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1、 產品簡介及設計目標

BN-ZTZS101型直稱式土壤蒸滲儀是我公司在現(xiàn)代電子技術、土壤物理學和微氣候學等學科領域不斷深入發(fā)展的基礎上，為測定農田蒸騰蒸發(fā)和地下水-土壤水轉化而研發(fā)生產的一種更系統(tǒng)更綜合的標準實驗設備。其通過對被測土壤（原狀土或人工配置實驗土）水循環(huán)的記錄分析，以研究農作物的耗水規(guī)律和SPAC系統(tǒng)中水分運移轉化規(guī)律。該儀器采用的高分辨率稱重系統(tǒng)，配置了智能數(shù)據(jù)采集器和信號傳感器，可同時檢測被測土體水分蒸騰蒸發(fā)、滲漏隨時間的微小變化及氣溫?？諝鉂穸取⒐庹?、降水等對應相關參數(shù)，并對測量的數(shù)據(jù)進行實時在線快速分析處理、記錄儲存，做到了數(shù)據(jù)采集的高速化、準確化和人性化，大大提高了工作效率，降低了勞動強度。適用于農田、草原、森林及河流濕地等生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的長期監(jiān)測。

大型稱重式蒸滲儀，是我公司在充分汲取國內外有關系統(tǒng)特點的基礎上，設計研制的新款設備。其主要特點是：緊跟傳感器技術和檢測技術的革新提高了相關參數(shù)的測量精度；同時，進一步改善和提高了大型稱重式蒸滲儀使用中的人機接口（HMI）效率，降低了勞動強度和維護工作量。其筒體結構與工作原理如圖1所示，主要包括土箱體（主體系統(tǒng)的核心）、稱重系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。蒸滲儀的主題系統(tǒng)是指裝有飽和或非飽和的土箱、外壁以及土壤中的測試儀器，土箱的結構和儀器的數(shù)量和種類依據(jù)科研需求設計和布局。

圖1 土壤蒸滲儀整機總體結構

2、 系統(tǒng)組成及總體結構

土壤蒸滲儀整機系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分，共四個板塊：

（1）測量部分：由土箱、稱重系統(tǒng)平臺以及配套傳感器等組成、

（2）數(shù)據(jù)傳輸部分：由數(shù)據(jù)轉換模塊、放大器及供電系統(tǒng)等組成。

（3）終端顯示部分：由數(shù)據(jù)采集器、主控制器、配套軟件及液晶顯示屏等組成。

（4）供排水系統(tǒng)：由控制模塊、閥門和補水系統(tǒng)等組成。

BN-ZTZS101型直稱式蒸滲儀整機系統(tǒng)（單套）

序號	名稱	數(shù)量	備注
1	高精度稱重傳感器	1只
2	滲漏傳感器	1只
3	稱重平臺及土箱	1套
4	數(shù)據(jù)采集器及主控制器	1臺	含控制模塊
5	土壤溫濕度傳感器	1套
6	大氣溫濕度傳感器	1套
7	光照傳感器	1套
8	雨量傳感器	1套
9	連接線纜及信號控制線	1套
10	配套軟件	1套

直稱式土壤蒸滲儀地表（照片）

直稱式蒸滲儀箱體布局（照片）

3、 整體解決方案

1·蒸滲儀測量原理

對于被蒸滲儀測量的土柱，其水量的平衡方程為：

式中為土壤儲存水量的變化，P為降水量，I為灌溉量，Q為地下水流，為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發(fā)量。

對于蒸滲儀，一般可以忽略，方程1可改為

（2）

降水量（）和灌溉量（I）可以由雨量計和水表直接測得。土壤儲存水量的變化量（）代表降水或灌溉后水分的增加，或測量蒸騰蒸發(fā)作用導致水分的損失，這些較難測量，所以產生了高精度的稱重系統(tǒng)來測量。

地下水流Q代表由蒸滲儀供排水系統(tǒng)供進和排出的土柱的水量。在地下水位不發(fā)生變化時，加入到土柱的水量為地下水對土壤水的補給量（Eg）,Eg=Q，由土柱排出的水量為地下水補給量（），，如果大田中地下水位發(fā)生了變化，為了保持儀器內水位與大田水位*，需向土柱內加入或排出一定水量，地下水對土壤水的補給量與入滲量可由其間接計算得出。如果地下水位上升

（3）

如果地下水位下降了

（4）

a和b為吸水和脫水實驗測定的系數(shù)。實際上,為地下水位上升或下降時含水量的變化，可有水位計測得。

2·稱重原理及方案

直稱式蒸滲儀稱重機構原理如下圖3所示：稱重系統(tǒng)采購的稱重傳感器，作用在稱重平臺上，直接稱重土箱的總重量。

圖3 直稱式蒸滲儀承重結構

稱重傳感器采用高精度稱重傳感器，在稱重平臺下三個支點支撐稱重土箱，每個支點放置一個稱重傳感器，三個稱重傳感器共同稱重計算（如下圖4）。

圖4 直稱式蒸滲儀稱重傳感器布設

選用稱重傳感器照片

稱重傳感器的主要性能指標如下：

1）稱重范圍：0~5000.0Kg，分辨率0.01Kg；

2）精度：0.1mm；

3）分辨率：0.025mm；

4）綜合精度：0.01%；

5）稱重采樣速率：1秒；

6）輸出阻抗：2.0（+/-0.25%）；

7）材質：不銹鋼，全焊接密封，并通過IP68工業(yè)防護等級標準；

8）耐化學腐蝕，五年質保。

由于稱重傳感器固有的零漂和蠕變特性，在長期受力狀態(tài)下不可避免影響測量精度，并且每只傳感器的誤差參數(shù)又不同。我公司專門設計開發(fā)了稱重傳感器校驗設備和方法，對其量程、穩(wěn)定性、重復性和敏感性進行測試和校驗。如量程的測試采用依次加載已知重量砝碼20~3000Kg然后再依次減載的方法；為了測試其穩(wěn)定性，在2h內向稱重傳感器加載3000Kg重物，然后每30min測量度數(shù)，判斷其穩(wěn)定。稱重傳感器的敏感性采用依次加載和減載100g、200g、200g、300g、200g、1000g、1000g、2000g的方法來測量。從而有效的清除零漂和蠕變帶來的測量誤差。

稱重傳感器實際安裝結構照片

3·數(shù)據(jù)采集原理及方案

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集全部為智能化采集，數(shù)據(jù)可直接保存到數(shù)據(jù)庫中，也可以數(shù)據(jù)文件的形式按設計定的周期保存，并且能通過網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機體包括物理設備層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、科研業(yè)務層4個層次，以及信息安全保障、標準規(guī)范建設兩個支撐體系。

稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)組成框圖

其中物理設備層所有數(shù)據(jù)的自動化采集功能：網(wǎng)絡傳輸層利用Internet局域網(wǎng)，實現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的遠程創(chuàng)術與監(jiān)控功能；數(shù)據(jù)資源層為基于數(shù)據(jù)管理服務器，整合了實驗基地采集或導入科研數(shù)據(jù)，向上提供有關數(shù)據(jù)動態(tài)交換、遠程輸出安監(jiān)控等數(shù)據(jù)服務；科研業(yè)務與C/S方式提供諸如遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、科研數(shù)據(jù)下載、系統(tǒng)運行維護等業(yè)務；信息安全保障體系通過數(shù)據(jù)傳輸加密、用戶鑒權等方式，保障系統(tǒng)安全；標準規(guī)范建設體系包括科研數(shù)據(jù)格式規(guī)范、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等建設內容。

本項目共需4個采集器模塊完成數(shù)據(jù)采集任務。每個采集模塊提供32路信號采集端子如圖5所示，每個端子所采集的信號均能轉換為485新號，通過485總線電流模塊，可與控制柜一起組成485網(wǎng)絡（圖6）。在網(wǎng)絡中每個采集模塊有其固定的節(jié)點地址，控制柜通過這個地址可與組內模塊節(jié)點通信。

圖5 直稱是蒸滲儀采集模塊框圖

圖6 直稱式蒸滲儀數(shù)據(jù)采集與傳輸方案

4·產流（滲漏量）過程監(jiān)測及土箱補（排）水系統(tǒng)方案

在土箱底部設計有一定厚度（30cm）的過濾層，反濾層內布設有管網(wǎng)，管道壁上打有密集的小孔，并在管道外還包有不銹鋼紗布。這樣，土壤中的水分可進出管網(wǎng)同時也隔離了固體物質。采用連通器原理，土箱旁邊布設的液位瓶內水位與土箱內水位相同，用液位計實時監(jiān)測液位。工作中，當液位超過設定水位時排水電動閥打開進行系統(tǒng)排水，系統(tǒng)液位降低；當液位低于設定水位時開啟供水水泵，并打開進水電動閥為土箱供水，使系統(tǒng)液位升高達到設定值，當系統(tǒng)液位達到設定液位時，供水或排水系統(tǒng)關閉，系統(tǒng)進入監(jiān)測判斷狀態(tài)。每個土箱設置一個補水子系統(tǒng)，共5套補水子系統(tǒng)，擬采用方案如圖7所示。

圖7 補（排）水系統(tǒng)方案

從蒸滲儀土表下滲的水分，當箱體內水分大于土壤的持水能力時，多余的水分將透過土體下面的過濾層流出箱體外。流出箱體外的滲漏水量被引入不銹鋼容器中，用一S型稱重傳感器計量，參與整個系統(tǒng)蒸發(fā)量計算。該子系統(tǒng)設計調控模式為人工設定和自動控制。

5·軟件開發(fā)方案

用于Windows的新托管代碼編程模型。它將強大的功能與新技術結合起來，用于構建具有視覺上引人注目的用戶體驗的應用程序，實現(xiàn)跨技術邊界的無縫通信，并且能支持各種業(yè)務流程。具備開發(fā)應用程序的一切解決方案，包括驗證、緩存、狀態(tài)管理、調試和部署等全部功能。在代碼撰寫方面特色是將頁面邏輯和業(yè)務邏輯分開，它分離程序代碼與顯示的內容，讓豐富多彩的界面更容易撰寫。同時使程序代碼看起來更潔凈、更簡單。圖 8為本系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的整體架構。圖 9為軟件的所用功能。

圖8 系統(tǒng)軟件整體架構

圖9 軟件全部功能劃分

由于大型稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)多為根據(jù)用戶需要量身定制，我公司為了減少軟件的重復開發(fā)工作量，提高軟件的通用性以及便于日后的功能擴展，遵循軟件工程的思想，開發(fā)了傳感器配置模塊（如圖 10），使得軟件能適應不同測量需求的蒸滲儀需要，同時也能適應硬件的剪裁。

圖10 蒸滲儀配套軟件功能劃分

配套軟件按照C/S模式，用戶界面體現(xiàn)為一系列Win界面，界面之間通過菜單操作等方式進行跳轉。

本系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫管理軟件MySQL進行科研數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲存管理，并考慮到了系統(tǒng)擴展性，可對下位機進行的操作，主要功能有：

1、232串口配置：主要設置232串口的名稱、下位機的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗方式、采樣間隔

2、蒸滲儀參數(shù)測定：測定蒸滲儀的參數(shù)。

3、重量度量單位設置：設置重量參數(shù)。

4、歷史數(shù)據(jù)查詢、文本數(shù)據(jù)導入功能。

下位機操作子系統(tǒng)涵蓋了對數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的各種命令。主要的模塊有：

實時數(shù)據(jù)接收：對下位機發(fā)出實時數(shù)據(jù)接收命令，將下位機采集到的實時數(shù)據(jù)以動態(tài)圖表形式加載到頁面，也可將實時數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫。

歷史數(shù)據(jù)接收：對下位機發(fā)出歷史數(shù)據(jù)接收命令，將下位機采集到的歷史數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫。

新數(shù)據(jù)接收：對下位機發(fā)出新數(shù)據(jù)接受命令，將下位機采集到的歷史數(shù)據(jù)按自定義的時間段存入MySQL數(shù)據(jù)庫。

下位機管理：設置和讀取下位機的狀態(tài)參數(shù)。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)涵蓋查詢、統(tǒng)計、報表模塊：系統(tǒng)有機地、創(chuàng)造性地將查詢、統(tǒng)計和報表功能結合起來，提供了強大的查詢、報表打印功能，給工程分析提供了真實的、科學的依據(jù)。友好、簡單的條件設置，便于人員使用。

數(shù)據(jù)導入導出功能大限度地保護數(shù)據(jù)，便于查詢統(tǒng)計。

6·供電電源配置方案

整個系統(tǒng)供電電源方案如圖11所示，220V交流電經(jīng)變壓整流為24V為傳感器供電，另外此24V再經(jīng)電源模塊后輸出5V為控制柜供電。根據(jù)調研情況了解到，施工地區(qū)地處空曠，經(jīng)雷擊風險評估，施工區(qū)的設備、設施易遭到雷擊，故電源系統(tǒng)需做防雷，防浪涌，有關防雷在5.3.8節(jié)中詳細敘述。整個系統(tǒng)供電功率約需350W（包含主控制器、線損和余量）