1、 產(chǎn)品簡介及設(shè)計目標
BN-ZTZS101型直稱式土壤蒸滲儀是我公司在現(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)更綜合的標準實驗設(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。空氣濕度、光照、降水等對應(yīng)相關(guān)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。
大型稱重式蒸滲儀,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(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)、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)計和布局。
圖1 土壤蒸滲儀整機總體結(jié)構(gòu)
2、 系統(tǒng)組成及總體結(jié)構(gòu)
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。
(4) 供排水系統(tǒng):由控制模塊、閥門和補水系統(tǒng)等組成。
BN-ZTZS101型直稱式蒸滲儀整機系統(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 | 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(shù)據(jù)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 |
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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(fā)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(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(gòu)原理如下圖3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3 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(shè)
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(zhì):不銹鋼,全焊接密封,并通過IP68工業(yè)防護等級標準;
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(wěn)定性,在2h內(nèi)向稱重傳感器加載3000Kg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(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)計定的周期保存,并且能通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機體包括物理設(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、標準規(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
其中物理設(shè)備層所有數(shù)據(jù)的自動化采集功能:網(wǎng)絡(luò)傳輸層利用Internet局域網(wǎng),實現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的遠程創(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,整合了實驗基地采集或?qū)肟蒲袛?shù)據(jù),向上提供有關(guān)數(shù)據(jù)動態(tài)交換、遠程輸出安監(jiān)控等數(shù)據(jù)服務(wù);科研業(yè)務(wù)與C/S方式提供諸如遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、科研數(shù)據(jù)下載、系統(tǒng)運行維護等業(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;標準規(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)(圖6)。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。
圖5 直稱是蒸滲儀采集模塊框圖
圖6 直稱式蒸滲儀數(shù)據(jù)采集與傳輸方案
4·產(chǎn)流(滲漏量)過程監(jiān)測及土箱補(排)水系統(tǒng)方案
在土箱底部設(shè)計有一定厚度(30cm)的過濾層,反濾層內(nèi)布設(shè)有管網(wǎng),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(wǎng)同時也隔離了固體物質(zhì)。采用連通器原理,土箱旁邊布設(shè)的液位瓶內(nèi)水位與土箱內(nèi)水位相同,用液位計實時監(jiān)測液位。工作中,當液位超過設(shè)定水位時排水電動閥打開進行系統(tǒng)排水,系統(tǒng)液位降低;當液位低于設(shè)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(tǒng)液位升高達到設(shè)定值,當系統(tǒng)液位達到設(shè)定液位時,供水或排水系統(tǒng)關(guān)閉,系統(tǒng)進入監(jiān)測判斷狀態(tài)。每個土箱設(shè)置一個補水子系統(tǒng),共5套補水子系統(tǒng),擬采用方案如圖7所示。
圖7 補(排)水系統(tǒng)方案
從蒸滲儀土表下滲的水分,當箱體內(nèi)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(tǒng)蒸發(fā)量計算。該子系統(tǒng)設(shè)計調(diào)控模式為人工設(shè)定和自動控制。
5·軟件開發(fā)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(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的應(yīng)用程序,實現(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 9為軟件的所用功能。
圖8 系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)
圖9 軟件全部功能劃分
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展,遵循軟件工程的思想,開發(fā)了傳感器配置模塊(如圖 10),使得軟件能適應(yīng)不同測量需求的蒸滲儀需要,同時也能適應(yīng)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(xiàn)為一系列Win界面,界面之間通過菜單操作等方式進行跳轉(zhuǎn)。
本系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫管理軟件MySQL進行科研數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲存管理,并考慮到了系統(tǒng)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(shè)置232串口的名稱、下位機的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗方式、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:
實時數(shù)據(jù)接收:對下位機發(fā)出實時數(shù)據(jù)接收命令,將下位機采集到的實時數(shù)據(jù)以動態(tài)圖表形式加載到頁面,也可將實時數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫。
歷史數(shù)據(jù)接收:對下位機發(fā)出歷史數(shù)據(jù)接收命令,將下位機采集到的歷史數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫。
新數(shù)據(jù)接收:對下位機發(fā)出新數(shù)據(jù)接受命令,將下位機采集到的歷史數(shù)據(jù)按自定義的時間段存入MySQL數(shù)據(jù)庫。
下位機管理:設(shè)置和讀取下位機的狀態(tài)參數(shù)。
數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)涵蓋查詢、統(tǒng)計、報表模塊:系統(tǒng)有機地、創(chuàng)造性地將查詢、統(tǒng)計和報表功能結(jié)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(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數(shù)據(jù),便于查詢統(tǒng)計。
6·供電電源配置方案
整個系統(tǒng)供電電源方案如圖11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。根據(jù)調(diào)研情況了解到,施工地區(qū)地處空曠,經(jīng)雷擊風險評估,施工區(qū)的設(shè)備、設(shè)施易遭到雷擊,故電源系統(tǒng)需做防雷,防浪涌,有關(guān)防雷在5.3.8節(jié)中詳細敘述。整個系統(tǒng)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(shè)方案
試驗基地控制中心擬布設(shè)(圖12)并實現(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)庫進行管理,具有稅局容量大、處理速度快、可靠性高等特點。
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,完成網(wǎng)絡(luò)中心的網(wǎng)絡(luò)連接,提供可擴展網(wǎng)絡(luò)端口。該類型交換機有網(wǎng)絡(luò)管理接口,能提供24口個10/100M自適應(yīng)連接端口,并配置2個光纖插槽,使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較大的擴展能力。
設(shè)置路由器,對內(nèi)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(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12 控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
8·蒸滲儀土箱設(shè)計主要參數(shù)
1、材質(zhì):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(jīng):0.8米。
5、性能參數(shù)
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