1、 產(chǎn)品簡介及設(shè)計(jì)目標(biāo)
BN-GTZS103型杠桿式土壤蒸滲儀是北京波恩儀器公司在現(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(shí)驗(yàn)設(shè)備。其通過對被測土壤(原狀土或人工配置實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(shí)檢測被測土體水分蒸騰蒸發(fā)、滲漏隨時(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)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。
杠桿式蒸滲儀,是我公司在充分汲取國內(nèi)外有關(guān)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)研制的新款設(shè)備。其主要特點(diǎn)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(shí),進(jìn)一步改善和提高了大型杠桿式蒸滲儀使用中的人機(jī)接口(HMI)效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)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)、杠桿稱重系統(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(jì)和布局。
圖1 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)
杠桿式蒸滲儀整機(jī)系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分,共四個(gè)板塊:
(1) 測量部分:由土箱、杠桿稱重系統(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(bǔ)水系統(tǒng)等組成。
BN-GTZS103型直稱式蒸滲儀整機(jī)系統(tǒng)
序號 | 名稱 | 數(shù)量 | 備注 | 型號 |
1 | 高精度稱重傳感器 | 12只 |
| BN-CZ01 |
2 | 滲漏傳感器 | 12只 |
| BN-SL02 |
3 | 4級杠桿稱重平臺及土箱 | 12套 | 含防蠕變系統(tǒng) | BN-TX03 |
4 | 數(shù)據(jù)采集器及自動(dòng)運(yùn)行控制器 | 12臺 | 含控制模塊 | BN-KZQ04 |
5 | 大氣溫濕度傳感器 | 1個(gè) | 多個(gè)蒸滲儀使用一套 | BN-DQWS05 |
6 | 光照傳感器 | BN-GZ06 | ||
7 | 雨量傳感器 | BN-YL07 | ||
8 | 土壤溫度水分電導(dǎo)率傳感器 | 12*8個(gè) |
| BN-TRS08 |
9 | 土壤水勢傳感器 | 12*8個(gè) |
| BN-TSS09 |
10 | 土壤溶液提取裝置 | 12套 | 每套采樣8個(gè)點(diǎn) | BN-TRY10 |
11 | 連接線纜及信號控制線 | 1套 |
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12 | 數(shù)據(jù)集中處理存儲軟件 | 1套 | 多個(gè)蒸滲儀使用一套 |
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13 | 工業(yè)計(jì)算機(jī)及配套設(shè)施 | 1套 | 多個(gè)蒸滲儀使用一套 |
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14 | UPS備用電源 | 4套 | 3個(gè)蒸滲儀使用一套 |
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圖2 杠桿式土壤蒸滲儀地表(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(jì)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(shí),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(jì)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(shí)驗(yàn)測定的系數(shù)。實(shí)際上,為地下水位上升或下降時(shí)含水量的變化,可有水位計(jì)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。
圖杠桿式蒸滲儀承重結(jié)構(gòu)
稱重傳感器采用高精度稱重傳感器,在杠桿稱重平臺下四個(gè)支點(diǎn)支撐稱重土箱,經(jīng)過多級杠桿變送將力送至高精度傳感器。
圖杠桿式蒸滲儀杠桿圖片
圖選用高硬度刀頭照片
高精度稱重傳感器的主要性能指標(biāo)如下:
1) 稱重范圍:±;
2) 精度:±;
3) 分辨率:;
4) 稱重采樣速率:秒。
由于杠桿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(jì)開發(fā)了防止稱重傳感器蠕變裝置,該裝置保證稱重傳感器在非測量狀態(tài)時(shí)不受壓力。并設(shè)計(jì)出一套杠桿稱重傳感器校驗(yàn)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(yàn)。如量程的測試采用依次加載已知重量砝碼1~50Kg然后再依次減載的方法;為了測試其穩(wěn)定性,在1h內(nèi)向杠桿稱重傳感器加載100Kg重物,然后每10min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。
圖傳感器實(shí)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(jì)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(gè)層次,以及信息安全保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)兩個(gè)支撐體系。
圖7 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(dòng)化采集功能:網(wǎng)絡(luò)傳輸層利用Internet局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)基地采集或?qū)肟蒲袛?shù)據(jù),向上提供有關(guān)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換、遠(yuǎn)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、科研數(shù)據(jù)下載、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目共需1個(gè)采集器模塊完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。每個(gè)采集模塊提供多路信號采集端子,每個(gè)端子所采集的信號均能轉(zhuǎn)換為485信號,通過485總線信號采樣模塊,可與控制柜一起組成485網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)采集模塊有其固定的節(jié)點(diǎn)地址,控制柜通過這個(gè)地址可與組內(nèi)模塊節(jié)點(diǎn)通信。
4·軟件開發(fā)方案
用于Windows的新托管代碼編程模型。它將強(qiáng)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(yàn)的應(yīng)用程序,實(shí)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(yàn)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(shí)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8 系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)
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(kuò)展,遵循軟件工程的思想,開發(fā)了傳感器配置模塊,使得軟件能適應(yīng)不同測量需求的蒸滲儀需要,同時(shí)也能適應(yīng)硬件的剪裁。
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(jìn)行跳轉(zhuǎn)。
本系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫管理軟件MySQL進(jìn)行科研數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲存管理,并考慮到了系統(tǒng)擴(kuò)展性,可對下位機(jī)進(jìn)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(jī)的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)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(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收:對下位機(jī)發(fā)出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收命令,將下位機(jī)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖表形式加載到頁面,也可將實(shí)時(shí)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(jī)發(fā)出歷史數(shù)據(jù)接收命令,將下位機(jī)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(jī)發(fā)出新數(shù)據(jù)接受命令,將下位機(jī)采集到的歷史數(shù)據(jù)按自定義的時(shí)間段存入MySQL數(shù)據(jù)庫。
下位機(jī)管理:設(shè)置和讀取下位機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。
數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)涵蓋查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表模塊:系統(tǒng)有機(jī)地、創(chuàng)造性地將查詢、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表功能結(jié)合起來,提供了強(qiáng)大的查詢、報(bào)表打印功能,給工程分析提供了真實(shí)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(hù)數(shù)據(jù),便于查詢統(tǒng)計(jì)。
5·供電電源配置方案
整個(gè)系統(tǒng)供電電源方案如圖9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。整個(gè)系統(tǒng)供電功率約需350W(包含主控制器、線損和余量)
圖9 供電電源配置
6·控制中心布設(shè)方案
試驗(yàn)基地控制中心擬布設(shè)(圖10)并實(shí)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(jī)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(jìn)行管理,具有稅局容量大、處理速度快、可靠性高等特點(diǎn)。
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(jìn)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(jī),完成網(wǎng)絡(luò)中心的網(wǎng)絡(luò)連接,提供可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)端口。該類型交換機(jī)有網(wǎng)絡(luò)管理接口,能提供24口個(gè)10/100M自適應(yīng)連接端口,并配置2個(gè)光纖插槽,使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較大的擴(kuò)展能力。
設(shè)置路由器,對內(nèi)連接防火墻,對外連接專線。
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10 控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
7·蒸滲儀土箱各部分主要參數(shù)
名稱 | 實(shí)際參數(shù) | 單位 | 數(shù)量 | 備注 |
土箱及杠桿系統(tǒng) | 2m*2m*2.4m 整體選用不銹鋼板制成 厚度:4`12mm | 套 | 1 | 定制尺寸 |
高精稱重傳感器(高精度電子秤) |
| 臺 | 1 |
|
防蠕變裝置 | 自動(dòng)運(yùn)行,保證稱重傳感器在非測量狀態(tài)時(shí)不受壓力。 | 套 | 1 |
|
滲漏傳感器 | 分辨率0.01mm水深,精度±0.01mm水深 | 臺 | 1 |
|
土壤溶液提取裝置(陶瓷頭、抽氣機(jī)、采樣瓶) | 電源電壓:AC220V 50HZ 吸引泵:活塞泵 極限負(fù)壓值:>0.06MP | 套 | 1 |
|
土壤含水量溫度電導(dǎo)傳感器 | 土壤水分測量范圍0~100%; 溫度測量范圍-30~+70℃; 電導(dǎo)測量范圍0~20dS/m。 土壤水分測量分辨率0.1%; 溫度測量分辨率±0.1℃; 鹽分測量分辨率0.01dS/m。 土壤水分測量精度2%; 溫度測量精度±0.2℃; 鹽分測量精度±2%。 | 套 | 8 | 選配 |
土壤水勢傳感器 | 測量范圍:±100kPa,分辨率0.1kPa。 | 套 | 8 | 選配 |
自動(dòng)運(yùn)行控制器 | 制稱重裝置及防止稱重傳感器蠕變在設(shè)定的采用周期下自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行 | 套 | 1 |
|
數(shù)據(jù)采集器 | 可采樣1路滲漏量傳感器、8路土壤水分溫度電導(dǎo)率傳感器、8路水勢傳感器 | 套 | 1 |
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工業(yè)計(jì)算機(jī)及配套設(shè)施 | 內(nèi)存2G,500G硬盤,接口4個(gè)USB,一個(gè)網(wǎng)口,外殼IPC-810E,250W電源;配套掛式顯示器;配套1.6m網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜;配套供電及通訊線路。 | 套 | 1 |
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數(shù)據(jù)集中處理存儲軟件 | 軟件操Microsoft windows平臺上運(yùn)行,具有自動(dòng)調(diào)零、數(shù)據(jù)自動(dòng)收集、自動(dòng)分析、在線顯示操作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)以及變化曲線的功能。具有系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的定期采集、斷電時(shí)數(shù)據(jù)保存、復(fù)電后的恢復(fù)的能力,自由設(shè)定采樣間隔。存儲數(shù)據(jù)以EXCEL文件格式保存。 | 套 | 1 |
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UPS備用電源 | 有斷電保護(hù)措施,斷電供電功率不小于450w,市電斷電后可以保證設(shè)備連續(xù)工作12小時(shí)以上。 | 套 | 1 |
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