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                        直称式土壤蒸渗仪

                        简介—— 1、 产品简介及设计目标QYZS-ZC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

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                        1、 产品简介及设计目标

                        QYZS-ZC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??掌?、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 直称式土壤蒸渗仪整机总体结构



                        2、 系统组成及总体结构

                        直称式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???、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???、阀门和补水系统等组成。


                        QYZS-ZC型直称式蒸渗仪整机系统(单套)

                        序号

                        名称

                        数量

                        备注

                        1

                        高精度称重传感器

                        1

                        2

                        渗漏传感器

                        1

                        3

                        称重平台及土箱

                        1

                        4

                        数据采集器及主控制器

                        1

                        含控制???/span>

                        5

                        土壤温湿度传感器

                        1

                        6

                        大气温湿度传感器

                        1

                        7

                        光照传感器

                        1

                        8

                        雨量传感器

                        1

                        9

                        连接线缆及信号控制线

                        1

                        10

                        配套软件

                        1


                        直称式土壤蒸渗仪地表(照片)

                        直称式土壤蒸渗仪箱体布局(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:

                        ?S=P+I+Q-?R-ET (1)

                        式中?S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,?R为净地表径流量,ET为蒸腾蒸发量。

                        对于蒸渗仪,?R一般可以忽略,方程1可改为

                        ET=P+I+Q-?S (2)

                        降水量(P)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(?S)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?S。

                        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(Rg),Rg=Q,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一致,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?H

                        Eg=Q-a×?H (3)

                        如果地下水位下降了?H

                        Eg=b×?H-Q (4)

                        a和b为吸水和脱水实验测定的系数。实际上a=b=?Q,?Q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:称重系统采购专用的称重传感器,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?;灏ㄎ锢砩璞覆?、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.NET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??橥瓿墒莶杉挝?。每个采集??樘峁?2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???,可与控制柜一起组成485网络(图6)。在网络中每个采集??橛衅涔潭ǖ慕诘愕刂?,控制柜通过这个地址可唯一的与组内??榻诘阃ㄐ?。

                        图5   直称是蒸渗仪采集??榭蛲?/b>

                        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

                        Microsoft .NET Framework是用于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。.NET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??椋ㄈ缤?nbsp;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??橛校?

                        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??椋合低秤谢?、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?;な?,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??楹笫涑?V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

                        数据平台

                        在线留言

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