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西安清遠測控技術有限公司
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簡介—— 1、 產品簡介及設計目標QYZS-GG型杠桿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
1、 產品簡介及設計目標
QYZS-GG型杠桿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。
杠桿式蒸滲儀，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杠桿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）、杠桿稱重系統、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 杠桿式土壤蒸滲儀整機總體結構
2、 系統組成及總體結構
杠桿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、杠桿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-GG型直稱式蒸滲儀整機系統
| 序號 | 名稱 | 數量 | 備注 |
| 1 | 高精度稱重傳感器 | 12只 |
|
| 2 | 滲漏傳感器 | 12只 |
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| 3 | 4級杠桿稱重平臺及土箱 | 12套 | 含防蠕變系統 |
| 4 | 數據采集器及自動運行控制器 | 12臺 | 含控制模塊 |
| 5 | 大氣溫濕度傳感器 | 1個 | 多個蒸滲儀使用一套 |
| 6 | 光照傳感器 | ||
| 7 | 雨量傳感器 | ||
| 8 | 土壤溫度水分電導率傳感器 | 12*8個 |
|
| 9 | 土壤水勢傳感器 | 12*8個 |
|
| 10 | 土壤溶液提取裝置 | 12套 | 每套采樣8個點 |
| 11 | 連接線纜及信號控制線 | 1套 |
|
| 12 | 數據集中處理存儲軟件 | 1套 | 多個蒸滲儀使用一套 |
| 13 | 工業計算機及配套設施 | 1套 | 多個蒸滲儀使用一套 |
| 14 | UPS備用電源 | 4套 | 3個蒸滲儀使用一套 |
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：
?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 杠桿式蒸滲儀承重結構
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支點支撐稱重土箱，經過多級杠桿變送將力送至高精度傳感器。
圖4 杠桿式蒸滲儀杠桿圖片
圖5 選用高硬度刀頭照片
高精度稱重傳感器的主要性能指標如下：
1） 稱重范圍：±300mm；
2） 精度：±0.1mm；
3） 分辨率：0.01mm；
4） 稱重采樣速率：0.1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時不受壓力。并設計出一套杠桿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1~50Kg然后再依次減載的方法；為了測試其穩定性，在1h內向杠桿稱重傳感器加載100Kg重物，然后每10min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。
圖6 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。
圖7 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1個采集器模塊完成數據采集任務。每個采集模塊提供多路信號采集端子，每個端子所采集的信號均能轉換為485信號，通過485總線信號采樣模塊，可與控制柜一起組成485網絡。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的與組內模塊節點通信。
4·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8 系統軟件整體架構
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，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。
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。
5·供電電源配置方案
整個系統供電電源方案如圖9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。整個系統供電功率約需350W（包含主控制器、線損和余量）
圖9 供電電源配置
6·控制中心布設方案
試驗基地控制中心擬布設（圖10）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10 控制中心網絡結構
WEB數據平臺
7·蒸滲儀土箱各部分主要參數
| 名稱 | 實際參數 | 單位 | 數量 | 備注 |
| 土箱及杠桿系統 | 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 | 自動運行，保證稱重傳感器在非測量狀態時不受壓力。 | 套 | 1 |
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| 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、采樣瓶） | 電源電壓：AC220V 50HZ 吸引泵：活塞泵 極限負壓值：＞0.06MP | 套 | 1 |
|
| 土壤含水量溫度電導傳感器 | 土壤水分測量范圍0~99%； 溫度測量范圍-30～+70℃； 電導測量范圍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 |
| 自動運行控制器 | 制稱重裝置及防止稱重傳感器蠕變在設定的采用周期下自動穩定運行 | 套 | 1 |
|
| 數據采集器 | 可采樣1路滲漏量傳感器、8路土壤水分溫度電導率傳感器、8路水勢傳感器 | 套 | 1 |
|
| 工業計算機及配套設施 | 內存2G，500G硬盤，接口4個USB，一個網口，外殼IPC-810E，250W電源；配套掛式顯示器；配套1.6m網絡機柜；配套供電及通訊線路。 | 套 | 1 |
|
| 數據集中處理存儲軟件 | 軟件操Microsoft windows平臺上運行，具有自動調零、數據自動收集、自動分析、在線顯示操作狀態和測量數據以及變化曲線的功能。具有系統測量數據的定期采集、斷電時數據保存、復電后的恢復的能力，自由設定采樣間隔。存儲數據以EXCEL文件格式保存。 | 套 | 1 |
|
| UPS備用電源 | 有斷電保護措施，斷電供電功率不小于450w，市電斷電后可以保證設備連續工作12小時以上。 | 套 | 1 |
|
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