1、 產(chǎn)品簡介及設(shè)計目標(biāo)
BN-ZSY100型直稱式土壤蒸滲儀是波恩儀器公司在現(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(biāo)準(zhǔn)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??諝鉂穸取⒐庹?、降水等對應(yīng)相關(guān)參數(shù),并對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)確化和人性化,大大提高了工作效率,降低了勞動強(qiáng)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。
微型蒸滲儀,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(jìn)一步改善和提高了微型型稱重式蒸滲儀使用中的效率,降低了勞動強(qiáng)度和維護(hù)工作量。其筒體結(jié)構(gòu)與工作原理如圖所示,主要包括土箱體(主體系統(tǒng)的核心)、稱重系統(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。
微型直稱式土壤蒸滲儀整機(jī)總體結(jié)構(gòu)
2、 系統(tǒng)組成及總體結(jié)構(gòu)
微型直稱式土壤蒸滲儀整機(jī)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。
BN-ZSY100型直稱式蒸滲儀整機(jī)系統(tǒng)(單套)
序號 | 名稱 | 數(shù)量 | 備注 |
1 | 高精度稱重傳感器 | 1只 |
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2 | 稱重平臺及土箱 | 1套 |
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3 | 數(shù)據(jù)采集器及主控制器 | 1臺 | 含控制模塊 |
4 | 稱重顯示控制器 | 1套 |
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5 | 連接線纜及信號控制線 | 1套 |
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6 | 備電箱和太陽能電池板及蓄電池 | 1套 |
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7 | 配套軟件 | 1套 |
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微型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:
- (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(jìn)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(bǔ)給量(Eg)Eg=Q,由土柱排出的水量為地下水補(bǔ)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(bǔ)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(jī)構(gòu)原理如下圖所示: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。
微型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,在稱重平臺下個支點支撐稱重土箱,支點放置一個稱重傳感器稱重計算。
選用稱重傳感器照片
稱重傳感器的主要性能指標(biāo)如下:
1) 稱重范圍:,分辨率;
2) 精度:;
3) 分辨率:;
4) 綜合精度:;
5) 稱重采樣速率:秒;
6) 輸出阻抗:();
7) 材質(zhì):不銹鋼或塑料,全焊接密封,并通過工業(yè)防護(hù)等級標(biāo)準(zhǔn);
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(jìn)行測試和校驗。如量程的測試采用依次加載已知重量砝碼2~300Kg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300Kg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10g、20g、20g、30g、20g、100g、100g、200g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。
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(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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
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)。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。
直稱是蒸滲儀采集模塊框圖
4、性能參數(shù)
1、土箱尺寸: 表面積0.5m²,深1m
2、土箱要求: 塑料、厚度5~11mm
3、稱重范圍: 0~500.0kg,分辨率0.05kg
4、工作溫度: -30℃~60℃
5、工作條件: 220V交流隔離供電或太陽能
6、顯示屏: 4行中英文字符
7、輸出: RS-485/RS232/WIFI
8、稱重采樣速率: 60秒