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直稱式土壤蒸滲儀

簡介—— 1、 產品簡介及設計目標QYZS-ZC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

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1、 產品簡介及設計目標

QYZS-ZC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。該儀器采用先進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。

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 直稱式土壤蒸滲儀整機總體結構



2、 系統組成及總體結構

直稱式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。


QYZS-ZC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

2

滲漏傳感器

1

3

稱重平臺及土箱

1

4

數據采集器及主控制器

1

含控制模塊

5

土壤溫濕度傳感器

1

6

大氣溫濕度傳感器

1

7

光照傳感器

1

8

雨量傳感器

1

9

連接線纜及信號控制線

1

10

配套軟件

1


直稱式土壤蒸滲儀地表(照片)

直稱式土壤蒸滲儀箱體布局(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:

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

式中?S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,?R為凈地表徑流量,ET為蒸騰蒸發量。

對于蒸滲儀,?R一般可以忽略,方程1可改為

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

降水量(P)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(?S)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?S

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(Rg),Rg=Q,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一致,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?H

Eg=Q-a×?H (3)

如果地下水位下降了?H

Eg=b×?H-Q (4)

a和b為吸水和脫水實驗測定的系數。實際上a=b=?Q,?Q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:稱重系統采購專用的稱重傳感器,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.NET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唯一的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

Microsoft .NET Framework是用于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。.NET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


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