1、 產品簡介及設計目標

BN-GTZS103型杠桿式土壤蒸滲儀是北京波恩儀器公司在現代電子技術、土壤物理學和微氣候學等學科領域不斷深入發展的基礎上，為測定農田蒸騰蒸發和地下水-土壤水轉化而研發生產的一種更系統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）水循環的記錄分析，以研究農作物的耗水規律和SPAC系統中水分運移轉化規律。該儀器采用的高分辨率稱重系統，配置了智能數據采集器和信號傳感器，可同時檢測被測土體水分蒸騰蒸發、滲漏隨時間的微小變化及氣溫。空氣濕度、光照、降水等對應相關參數，并對測量的數據進行實時在線快速分析處理、記錄儲存，做到了數據采集的高速化、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系統水文循環的長期監測。

杠桿式蒸滲儀，是我公司在充分汲取國內外有關系統特點的基礎上，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的測量精度；同時，進一步改善和提高了大型杠桿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（主體系統的核心）、杠桿稱重系統、供排水系統和數據采集與監控系統。蒸滲儀的主題系統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量和種類依據科研需求設計和布局。

圖1 土壤蒸滲儀整機總體結構

2、 系統組成及總體結構

杠桿式蒸滲儀整機系統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、杠桿稱重系統平臺以及配套傳感器等組成、

（2）  數據傳輸部分：由數據轉換模塊、放大器及供電系統等組成。

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

（4）  供排水系統：由控制模塊、閥門和補水系統等組成。

BN-GTZS103型直稱式蒸滲儀整機系統

圖2 杠桿式土壤蒸滲儀地表（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：

•  (1)

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為蒸騰蒸發量。

對于蒸滲儀，一般可以忽略，方程可改為

•  （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來測量。

地下水流Q代表由蒸滲儀供排水系統供進和排出的土柱的水量。在地下水位不發生變化時，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。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所示：稱重系統采購的稱重傳感器，作用在稱重平臺上，直接稱重土箱的總重量。

圖杠桿式蒸滲儀承重結構

稱重傳感器采用高精度稱重傳感器，在杠桿稱重平臺下四個支點支撐稱重土箱，經過多級杠桿變送將力送至高精度傳感器。

圖杠桿式蒸滲儀杠桿圖片

圖選用高硬度刀頭照片

高精度稱重傳感器的主要性能指標如下：

1） 稱重范圍：±；

2） 精度：±；

3） 分辨率：；

4） 稱重采樣速率：秒。

由于杠桿稱重傳感器固有的零漂和蠕變特性，在長期受力狀態下不可避免影響測量精度，并且每只傳感器的誤差參數又不同。我公司專門設計開發了防止稱重傳感器蠕變裝置，該裝置保證稱重傳感器在非測量狀態時不受壓力。并設計出一套杠桿稱重傳感器校驗設備和方法，對其量程、穩定性、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1~50Kg然后再依次減載的方法；為了測試其穩定性，在1h內向杠桿稱重傳感器加載100Kg重物，然后每10min測量度數，判斷其穩定。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。

圖傳感器實際安裝結構照片

3·數據采集原理及方案

本系統的數據采集全部為智能化采集，數據可直接保存到數據庫中，也可以數據文件的形式按設計定的周期保存，并且能通過網絡進行遠程數據傳遞和狀態監控。機體包括物理設備層、網絡傳輸層、數據資源層、科研業務層4個層次，以及信息安全保障、標準規范建設兩個支撐體系。

圖7 稱重式蒸滲儀測控系統組成框圖

其中物理設備層所有數據的自動化采集功能：網絡傳輸層利用Internet局域網，實現科研數據的遠程創術與監控功能；數據資源層為基于數據管理服務器，整合了實驗基地采集或導入科研數據，向上提供有關數據動態交換、遠程輸出安監控等數據服務；科研業務與C/S方式提供諸如遠程數據監控、科研數據下載、系統運行維護等業務；信息安全保障體系通過數據傳輸加密、用戶鑒權等方式，保障系統安全；標準規范建設體系包括科研數據格式規范、數據傳輸協議等建設內容。

本項目共需1個采集器模塊完成數據采集任務。每個采集模塊提供多路信號采集端子，每個端子所采集的信號均能轉換為485信號，通過485總線信號采樣模塊，可與控制柜一起組成485網絡。在網絡中每個采集模塊有其固定的節點地址，控制柜通過這個地址可與組內模塊節點通信。

4·軟件開發方案

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，實現跨技術邊界的無縫通信，并且能支持各種業務流程。具備開發應用程序的一切解決方案，包括驗證、緩存、狀態管理、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為本系統軟件系統的整體架構。

圖8 系統軟件整體架構

由于大型稱重式蒸滲儀測控系統多為根據用戶需要量身定制，我公司為了減少軟件的重復開發工作量，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，開發了傳感器配置模塊，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。

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

本系統選用數據庫管理軟件MySQL進行科研數據的統一儲存管理，并考慮到了系統擴展性，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、數據位、停止位、校驗方式、采樣間隔

2、蒸滲儀參數測定：測定蒸滲儀的參數。

3、重量度量單位設置：設置重量參數。

4、歷史數據查詢、文本數據導入功能。

下位機操作子系統涵蓋了對數據采集器發出的各種命令。主要的模塊有：

實時數據接收：對下位機發出實時數據接收命令，將下位機采集到的實時數據以動態圖表形式加載到頁面，也可將實時數據保存到MySQL數據庫。

歷史數據接收：對下位機發出歷史數據接收命令，將下位機采集到的歷史數據保存到MySQL數據庫。

新數據接收：對下位機發出新數據接受命令，將下位機采集到的歷史數據按自定義的時間段存入MySQL數據庫。

下位機管理：設置和讀取下位機的狀態參數。

數據管理子系統涵蓋查詢、統計、報表模塊：系統有機地、創造性地將查詢、統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。友好、簡單的條件設置，便于人員使用。

數據導入導出功能大限度地保護數據，便于查詢統計。

5·供電電源配置方案

整個系統供電電源方案如圖9所示，220V交流電經變壓整流為24V為傳感器供電，另外此24V再經電源模塊后輸出5V為控制柜供電。整個系統供電功率約需350W（包含主控制器、線損和余量）

圖9 供電電源配置

6·控制中心布設方案

試驗基地控制中心擬布設（圖10）并實現以下功能：

設置數據中心服務器，與網絡交換機相連接。該服務器對土壤測坑檢測數據系統的數據庫進行管理，具有稅局容量大、處理速度快、可靠性高等特點。

設置硬件防火墻，具有針對外部網絡訪問安全防火控制，并可進行黑白名單設置，組織不信任區域對本系統網絡和數據資源的訪問。

設置網絡中心交換機，完成網絡中心的網絡連接，提供可擴展網絡端口。該類型交換機有網絡管理接口，能提供24口個10/100M自適應連接端口，并配置2個光纖插槽，使網絡系統具有較大的擴展能力。

設置路由器，對內連接防火墻，對外連接專線。

設置應用服務器，安裝數據管理系統軟件完成客戶的數據處理和查詢需求。

圖10 控制中心網絡結構

7·蒸滲儀土箱各部分主要參數