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?？諝鉂穸?、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。
大型稱重式蒸滲儀，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（主體系統的核心）、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
土壤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、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-ZTZS101型直稱式蒸滲儀整機系統（單套）
序號 | 名稱 | 數量 | 備注 |
1 | 高精度稱重傳感器 | 1只 |
|
2 | 滲漏傳感器 | 1只 |
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3 | 稱重平臺及土箱 | 1套 |
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4 | 數據采集器及主控制器 | 1臺 | 含控制模塊 |
5 | 土壤溫濕度傳感器 | 1套 |
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6 | 大氣溫濕度傳感器 | 1套 |
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7 | 光照傳感器 | 1套 |
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8 | 雨量傳感器 | 1套 |
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9 | 連接線纜及信號控制線 | 1套 |
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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：
(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3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20~3000Kg然后再依次減載的方法；為了測試其穩定性，在2h內向稱重傳感器加載3000Kg重物，然后每30min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。
稱重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。
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4個采集器模塊完成數據采集任務。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網絡（圖6）。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。
圖5 直稱是蒸滲儀采集模塊框圖
圖6 直稱式蒸滲儀數據采集與傳輸方案
4·產流（滲漏量）過程監測及土箱補（排）水系統方案
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，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排水，系統液位降低；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，使系統液位升高達到設定值，當系統液位達到設定液位時，供水或排水系統關閉，系統進入監測判斷狀態。每個土箱設置一個補水子系統，共5套補水子系統，擬采用方案如圖7所示。
圖7 補（排）水系統方案
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，參與整個系統蒸發量計算。該子系統設計調控模式為人工設定和自動控制。
5·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 9為軟件的所用功能。
圖8 系統軟件整體架構
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（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。
6·供電電源配置方案
整個系統供電電源方案如圖11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。根據調研情況了解到，施工地區地處空曠，經雷擊風險評估，施工區的設備、設施易遭到雷擊，故電源系統需做防雷，防浪涌，有關防雷在5.3.8節中詳細敘述。整個系統供電功率約需350W（包含主控制器、線損和余量）
圖11 供電電源配置
7·控制中心布設方案
試驗基地控制中心擬布設（圖12）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，對外連接中國移動或中國電信的4-8M光纖專線。
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12 控制中心網絡結構
8·蒸滲儀土箱設計主要參數
1、材質：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：0.8米。
5、性能參數
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
