確的零破壞檢測(cè),熱場(chǎng)變形法液流速率測(cè)定范圍廣,并可準(zhǔn)確的測(cè)定零液流和逆向液流。

3、在利用外熱比法測(cè)定液流速率時(shí),需要針對(duì)不同樣本以及實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)不同的量規(guī),這是外熱比法的不足之處。因此,外熱比法和熱場(chǎng)變形法亟待更為深入研究。

4、在未來(lái),應(yīng)用熱技術(shù)測(cè)定樹(shù)干液流仍需關(guān)注以下熱點(diǎn):

A)在完善研究活立木蒸騰耗水特點(diǎn)的同時(shí),結(jié)合土壤生物因子和氣象因子與樹(shù)干液流的關(guān)系,進(jìn)一步

深入研究活立木生理作用;

B)從微觀和宏觀方面監(jiān)控水分運(yùn)動(dòng),研究水分利用與樹(shù)木生長(zhǎng)的關(guān)系;

C)在生產(chǎn) 實(shí)際方面,進(jìn)一步完善活立木單株和森林林區(qū)的數(shù)據(jù)監(jiān)控,為實(shí)現(xiàn)高效的林區(qū)治理提供有力依據(jù)。


來(lái)源:宋博華,高歌,高珊,孫琳琳,李冰雪.基于熱技術(shù)的活立木液流測(cè)量方法綜述[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào),2022,39(2):456–464

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