ENVIdata-DT 植物茎流叶温茎粗监测系统

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。
系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：
l 连续、高精度测量树木的周长变化
l 安装简单，无需破坏树皮或影响树木的生长
l 测量树木生长的日变化，精度达5um
l 最小化测量带与树皮间的摩擦力及温度的影响
l 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；

2.2、ENVIdata数据传输和管理

该系统直接将数据传送到 (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

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：

茎流：SHB技术，用于植物茎杆6-20mm；THB技术，用于植物茎杆大于12cm

叶温：红外原理，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

树木茎粗：测量范围：50mm，精度：5um

作物茎杆：测量范围：0-5mm

数据传输：ENVIdata internet 连续、在线接收数据

数据输出：实时传输，网上下载，同时邮件传送

数据格式：文本、曲线、地图显示，一屏可同时显示两个参数

3、技术指标传感器：
茎流：SHB技术，用于植物茎杆6-20mm；THB技术，用于植物茎杆大于12cm
叶温：红外原理，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
树木茎粗：测量范围：50mm，精度：5um
作物茎杆：测量范围：0-5mm
数据传输：ENVIdata internet 连续、在线接收数据
数据输出：实时传输，网上下载，同时邮件传送
数据格式：文本、曲线、地图显示，一屏可同时显示两个参数

4、 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：