1、 產(chǎn)品簡介及設計目標

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、土壤物理學和微氣候?qū)W等學科領域不斷深入發(fā)展的基礎上，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(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。空氣濕度、光照、降水等對應相關參數(shù)，并對測量的數(shù)據(jù)進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(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)外有關系統(tǒng)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(shù)的測量精度；同時，進一步改善和提高了微型型稱重式蒸滲儀使用中的效率，降低了勞動強度和維護工作量。其筒體結構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，土箱的結構和儀器的數(shù)量和種類依據(jù)科研需求設計和布局。

微型直稱式土壤蒸滲儀整機總體結構

2、 系統(tǒng)組成及總體結構

微型直稱式土壤蒸滲儀整機系統(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系統(tǒng)（單套）

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(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構原理如下圖所示：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構

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)防護等級標準；

8） 耐化學腐蝕，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。我公司專門設計開發(fā)了稱重傳感器校驗設備和方法，對其量程、穩(wěn)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)文件的形式按設計定的周期保存，并且能通過網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機體包括物理設備層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、科研業(yè)務層4個層次，以及信息安全保障、標準規(guī)范建設兩個支撐體系。

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。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。在網(wǎng)絡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