1、 產(chǎn)品簡介及設(shè)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(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)更綜合的標準實驗設(shè)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(nóng)作物的耗水規(guī)律和SPAC系統(tǒng)中水分運移轉(zhuǎn)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。空氣濕度、光照、降水等對應(yīng)相關(guān)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(nóng)田、草原、森林及河流濕地等生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的長期監(jiān)測。

大型稱重式蒸滲儀，是我公司在充分汲取國內(nèi)外有關(guān)系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計研制的新款設(shè)備。其主要特點是：緊跟傳感器技術(shù)和檢測技術(shù)的革新提高了相關(guān)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(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(jié)構(gòu)和儀器的數(shù)量和種類依據(jù)科研需求設(shè)計和布局。

圖1 土壤蒸滲儀整機總體結(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(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）

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：

•  (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(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(dǎo)致水分的損失，這些較難測量，所以產(chǎn)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(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(gòu)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(jié)構(gòu)

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(shè)

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(zhì)：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(xué)腐蝕，五年質(zhì)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(shè)計開發(fā)了稱重傳感器校驗設(shè)備和方法，對其量程、穩(wěn)定性、重復(fù)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(nèi)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(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)庫中，也可以數(shù)據(jù)文件的形式按設(shè)計定的周期保存，并且能通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機體包括物理設(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個層次，以及信息安全保障、標準規(guī)范建設(shè)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(shè)備層所有數(shù)據(jù)的自動化采集功能：網(wǎng)絡(luò)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(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，整合了實驗基地采集或?qū)肟蒲袛?shù)據(jù)，向上提供有關(guān)數(shù)據(jù)動態(tài)交換、遠程輸出安監(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(wù)；信息安全保障體系通過數(shù)據(jù)傳輸加密、用戶鑒權(quán)等方式，保障系統(tǒng)安全；標準規(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。

本項目共需4個采集器模塊完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。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(zhuǎn)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(luò)（圖6）。在網(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(chǎn)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(shè)計有一定厚度（30cm）的過濾層，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，土壤中的水分可進出管網(wǎng)同時也隔離了固體物質(zhì)。采用連通器原理，土箱旁邊布設(shè)的液位瓶內(nèi)水位與土箱內(nèi)水位相同，用液位計實時監(jiān)測液位。工作中，當液位超過設(shè)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(shè)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(shè)定值，當系統(tǒng)液位達到設(shè)定液位時，供水或排水系統(tǒng)關(guān)閉，系統(tǒng)進入監(jiān)測判斷狀態(tài)。每個土箱設(shè)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(nèi)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(shè)計調(diào)控模式為人工設(shè)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(shù)結(jié)合起來，用于構(gòu)建具有視覺上引人注目的用戶體驗的應(yīng)用程序，實現(xiàn)跨技術(shù)邊界的無縫通信，并且能支持各種業(yè)務(wù)流程。具備開發(fā)應(yīng)用程序的一切解決方案，包括驗證、緩存、狀態(tài)管理、調(diào)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(wù)邏輯分開，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。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(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(fù)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(yīng)不同測量需求的蒸滲儀需要，同時也能適應(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，界面之間通過菜單操作等方式進行跳轉(zhuǎn)。

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(shè)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(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(shè)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(jié)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(xué)的依據(jù)。友好、簡單的條件設(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(diào)研情況了解到，施工地區(qū)地處空曠，經(jīng)雷擊風(fēng)險評估，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）

圖11   供電電源配置

7·控制中心布設(shè)方案

試驗基地控制中心擬布設(shè)（圖12）并實現(xiàn)以下功能：

設(shè)置數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，與網(wǎng)絡(luò)交換機相連接。該服務(wù)器對土壤測坑檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shè)置硬件防火墻，具有針對外部網(wǎng)絡(luò)訪問安全防火控制，并可進行黑白名單設(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。

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

設(shè)置路由器，對內(nèi)連接防火墻，對外連接中國移動或中國電信的4-8M光纖專線。

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：             6000A

7、顯示屏：               4行中英文顯示

8、輸出：                 RS-485/RS232/WIFI

9、稱重采樣速率：         1秒

10、填土方式：            擾動土裝填