1、 產(chǎn)品簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)目標(biāo)

BN-ZTZS101型直稱(chēng)式土壤蒸滲儀是我公司在現(xiàn)代電子技術(shù)、土壤物理學(xué)和微氣候?qū)W等學(xué)科領(lǐng)域不斷深入發(fā)展的基礎(chǔ)上，為測(cè)定農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水-土壤水轉(zhuǎn)化而研發(fā)生產(chǎn)的一種更系統(tǒng)更綜合的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其通過(guò)對(duì)被測(cè)土壤（原狀土或人工配置實(shí)驗(yàn)土）水循環(huán)的記錄分析，以研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律和SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。該儀器采用的高分辨率稱(chēng)重系統(tǒng)，配置了智能數(shù)據(jù)采集器和信號(hào)傳感器，可同時(shí)檢測(cè)被測(cè)土體水分蒸騰蒸發(fā)、滲漏隨時(shí)間的微小變化及氣溫。空氣濕度、光照、降水等對(duì)應(yīng)相關(guān)參數(shù)，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線快速分析處理、記錄儲(chǔ)存，做到了數(shù)據(jù)采集的高速化、準(zhǔn)確化和人性化，大大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。適用于農(nóng)田、草原、森林及河流濕地等生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

大型稱(chēng)重式蒸滲儀，是我公司在充分汲取國(guó)內(nèi)外有關(guān)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制的新款設(shè)備。其主要特點(diǎn)是：緊跟傳感器技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的革新提高了相關(guān)參數(shù)的測(cè)量精度；同時(shí)，進(jìn)一步改善和提高了大型稱(chēng)重式蒸滲儀使用中的人機(jī)接口（HMI）效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)工作量。其筒體結(jié)構(gòu)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(chēng)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(cè)試儀器，土箱的結(jié)構(gòu)和儀器的數(shù)量和種類(lèi)依據(jù)科研需求設(shè)計(jì)和布局。

圖1 土壤蒸滲儀整機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2、 系統(tǒng)組成及總體結(jié)構(gòu)

土壤蒸滲儀整機(jī)系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分，共四個(gè)板塊：

（1）  測(cè)量部分：由土箱、稱(chēng)重系統(tǒng)平臺(tái)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(zhuǎn)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(mén)和補(bǔ)水系統(tǒng)等組成。

BN-ZTZS101型直稱(chēng)式蒸滲儀整機(jī)系統(tǒng)（單套）

直稱(chēng)式土壤蒸滲儀地表（照片）

直稱(chēng)式蒸滲儀箱體布局（照片）

3、 整體解決方案

1·蒸滲儀測(cè)量原理

對(duì)于被蒸滲儀測(cè)量的土柱，其水量的平衡方程為：

•  (1)

式中為土壤儲(chǔ)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(duì)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(jì)和水表直接測(cè)得。土壤儲(chǔ)存水量的變化量（）代表降水或灌溉后水分的增加，或測(cè)量蒸騰蒸發(fā)作用導(dǎo)致水分的損失，這些較難測(cè)量，所以產(chǎn)生了高精度的稱(chēng)重系統(tǒng)來(lái)測(cè)量。

地下水流Q代表由蒸滲儀供排水系統(tǒng)供進(jìn)和排出的土柱的水量。在地下水位不發(fā)生變化時(shí)，加入到土柱的水量為地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量（Eg）,Eg=Q，由土柱排出的水量為地下水補(bǔ)給量（），，如果大田中地下水位發(fā)生了變化，為了保持儀器內(nèi)水位與大田水位*，需向土柱內(nèi)加入或排出一定水量，地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量與入滲量可由其間接計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)定的系數(shù)。實(shí)際上,為地下水位上升或下降時(shí)含水量的變化，可有水位計(jì)測(cè)得。

2·稱(chēng)重原理及方案

直稱(chēng)式蒸滲儀稱(chēng)重機(jī)構(gòu)原理如下圖3所示：稱(chēng)重系統(tǒng)采購(gòu)的稱(chēng)重傳感器，作用在稱(chēng)重平臺(tái)上，直接稱(chēng)重土箱的總重量。

圖3 直稱(chēng)式蒸滲儀承重結(jié)構(gòu)

稱(chēng)重傳感器采用高精度稱(chēng)重傳感器，在稱(chēng)重平臺(tái)下三個(gè)支點(diǎn)支撐稱(chēng)重土箱，每個(gè)支點(diǎn)放置一個(gè)稱(chēng)重傳感器，三個(gè)稱(chēng)重傳感器共同稱(chēng)重計(jì)算（如下圖4）。

圖4 直稱(chēng)式蒸滲儀稱(chēng)重傳感器布設(shè)

選用稱(chēng)重傳感器照片

稱(chēng)重傳感器的主要性能指標(biāo)如下：

1） 稱(chēng)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(chēng)重采樣速率：1秒；

6） 輸出阻抗：2.0（+/-0.25%）；

7） 材質(zhì)：不銹鋼，全焊接密封，并通過(guò)IP68工業(yè)防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

8） 耐化學(xué)腐蝕，五年質(zhì)保。

由于稱(chēng)重傳感器固有的零漂和蠕變特性，在長(zhǎng)期受力狀態(tài)下不可避免影響測(cè)量精度，并且每只傳感器的誤差參數(shù)又不同。我公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了稱(chēng)重傳感器校驗(yàn)設(shè)備和方法，對(duì)其量程、穩(wěn)定性、重復(fù)性和敏感性進(jìn)行測(cè)試和校驗(yàn)。如量程的測(cè)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(cè)試其穩(wěn)定性，在2h內(nèi)向稱(chēng)重傳感器加載3000Kg重物，然后每30min測(cè)量度數(shù)，判斷其穩(wěn)定。稱(chēng)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(lái)測(cè)量。從而有效的清除零漂和蠕變帶來(lái)的測(cè)量誤差。

稱(chēng)重傳感器實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)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(kù)中，也可以數(shù)據(jù)文件的形式按設(shè)計(jì)定的周期保存，并且能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機(jī)體包括物理設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、科研業(yè)務(wù)層4個(gè)層次，以及信息安全保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)兩個(gè)支撐體系。

稱(chēng)重式蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)組成框圖

其中物理設(shè)備層所有數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集功能：網(wǎng)絡(luò)傳輸層利用Internet局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程創(chuàng)術(shù)與監(jiān)控功能；數(shù)據(jù)資源層為基于數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，整合了實(shí)驗(yàn)基地采集或?qū)肟蒲袛?shù)據(jù)，向上提供有關(guān)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換、遠(yuǎn)程輸出安監(jiān)控等數(shù)據(jù)服務(wù)；科研業(yè)務(wù)與C/S方式提供諸如遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、科研數(shù)據(jù)下載、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)等業(yè)務(wù)；信息安全保障體系通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸加密、用戶鑒權(quán)等方式，保障系統(tǒng)安全；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)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(shè)內(nèi)容。

本項(xiàng)目共需4個(gè)采集器模塊完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。每個(gè)采集模塊提供32路信號(hào)采集端子如圖5所示，每個(gè)端子所采集的信號(hào)均能轉(zhuǎn)換為485新號(hào)，通過(guò)485總線電流模塊，可與控制柜一起組成485網(wǎng)絡(luò)（圖6）。在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)采集模塊有其固定的節(jié)點(diǎn)地址，控制柜通過(guò)這個(gè)地址可與組內(nèi)模塊節(jié)點(diǎn)通信。

圖5   直稱(chēng)是蒸滲儀采集模塊框圖

圖6   直稱(chēng)式蒸滲儀數(shù)據(jù)采集與傳輸方案

4·產(chǎn)流（滲漏量）過(guò)程監(jiān)測(cè)及土箱補(bǔ)（排）水系統(tǒng)方案

在土箱底部設(shè)計(jì)有一定厚度（30cm）的過(guò)濾層，反濾層內(nèi)布設(shè)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(jìn)出管網(wǎng)同時(shí)也隔離了固體物質(zhì)。采用連通器原理，土箱旁邊布設(shè)的液位瓶?jī)?nèi)水位與土箱內(nèi)水位相同，用液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位。工作中，當(dāng)液位超過(guò)設(shè)定水位時(shí)排水電動(dòng)閥打開(kāi)進(jìn)行系統(tǒng)排水，系統(tǒng)液位降低；當(dāng)液位低于設(shè)定水位時(shí)開(kāi)啟供水水泵，并打開(kāi)進(jìn)水電動(dòng)閥為土箱供水，使系統(tǒng)液位升高達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)系統(tǒng)液位達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，供水或排水系統(tǒng)關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)判斷狀態(tài)。每個(gè)土箱設(shè)置一個(gè)補(bǔ)水子系統(tǒng)，共5套補(bǔ)水子系統(tǒng)，擬采用方案如圖7所示。

圖7   補(bǔ)（排）水系統(tǒng)方案

從蒸滲儀土表下滲的水分，當(dāng)箱體內(nèi)水分大于土壤的持水能力時(shí)，多余的水分將透過(guò)土體下面的過(guò)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(chēng)重傳感器計(jì)量，參與整個(gè)系統(tǒng)蒸發(fā)量計(jì)算。該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)控模式為人工設(shè)定和自動(dòng)控制。

5·軟件開(kāi)發(fā)方案

用于Windows的新托管代碼編程模型。它將強(qiáng)大的功能與新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用于構(gòu)建具有視覺(jué)上引人注目的用戶體驗(yàn)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)邊界的無(wú)縫通信，并且能支持各種業(yè)務(wù)流程。具備開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的一切解決方案，包括驗(yàn)證、緩存、狀態(tài)管理、調(diào)試和部署等全部功能。在代碼撰寫(xiě)方面特色是將頁(yè)面邏輯和業(yè)務(wù)邏輯分開(kāi)，它分離程序代碼與顯示的內(nèi)容，讓豐富多彩的界面更容易撰寫(xiě)。同時(shí)使程序代碼看起來(lái)更潔凈、更簡(jiǎn)單。圖 8為本系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)。圖 9為軟件的所用功能。

圖8   系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)

圖9   軟件全部功能劃分

由于大型稱(chēng)重式蒸滲儀測(cè)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(fù)開(kāi)發(fā)工作量，提高軟件的通用性以及便于日后的功能擴(kuò)展，遵循軟件工程的思想，開(kāi)發(fā)了傳感器配置模塊（如圖 10），使得軟件能適應(yīng)不同測(cè)量需求的蒸滲儀需要，同時(shí)也能適應(yīng)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(guò)菜單操作等方式進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件MySQL進(jìn)行科研數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲(chǔ)存管理，并考慮到了系統(tǒng)擴(kuò)展性，可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行的操作，主要功能有：

1、232串口配置：主要設(shè)置232串口的名稱(chēng)、下位機(jī)的名稱(chēng)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式、采樣間隔

2、蒸滲儀參數(shù)測(cè)定：測(cè)定蒸滲儀的參數(shù)。

3、重量度量單位設(shè)置：設(shè)置重量參數(shù)。

4、歷史數(shù)據(jù)查詢、文本數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。

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

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收：對(duì)下位機(jī)發(fā)出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收命令，將下位機(jī)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖表形式加載到頁(yè)面，也可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

歷史數(shù)據(jù)接收：對(duì)下位機(jī)發(fā)出歷史數(shù)據(jù)接收命令，將下位機(jī)采集到的歷史數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

新數(shù)據(jù)接收：對(duì)下位機(jī)發(fā)出新數(shù)據(jù)接受命令，將下位機(jī)采集到的歷史數(shù)據(jù)按自定義的時(shí)間段存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

下位機(jī)管理：設(shè)置和讀取下位機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)涵蓋查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表模塊：系統(tǒng)有機(jī)地、創(chuàng)造性地將查詢、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表功能結(jié)合起來(lái)，提供了強(qiáng)大的查詢、報(bào)表打印功能，給工程分析提供了真實(shí)的、科學(xué)的依據(jù)。友好、簡(jiǎn)單的條件設(shè)置，便于人員使用。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能大限度地保護(hù)數(shù)據(jù)，便于查詢統(tǒng)計(jì)。

6·供電電源配置方案

整個(gè)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(diào)研情況了解到，施工地區(qū)地處空曠，經(jīng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，施工區(qū)的設(shè)備、設(shè)施易遭到雷擊，故電源系統(tǒng)需做防雷，防浪涌，有關(guān)防雷在5.3.8節(jié)中詳細(xì)敘述。整個(gè)系統(tǒng)供電功率約需350W（包含主控制器、線損和余量）

圖11   供電電源配置

7·控制中心布設(shè)方案

試驗(yàn)基地控制中心擬布設(shè)（圖12）并實(shí)現(xiàn)以下功能：

設(shè)置數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連接。該服務(wù)器對(duì)土壤測(cè)坑檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，具有稅局容量大、處理速度快、可靠性高等特點(diǎn)。

設(shè)置硬件防火墻，具有針對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)安全防火控制，并可進(jìn)行黑白名單設(shè)置，組織不信任區(qū)域?qū)Ρ鞠到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)資源的訪問(wèn)。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)，完成網(wǎng)絡(luò)中心的網(wǎng)絡(luò)連接，提供可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)端口。該類(lèi)型交換機(jī)有網(wǎng)絡(luò)管理接口，能提供24口個(gè)10/100M自適應(yīng)連接端口，并配置2個(gè)光纖插槽，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較大的擴(kuò)展能力。

設(shè)置路由器，對(duì)內(nèi)連接防火墻，對(duì)外連接中國(guó)移動(dòng)或中國(guó)電信的4-8M光纖專(zhuān)線。

設(shè)置應(yīng)用服務(wù)器，安裝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件完成客戶的數(shù)據(jù)處理和查詢需求。

圖12   控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

8·蒸滲儀土箱設(shè)計(jì)主要參數(shù)

1、材質(zhì)：不銹鋼，厚度10~15mm；

2、箱體高：1米；

3、箱體表面積：2平米；

4、總高度：1.5米；

5、箱體外經(jīng)：0.8米。

5、性能參數(shù)

1、土箱尺寸：             表面積1m²,深4m

2、土箱要求：             不銹鋼、厚度10~15mm

3、稱(chēng)重范圍：             0~45000.0kg，分辨率0.1kg

4、工作溫度：             -30℃~60℃

5、工作條件：             220V交流隔離供電

6、防雷指標(biāo)：             6000A

7、顯示屏：               4行中英文顯示

8、輸出：                 RS-485/RS232/WIFI

9、稱(chēng)重采樣速率：         1秒

10、填土方式：            擾動(dòng)土裝填