BN-ZTZS101 直称式土壤蒸渗仪

1、 产品简介及设计目标

BN-ZTZS101型直称式土壤蒸渗仪是我公司在现代电子技术、土壤物理学和微气候学等学科领域不断深入发展的基础上，为测定农田蒸腾蒸发和地下水-土壤水转化而研发生产的一种更系统更综合的标准实验设备。其通过对被测土壤（原状土或人工配置实验土）水循环的记录分析，以研究农作物的耗水规律和SPAC系统中水分运移转化规律。该仪器采用先进的高分辨率称重系统，配置了智能数据采集器和信号传感器，可同时检测被测土体水分蒸腾蒸发、渗漏随时间的微小变化及气温。空气湿度、光照、降水等对应相关参数，并对测量的数据进行实时在线快速分析处理、记录储存，做到了数据采集的高速化、准确化和人性化，大大提高了工作效率，降低了劳动强度。适用于农田、草原、森林及河流湿地等生态系统水文循环的长期监测。

大型称重式蒸渗仪，是我公司在充分汲取国内外有关系统特点的基础上，设计研制的新款设备。其主要特点是：紧跟传感器技术和检测技术的革新提高了相关参数的测量精度；同时，进一步改善和提高了大型称重式蒸渗仪使用中的人机接口（HMI）效率，降低了劳动强度和维护工作量。其筒体结构与工作原理如图1所示，主要包括土箱体（主体系统的核心）、称重系统、供排水系统和数据采集与监控系统。蒸渗仪的主题系统是指装有饱和或非饱和的土箱、外壁以及土壤中的测试仪器，土箱的结构和仪器的数量和种类依据科研需求设计和布局。

图1 土壤蒸渗仪整机总体结构

2、 系统组成及总体结构

土壤蒸渗仪整机系统可分为硬件和软件两大部分，共四个板块：

（1）  测量部分：由土箱、称重系统平台以及配套传感器等组成、

（2）  数据传输部分：由数据转换模块、放大器及供电系统等组成。

（3）  终端显示部分：由数据采集器、主控制器、配套软件及液晶显示屏等组成。

（4）  供排水系统：由控制模块、阀门和补水系统等组成。

BN-ZTZS101型直称式蒸渗仪整机系统（单套）

直称式土壤蒸渗仪地表（照片）

直称式蒸渗仪箱体布局（照片）

3、 整体解决方案

1·蒸渗仪测量原理

对于被蒸渗仪测量的土柱，其水量的平衡方程为：

式中为土壤储存水量的变化，P为降水量，I为灌溉量，Q为地下水流，为净地表径流量，ET为蒸腾蒸发量。

对于蒸渗仪，一般可以忽略，方程1可改为

降水量（）和灌溉量（I）可以由雨量计和水表直接测得。土壤储存水量的变化量（）代表降水或灌溉后水分的增加，或测量蒸腾蒸发作用导致水分的损失，这些较难测量，所以产生了高精度的称重系统来测量。

地下水流Q代表由蒸渗仪供排水系统供进和排出的土柱的水量。在地下水位不发生变化时，加入到土柱的水量为地下水对土壤水的补给量（Eg）,Eg=Q，由土柱排出的水量为地下水补给量（），，如果大田中地下水位发生了变化，为了保持仪器内水位与大田水位*，需向土柱内加入或排出一定水量，地下水对土壤水的补给量与入渗量可由其间接计算得出。如果地下水位上升

如果地下水位下降了

a和b为吸水和脱水实验测定的系数。实际上,为地下水位上升或下降时含水量的变化，可有水位计测得。

2·称重原理及方案

直称式蒸渗仪称重机构原理如下图3所示：称重系统采购的称重传感器，作用在称重平台上，直接称重土箱的总重量。

图3 直称式蒸渗仪承重结构

称重传感器采用高精度称重传感器，在称重平台下三个支点支撑称重土箱，每个支点放置一个称重传感器，三个称重传感器共同称重计算（如下图4）。

图4 直称式蒸渗仪称重传感器布设

选用称重传感器照片

称重传感器的主要性能指标如下：

1） 称重范围：0~5000.0Kg，分辨率0.01Kg；

2） 精度：0.1mm；

3） 分辨率：0.025mm；

4） 综合精度：0.01%；

5） 称重采样速率：1秒；

6） 输出阻抗：2.0（+/-0.25%）；

7） 材质：不锈钢，全焊接密封，并通过IP68工业防护等级标准；

8） 耐化学腐蚀，五年质保。

由于称重传感器固有的零漂和蠕变特性，在长期受力状态下不可避免影响测量精度，并且每只传感器的误差参数又不同。我公司专门设计开发了称重传感器校验设备和方法，对其量程、稳定性、重复性和敏感性进行测试和校验。如量程的测试采用依次加载已知重量砝码20~3000Kg然后再依次减载的方法；为了测试其稳定性，在2h内向称重传感器加载3000Kg重物，然后每30min测量度数，判断其稳定。称重传感器的敏感性采用依次加载和减载100g、200g、200g、300g、200g、1000g、1000g、2000g的方法来测量。从而有效的清除零漂和蠕变带来的测量误差。

称重传感器实际安装结构照片

3·数据采集原理及方案

本系统的数据采集全部为智能化采集，数据可直接保存到数据库中，也可以数据文件的形式按设计定的周期保存，并且能通过网络进行远程数据传递和状态监控。机体包括物理设备层、网络传输层、数据资源层、科研业务层4个层次，以及信息安全保障、标准规范建设两个支撑体系。

称重式蒸渗仪测控系统组成框图

其中物理设备层所有数据的自动化采集功能：网络传输层利用Internet局域网，实现科研数据的远程创术与监控功能；数据资源层为基于数据管理服务器，整合了实验基地采集或导入科研数据，向上提供有关数据动态交换、远程输出安监控等数据服务；科研业务与C/S方式提供诸如远程数据监控、科研数据下载、系统运行维护等业务；信息安全保障体系通过数据传输加密、用户鉴权等方式，保障系统安全；标准规范建设体系包括科研数据格式规范、数据传输协议等建设内容。

本项目共需4个采集器模块完成数据采集任务。每个采集模块提供32路信号采集端子如图5所示，每个端子所采集的信号均能转换为485新号，通过485总线电流模块，可与控制柜一起组成485网络（图6）。在网络中每个采集模块有其固定的节点地址，控制柜通过这个地址可与组内模块节点通信。

图5   直称是蒸渗仪采集模块框图

图6   直称式蒸渗仪数据采集与传输方案

4·产流（渗漏量）过程监测及土箱补（排）水系统方案

在土箱底部设计有一定厚度（30cm）的过滤层，反滤层内布设有管网，管道壁上打有密集的小孔，并在管道外还包有不锈钢纱布。这样，土壤中的水分可进出管网同时也隔离了固体物质。采用连通器原理，土箱旁边布设的液位瓶内水位与土箱内水位相同，用液位计实时监测液位。工作中，当液位超过设定水位时排水电动阀打开进行系统排水，系统液位降低；当液位低于设定水位时开启供水水泵，并打开进水电动阀为土箱供水，使系统液位升高达到设定值，当系统液位达到设定液位时，供水或排水系统关闭，系统进入监测判断状态。每个土箱设置一个补水子系统，共5套补水子系统，拟采用方案如图7所示。

图7   补（排）水系统方案

从蒸渗仪土表下渗的水分，当箱体内水分大于土壤的持水能力时，多余的水分将透过土体下面的过滤层流出箱体外。流出箱体外的渗漏水量被引入不锈钢容器中，用一S型称重传感器计量，参与整个系统蒸发量计算。该子系统设计调控模式为人工设定和自动控制。

5·软件开发方案

用于Windows的新托管代码编程模型。它将强大的功能与新技术结合起来，用于构建具有视觉上引人注目的用户体验的应用程序，实现跨技术边界的无缝通信，并且能支持各种业务流程。具备开发应用程序的一切解决方案，包括验证、缓存、状态管理、调试和部署等全部功能。在代码撰写方面特色是将页面逻辑和业务逻辑分开，它分离程序代码与显示的内容，让丰富多彩的界面更容易撰写。同时使程序代码看起来更洁净、更简单。图 8为本系统软件系统的整体架构。图 9为软件的所用功能。

图8   系统软件整体架构

图9   软件全部功能划分

由于大型称重式蒸渗仪测控系统多为根据用户需要量身定制，我公司为了减少软件的重复开发工作量，提高软件的通用性以及便于日后的功能扩展，遵循软件工程的思想，开发了传感器配置模块（如图 10），使得软件能适应不同测量需求的蒸渗仪需要，同时也能适应硬件的剪裁。

图10   蒸渗仪配套软件功能划分

配套软件按照C/S模式，用户界面体现为一系列Win界面，界面之间通过菜单操作等方式进行跳转。

本系统选用数据库管理软件MySQL进行科研数据的统一储存管理，并考虑到了系统扩展性，可对下位机进行的操作，主要功能有：

1、232串口配置：主要设置232串口的名称、下位机的名称、波特率、数据位、停止位、校验方式、采样间隔

2、蒸渗仪参数测定：测定蒸渗仪的参数。

3、重量度量单位设置：设置重量参数。

4、历史数据查询、文本数据导入功能。

下位机操作子系统涵盖了对数据采集器发出的各种命令。主要的模块有：

实时数据接收：对下位机发出实时数据接收命令，将下位机采集到的实时数据以动态图表形式加载到页面，也可将实时数据保存到MySQL数据库。

历史数据接收：对下位机发出历史数据接收命令，将下位机采集到的历史数据保存到MySQL数据库。

新数据接收：对下位机发出新数据接受命令，将下位机采集到的历史数据按自定义的时间段存入MySQL数据库。

下位机管理：设置和读取下位机的状态参数。

数据管理子系统涵盖查询、统计、报表模块：系统有机地、创造性地将查询、统计和报表功能结合起来，提供了强大的查询、报表打印功能，给工程分析提供了真实的、科学的依据。友好、简单的条件设置，便于人员使用。

数据导入导出功能大限度地保护数据，便于查询统计。

6·供电电源配置方案

整个系统供电电源方案如图11所示，220V交流电经变压整流为24V为传感器供电，另外此24V再经电源模块后输出5V为控制柜供电。根据调研情况了解到，施工地区地处空旷，经雷击风险评估，施工区的设备、设施易遭到雷击，故电源系统需做防雷，防浪涌，有关防雷在5.3.8节中详细叙述。整个系统供电功率约需350W（包含主控制器、线损和余量）

图11   供电电源配置

7·控制中心布设方案

试验基地控制中心拟布设（图12）并实现以下功能：

设置数据中心服务器，与网络交换机相连接。该服务器对土壤测坑检测数据系统的数据库进行管理，具有税局容量大、处理速度快、可靠性高等特点。

设置硬件防火墙，具有针对外部网络访问安全防火控制，并可进行黑白名单设置，组织不信任区域对本系统网络和数据资源的访问。

设置网络中心交换机，完成网络中心的网络连接，提供可扩展网络端口。该类型交换机有网络管理接口，能提供24口个10/100M自适应连接端口，并配置2个光纤插槽，使网络系统具有较大的扩展能力。

设置路由器，对内连接防火墙，对外连接中国移动或中国电信的4-8M光纤专线。

设置应用服务器，安装数据管理系统软件完成客户的数据处理和查询需求。

图12   控制中心网络结构

8·蒸渗仪土箱设计主要参数

1、材质：不锈钢，厚度10~15mm；

2、箱体高：1米；

3、箱体表面积：2平米；

4、总高度：1.5米；

5、箱体外经：0.8米。

5、性能参数

1、土箱尺寸：             表面积1m²,深4m

2、土箱要求：             不锈钢、厚度10~15mm

3、称重范围：             0~45000.0kg，分辨率0.1kg

4、工作温度：             -30℃~60℃

5、工作条件：             220V交流隔离供电

6、防雷指标：             6000A

7、显示屏：               4行中英文显示

8、输出：                 RS-485/RS232/WIFI

9、称重采样速率：         1秒

10、填土方式：            扰动土装填