管式含水率儀

管式含水率儀，是一體化多參數監測設備，可用來實時監測土壤含水率變化、土壤溫度變化、MEMS傾角變化；

不同於傳統插針式水分儀，管式含水率儀從原理、結構、設計等方面規避了插針式測量探針直接接觸土壤易被腐蝕導致數據不準的問題；基於FDR原理設計的一體化負壓全密封導管，感測器不與土壤直接接觸，杜絕長期接觸土壤水分腐蝕感測器，避免有空氣間隙造成的測量誤差；

管式設計感測器出來的頻率信號直接轉數位化，避免受外界信號的干擾，從而保證高解析度又能保證高可靠性、準確性。

同時、同層監測土壤含水率、土壤溫度，使用土壤溫度校準土壤含水率數據準確性。

自然資源部普適型地質災害監測預警示範設備的土壤含水率計也使用了管式技術，無須標定，探測範圍大，採用多參數一體化，並且可在15分鐘內完成安裝。

基本介紹

• 中文名：管式含水率儀
• 外文名：Tubular moisture meter
• 用途：測量土壤含水率

產品歷史

2013年 中國管

2010年開始專注研發管式集成一體含水率監測儀，2013年，中國第一款自主研發生產的管式一體化含水率儀正式上市——中國管；

同時、同層監測土壤含水率、土壤溫度，使用土壤溫度校準土壤含水率數據準確性；

2014年 灌漿安裝

聯合國內多個相關領域專家，探索野外環境下簡單有效的安裝方式；

共同發明了適合管式含水率儀的科學安裝方法——灌漿安裝法，為行業提供了一套標準安裝解決方案；

2015年 免率定

採集了中國境內數百種土樣，進行了近千次土壤率定試驗，耗費800萬研發費用，最終於2015年解決了含水率儀必須現場率定的行業痛點；

2016年 可靠性

為了提高設備野外工作的可靠性和環境適應性，將管體內充正壓惰性氣體，增強設備整體密封性；

2017年 行業主流

管式土壤含水率儀在農業、水利領域大規模使用，推動整個行業從插針式到管式土壤含水率儀的轉變，管式土壤含水率儀取代插針式成為行業主流；

2018年 大規模使用

截止2018年，全國累計使用超8000台，涉及農業、水利、園林、交通、氣象、科研等多個領域；

2019年 滑坡預警儀研發攻關

2018年開始探索在地災場景的套用方式，提出“多參數集成”的思路；2019年正式推出管式多參數地災監測產品，參與自然資源部地質災害滑坡預警儀設備研發攻關項目，首次將管式多參數含水率技術套用到地質災害監測領域；

產品結構

一體化管式全密封結構。硬體系統主要由一體化PVC外觀、電源模組、頭部控制單元、感測器組和系統控制等部分構成，內置物聯網卡。

1.設備頭部

整體結構主要分為三個部分：通訊及控制單元、感測器組、電源模組。由一個PVC外管將其進行連線，排出管內空氣後密封在一起。

設備頭部

頭部是由一個一體式可旋轉的上蓋和帶彈簧的物理按鈕構成，對設備頭部起防護作用。

逆時針90°旋轉露出的是充電插頭，隱藏和保護的是快速啟動按鈕。

順時針90°旋轉露出的是快速啟動按鈕，同時對充電插口進行隱藏和保護。

上蓋頂部噴繪了設備二維碼。微信掃碼，即可對設備進行相關操作。

2.設備中部

中部是由多個組合式的感測器和通訊控制單元構成，感測器組包含八組土壤水分感測器、八組土壤溫度感測器及設備底部的一組傾斜角感測器。為保證各感測器工作期間的穩定性、抗腐蝕性，管體內充滿氮氣。

通訊及控制單元上集成了4G通訊模組、NB-IOT（定製）、flash本地存儲、GPS定位、天線等元器件。

管體上印有刻度標識，在安裝或特殊監測需求時，可以根據用戶需求來調整感測器的工作的範圍。

設備中部

3.設備底部

底部是一個錐體的結構，主要是方便安裝和保護電源。為了提高設備整體的可靠性，關鍵之一就是保證電源的正常運行，保證在低溫環境下持續工作。

設備底部

感測器組

感測器組是設備的核心組成部分，由於每個監測參數的要求不同、感測器之間的內在工作方式也會有差異，將多類別、多數量的感測器組合在一起來設計是感測器組首先要解決的問題。

主要輸出參數：土壤含水率、土壤溫度、傾斜角度

感測器組

1.土壤含水率及土壤溫度感測器

土壤含水率感測器採用FDR（頻域反射）原理，通過水在土壤中量的變化導致介電常數的變化，來進行測量的。FDR是我們對管式等非接觸式此類原理設備的叫法，它的內部輸出為頻率信號，通過將頻率信號數位化來進行參數輸出的。

管式含水率儀監測範圍最大直徑為30CM、測量厚度為10CM的土體平均體積含水量。同時與土壤溫度組合在一起，形成一組複合式感測器，同時同位監測8個土層深度（每層間隔10cm）的土壤體積含水量、土壤溫度。

管式土壤含水率除了連續、穩定外，最大的特點就是絕大多數土壤質地下免標定。尤其是在危險山體上，即插即用的免校準功能進一步降低了部署風險。

土壤含水率及土壤溫度感測器

2.傾斜角感測晶片

傾斜角感測晶片採用的是MEMS傾角感測晶片，感測晶片的精度除了本身特性外，主要由算法決定。因此將該感測晶片的精度計算精確到了0.005°、解析度0.001°；

傾斜角度的變化精度決定了是否可以捕捉到山體運動的每個小細節，包括且不限於人類活動、連續降雨、溫度驟變等變化因素。

為了保證高精度和靈敏度下的數據質量，系統還使用了卡爾曼濾波技術來過濾干擾，保證了傾角數據的最大可用性。

產品特點

管式一體化集成度高

將感測模組、計算存儲模組、通訊模組、供電模組集成於密閉管體內；內充惰性氣體確保管體密封性及穩定性;

多參數同位同時監測

同時原位分層採集土壤含水率、土壤溫度、傾角、GPS等參數，誘因與形變參數相關性強，便於後續數據分析;

土壤含水率免率定

採用FDR原理，針對大部分土質環境，土壤含水率無需率定直接使用；其他特殊土質，支持遠程設定標定參數;

非接觸式測量

感測器不與土壤直接接觸，最大程度消除了土壤對感測器敏感器件的腐蝕等干擾；

多深度連續監測

每10cm一層，最大可監測地下200cm深度，實現各個深度連續監測，大大高於插針式的監測連續性；

長效續航

內置5AH大容量電池，獨立工作最長45個陰雨天；外接太陽能供電板，實現連續供電和工作；

防護級別高

內置GPS及三軸感測器，識別震動記錄移動軌跡；防水防塵級別為民用高級別IP68，管體採用高強度抗老化材料，適用於嚴酷的野外使用；

管式含水率說明圖

產品套用

集成了部分水的變化要素和部分形變要素，將降雨-入滲-變形過程可視化，知其動更知其所以動；

坡體變形因果圖

水土聯動

無水不滑，水的變化過程（降雨、地表徑流、土壤水分入滲、土壤凍融等）至關重要；設備實時監測水在坡體中的變化過程；

水土同測

水的變化誘發坡體變化；設備多參數一體化可更好的實現水土同測，全面了解地質災害發生規律；

數據特徵

管式含水率儀輸出的數據是高質量高價值的數據，可直接輸入人工智慧預警模型。

數據對比

穩定的數據

具備自動抗環境干擾，自動監測自身的運行狀況，當受到電磁、高低溫變化等干擾時，記錄干擾排除監測值，干擾過去後再採集；

具備先進的濾波算法，將數據干擾引起的波動性降低了一個數量級，多管齊下，克服隨機干擾引起的誤差，極大提高了數據輸出質量；

設備內部建立在一個物理隔熱隔濕無氧環境，保證所有參數的電氣穩定性；

無需清洗的數據

數據跳動率低，僅十萬分之一，無需清洗；

設備採集過程會自動將異常數據進行過濾，測量出的數據直接可用，無需進行二次處理；

連續的、完整的數據

支持密集採集模式，可捕捉到每場降雨到入滲整個土壤含水率完整變化，保證數據的連續性、完整性；

支持本地存儲及斷點續傳，至少可存儲90天數據，確保數據不缺失；

同時、原位的數據

獲取的是同一時間同一位置多深度的數據，設備內部的土壤含水率、土壤溫度、加速度、傾斜、坐標及方位等裝置結構上集成於一個管狀物體內，著重關注水的變化誘發的坡體變化，在同一位置監測，提供豐富的數據血緣關係和源頭；

各項參數測量之間的延遲在毫秒級別，滿足數據同時同地的要求；

多維度大體量的數據

數據維度多且體量大，產品集成了分層土壤溫度、地表溫度、土壤含水率、傾角，還可集成加速度及方位角感測器，為監測水進入土體變化的全過程提供了基礎數據，為未來數據處理提供了無限可能性；

能與其它產品（如氣象站）進行數據融合，輸出更多的數據來訓練模型；

產品套用

首次將管式多參數含水率技術套用到地災領域；

管式含水率儀套用

參與“自然資源部普適型設備研發”，參與6個集成參數中的“降雨量”“土壤含水率”兩個參數及設備的研發集成；

管式多參數含水率儀入選自然資源部普適型地質災害監測預警示範設備；並已在廣東、甘肅、四川、湖北進行了測試運行。

產品安裝

單人30分鐘完成，鑽孔灌漿安裝；

無安裝門檻，無需專業安裝人員；

無污染無殘餘，支持快速移除換位監測；

第一步打孔

第二步 灌泥漿

第三步 放入設備與管體地表線齊平

第四步 連線太陽能板

管式含水率與針式含水率儀對比

測量原理

管式含水率儀

一體化全密封導管，感測器不與土壤直接接觸，杜絕長期接觸土壤水分腐蝕感測器，避免有空氣間隙造成的測量誤差；

30 cm 超大監測範圍，約為插針式的20倍；

全數位化 避免受外界信號的干擾，從而保證高解析度又能保證高可靠性、準確性；

插針式含水率儀

接觸式測量 主要依靠探頭與土壤的接觸進行測量，長時間監測下，電極氧化，數據偏移。受環境及監測時間的影響大，探頭易被土壤腐蝕，導致測量準確度低；

監測範圍小，大約 1.5 cm；

半數位化 針式從感測探針到數模轉換模組之間傳輸的是十分微弱的模擬量，易受到外界信號干擾，從而影響解析度、可靠性和準確性；

數據標定

管式含水率儀

無需標定 直接使用，適用於耕作土壤或適合作物生長土壤（除礦物質土壤、有機質土壤、黑碳土、岩石等非耕作特殊“土壤”）；

黃金震盪技術 選用特定頻率段，消除了土壤質地、土壤類型、土壤顆粒等對測量數據的影響；

土壤溫度校準 土壤溫度與含水率同測互相校準；

插針式含水率儀

必須標定 插針式測量受土壤類型、土壤質地、有機質含量、土壤溫度等因素影響，因此在使用前必須進行標定；

設備結構

管式含水率儀

一體化 所有元器件都集成於一根管子之中，內部負壓密封並且內充氮氣，保證設備的穩定性；

插針式含水率儀

外露式、組合式 針式的特徵是外露的鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或污染；

探針設備、RTU、DTU、供電單元等部件互相獨立需分別採購安裝；

安裝方式

管式含水率儀

鑽孔灌漿安裝 鑽60公分左右的洞，即插即用；土壤擾動小，後續無需維護；

單人 30 分鐘即可完成，支持換位監測；

無 安裝門檻，任何人都可快速完成；

插針式含水率儀

挖深坑掩埋 組成多點套用需複雜的連線，需在土壤中挖深坑掩埋，嚴重破壞土壤結構；

安裝難度 大 ，工作量大，時間長，後期無法維護；

安裝門檻 高 ，必須專業人員安裝；

環境保護

管式含水率儀

0污染 0殘留 安裝、使用、移除等過程對環境均無污染，除了60公分的土洞，現場無任何殘留；

插針式含水率儀

重金屬殘留 土壤內的感測器探頭、金屬連線無法收回，易造成重金屬、塑膠等土壤污染；

技術參數

土壤含水率

測量範圍：乾土~飽和土

測量精度：±2%

土壤溫度

測量範圍：-25～80℃

測量精度：±0.5℃

傾斜角度

測量範圍：-30~30° 解析度：0.001°

測量精度：0.005°

工作環境

溫度：-25~80℃

濕度：≤100%RH(無凝結)

採集頻率

5-240min可遠程設定；支持遠程固件遠程

防護等級

IP68

產品規格

MT80(每10cm一層，8層土壤含水率+8層土壤溫度+傾角)/定製

數據查看

提供WEB及微信端數據平台；支持API接口獲取數據

產品尺寸

長度：100cm-240cm 外管直徑：6.3cm

通訊方式

支持2G/3G/4G無線通訊，多模支持國內三大運營商，可自動上傳監測數據；可定製NB窄帶物聯網、LoRa或RS485匯流排傳輸方式；通信協定支持MQTT/TCP二進制流；支持數據斷點續傳，設備本地至少可存儲90天數據。

供電方式

內置5Ah磷酸鐵鋰電池；外接太陽能供電系統；支持外部移動電源供電；低電壓時，設備可自動或遠程切換為低功耗採集模式和休眠工作模式，工作時間不低於45天；