多參數(shù)全自動(dòng)稱重式地中蒸滲儀說(shuō)明書
蒸滲儀是應(yīng)用水量平衡原理，推求平衡因素中某些難以直接測(cè)定的或需研究的某些因素的變化過(guò)程。
蒸滲儀的基本工作原理：被測(cè)土柱水量平衡方程： △S = P+I+Q-△R–ET 。
上式中：△S為土壤儲(chǔ)存水量的變化，P為降水量，I為灌溉量，Q為滲漏水量，△R為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發(fā)量。其中降水量（P）和灌溉量（I）可以由雨量計(jì)和水表直接測(cè)得，滲漏水量和地表徑流量也可用專用設(shè)備測(cè)量得到。但土壤儲(chǔ)存水量的變化量（△S）代表降水或灌溉后水分的增加，或測(cè)量蒸騰蒸發(fā)作用導(dǎo)致水分的損失，這些較難測(cè)量，所以研發(fā)了高精度的稱重式蒸滲儀系統(tǒng)來(lái)測(cè)量△S。
多參數(shù)自動(dòng)稱重式蒸滲儀是一種自動(dòng)測(cè)試、記錄、存儲(chǔ)、輸出試體重量，可精確量化土壤水分變化，準(zhǔn)確測(cè)定土壤蒸散發(fā)量和土壤水勢(shì)、土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率等剖面變化的設(shè)備。為水文循環(huán)中的土壤水下滲、地表徑流、地下徑流等過(guò)程和研究農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水～土壤水轉(zhuǎn)化關(guān)系，提供更系統(tǒng)、更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的測(cè)量工具。
1、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀的工作原理
直稱固定型自動(dòng)電子稱重式蒸滲儀是把壓力傳感器固定在鋼結(jié)構(gòu)底座上，被稱土壤測(cè)筒平置于稱重底座的傳感器之上，直接稱量土壤測(cè)筒中水分的變化。直接稱重系統(tǒng)消除了杠桿式稱重測(cè)量的轉(zhuǎn)換誤差及懸臂式測(cè)量系統(tǒng)受風(fēng)和形變帶來(lái)的誤差，稱重分辨率可達(dá)100克。
2、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀具備以下主要功能
(1)測(cè)量具有地下水毛管上升補(bǔ)給條件下的農(nóng)田實(shí)際蒸散發(fā)量和潛水蒸發(fā)量，進(jìn)而分析和研究地下水對(duì)農(nóng)田蒸散發(fā)的作用和貢獻(xiàn)。
(2)研究不同土壤類型、不同地下水埋深對(duì)農(nóng)田蒸發(fā)和土壤入滲的影響
(3)研究作物耗水量、棵間蒸發(fā)量和合理的農(nóng)田灌溉制度
(4)建立SPAC系統(tǒng)分析模型，優(yōu)選和確定各類參數(shù)
(5)研究與水分運(yùn)動(dòng)有關(guān)的土壤養(yǎng)分、化學(xué)元素和污染物質(zhì)在土壤中運(yùn)移和轉(zhuǎn)化的規(guī)律?？傊撎自O(shè)備是開(kāi)展四水轉(zhuǎn)換研究的重要手段，同時(shí)還可用于研究農(nóng)田其他物質(zhì)流和能量傳輸規(guī)律和機(jī)理，根據(jù)設(shè)計(jì)和制作要求，與國(guó)內(nèi)外已有地中蒸滲儀比較，具有規(guī)模大、測(cè)量精度高和功能多樣化的特點(diǎn)。
3、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀有如下的特點(diǎn)
(1)儀器是只讀和存貯式的、它通過(guò)電路的特殊調(diào)試將重量值(kg)轉(zhuǎn)換成蒸滲量。
⑵儀器具有定時(shí)貯存、顯示、打印功能，可人工和計(jì)算機(jī)觀測(cè)和控制。即當(dāng)?shù)皆O(shè)置的時(shí)間儀器自動(dòng)貯存、顯示當(dāng)前的重量，兩次數(shù)值的差值為蒸滲量。
(3)地下室是保護(hù)四周土壤不接觸到盛土容器的作用，蒸滲儀內(nèi)筒的土壤條件和植物生長(zhǎng)與大田基本一致，其測(cè)量結(jié)果能代表大田的實(shí)際情況。
(4)本儀器對(duì)指導(dǎo)農(nóng)作物、牧草和林業(yè)的合理用水，對(duì)于研究土壤一植物一大氣系統(tǒng)中水分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，制定合理科學(xué)的灌溉制度、節(jié)約用水、促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)都將產(chǎn)生積極的作用。
4、多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀的結(jié)構(gòu)及組成
多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀由地下室、稱重底盤、壓力傳感器、盛土容器(土筒)、滲漏水計(jì)量裝置、地表徑流計(jì)量裝置和其它設(shè)備（土壤水分測(cè)量?jī)x、張力計(jì)、土壤溶液取樣、地溫、電導(dǎo)率測(cè)量等）及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，主要用于定點(diǎn)測(cè)定根系較深的作物蒸散量和滲漏量。
⑴蒸滲儀防護(hù)地下室
蒸滲儀防護(hù)地下室是保護(hù)四周土壤不接觸到盛土容器(內(nèi)筒)，減少了對(duì)大田土壤的擾動(dòng)，雖造價(jià)較高，但對(duì)土壤測(cè)筒的安裝、維護(hù)提供極大方便，蒸滲儀地下室外的土壤條件和植物生長(zhǎng)與大田基本一致。地下室的建造綜合考慮冬季土壤低溫凍脹、土體深度以及便于定位稱重等因素，根據(jù)地下水位埋深及土壤結(jié)構(gòu)的具體情況，本文選用鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且加裝保溫防凍措施，使蒸滲儀在外界-40℃的低溫環(huán)境下能正常工作。
地下室形狀為長(zhǎng)方形形，室內(nèi)面積為4.5×2.8米。側(cè)壁為25cm厚的鋼筋混凝土，底板為30cm厚的鋼筋混凝土，地下室深度為2.2m, 地下室上部開(kāi)有直徑1.3米園孔，用于安裝土壤測(cè)筒。土壤測(cè)筒上沿5厘米處安裝向下擴(kuò)展的不銹鋼防風(fēng)防雨圈。
⑶稱重底座和壓力傳感器
在稱重方式上,選用了固定直接稱重的電子稱重蒸滲儀。固定直稱式電子稱重式蒸滲儀通過(guò)3個(gè)量程為2200kg的C6級(jí)壓力傳感器把士壤測(cè)筒重量(kg)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)化為蒸滲量(mm)，精度高，操作簡(jiǎn)單。
稱重傳感器是自動(dòng)稱重式蒸滲儀的技術(shù)核心，設(shè)計(jì)采用3支重量傳感器安裝在夾角120°的鋼制傘形“人” 字稱重底盤下端，選用多個(gè)壓力傳感器的目的是為了提高測(cè)量精度。
稱重底盤座落在直徑140厘米的鋼筋混凝土基座上與測(cè)簡(jiǎn)直接接觸，物體重心與稱重系統(tǒng)的重心保持在一條垂線上，使傳感器受力均勻。該系統(tǒng)稱量范圍為6.6t， 稱量鑒別力達(dá)到200g， 按照灌溉試驗(yàn)中準(zhǔn)確反應(yīng)0.1mm蒸散量變化要求， 滿足該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)要求。蒸滲儀稱重底盤的示意圖見(jiàn)圖3
稱量：2.2T
準(zhǔn)確度等級(jí) C6
安全極限載荷 150%R.C
激勵(lì)電壓 5-15V DC
絕緣電阻 ≥5000 MΩ
靈敏度 1.9407 mv/V;
零點(diǎn)輸出 ＜1% R.C
輸入阻抗 384±10Ω
輸出阻抗 350±2Ω
最小檢定分度值 200g
⑷蒸滲儀盛土容器(土筒)
本設(shè)計(jì)根據(jù)用戶要求蒸滲儀盛土容器(土筒)形狀為圓形，圓形測(cè)筒可消除了方形測(cè)筒直角對(duì)土壤的應(yīng)力不均勻，干擾土壤剖面水勢(shì)梯度，圓形筒盛土后四周受力均勻，一般外壁不需要加固圈。
蒸滲儀盛土容器〔土筒)為圓柱形，內(nèi)徑為1.13m，土體表面積是 1平方米，土壤測(cè)筒高為2.0m，側(cè)壁為4mm厚不銹鋼板、底為6mm厚的不銹鋼板，內(nèi)外雙面焊接而成。設(shè)計(jì)使用的蒸滲儀 (圓形),裝土深度為1.6米，土筒底部有30厘米厚度的反濾層，在反濾層內(nèi)布有連通管，連通管管道壁上打有密集的小孔，在管道外還包有不銹鋼紗布，土壤中的水分可進(jìn)出連通管同時(shí)也隔離了固體物質(zhì)。
另外在土筒距底部5厘米處安裝一根直徑1吋的不銹鋼花管外包錦綸網(wǎng)焊接在測(cè)筒壁上，為防止雨雪流入地下室，防雨防風(fēng)罩的設(shè)計(jì)，采用內(nèi)外45度角設(shè)計(jì)，其角的頂部和鋼桶的直徑相同，這樣保證了降雨面積的一致性，外罩和鋼桶采用無(wú)接觸的方式，避免因摩擦產(chǎn)生的測(cè)量誤差。表面涂有土色涂層，避免了因外罩反光而造成的桶內(nèi)植物與大田植物生張速度差異大的問(wèn)題。土壤測(cè)筒上部距地表以上5厘米處安裝8--10厘米寬不銹鋼防風(fēng)圈，安裝時(shí)注意和地下室開(kāi)口處的防風(fēng)圈配合。
土壤測(cè)筒在外壁開(kāi)有18個(gè)測(cè)量?jī)x器安裝孔，按設(shè)計(jì)要求儀器傳感器安裝孔分布在地面以下10cm、20cm、30cm、50cm、100cm、150cm處，便于土壤水分、溫度、電導(dǎo)率三參數(shù)傳感器、水勢(shì)傳感器、土壤溶液取樣器等測(cè)試儀器的安裝。
土體加上鋼制土壤測(cè)筒、底盤自重、各種傳感器的重量等,整個(gè)稱重系統(tǒng)達(dá) 5～6T。
⑸定水位控制器——馬氏瓶自動(dòng)補(bǔ)水裝置
作為稱重式蒸滲儀的輔助設(shè)備，在此蒸滲儀上安裝了一套馬氏瓶自動(dòng)補(bǔ)水裝置并配套自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的作用是對(duì)土壤測(cè)筒的地下水位預(yù)先設(shè)定，并在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)補(bǔ)水，使土筒水位始終維持在設(shè)定水位線上，其工作原理如下：
①、蒸滲儀自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水。當(dāng)測(cè)筒土壤有蒸發(fā)蒸騰時(shí)，測(cè)筒水位面降低到設(shè)定的低水位線時(shí)，聯(lián)通土壤測(cè)筒的供水管路關(guān)斷，同時(shí)打開(kāi)補(bǔ)水管路，向馬氏瓶補(bǔ)水，等補(bǔ)水至高水位時(shí)，關(guān)斷供水管路，延時(shí)測(cè)記馬氏瓶的水位值，然后打開(kāi)聯(lián)通測(cè)筒管路，恢復(fù)正常工作。馬氏瓶?jī)?nèi)的磁致伸縮傳感器記錄高、低水位值，計(jì)算補(bǔ)水量即土壤蒸發(fā)蒸騰量。
②、在降水情況下，雨水由土壤入滲，除一部分保留在土壤孔隙中成為土壤含水量外，一部分繼續(xù)下滲，達(dá)到反濾層形成地下徑流，抬升測(cè)筒水位高出設(shè)定水位時(shí)，高出的水由溢流器流入計(jì)量瓶，由電子秤重設(shè)備或其他高精度計(jì)量設(shè)備記錄在儲(chǔ)存器內(nèi)。經(jīng)處理顯示并記錄在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)。并可將數(shù)據(jù)下載到 PC 機(jī)中,供使用者分析和研究。
圖5：多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀自動(dòng)稱重及馬氏瓶測(cè)量系統(tǒng)示意圖
⑹蒸滲儀滲漏水計(jì)量裝置
滲漏量測(cè)量采用高精度稱重傳感器，計(jì)量筒內(nèi)安裝排水泵，當(dāng)滲漏水量達(dá)到計(jì)量筒設(shè)定高水位時(shí)，排水系統(tǒng)關(guān)閉滲漏量電磁閥，稱量計(jì)量筒水的重量并計(jì)算滲漏量，然后啟動(dòng)排水水泵將滲漏水排入蓄水井。當(dāng)計(jì)量筒水位下降至設(shè)定低水位后關(guān)閉水泵電源后再次測(cè)量計(jì)量桶水量，然后打開(kāi)滲漏量電磁閥，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)判斷狀態(tài)。
⑺蒸滲儀地表徑流量計(jì)量裝置
當(dāng)蒸滲儀土壤測(cè)筒因超滲或飽和產(chǎn)生地表徑流時(shí)，由徑流收集器的導(dǎo)流管將徑流水導(dǎo)入地表徑流計(jì)量裝置，徑流量測(cè)量采用高精度稱重傳感器并可自動(dòng)排水的設(shè)備，量測(cè)后的徑流量排入蓄水井后關(guān)閉排水水泵并打開(kāi)徑流電磁閥，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)判斷狀態(tài)。
⑻蓄水井自動(dòng)排水水泵控制系統(tǒng)
地表徑流和滲漏水排入蓄水井后，蓄水井液位超過(guò)設(shè)定高水位時(shí)打開(kāi)排水電磁閥和排水電泵進(jìn)行排水，蓄水井液位降低；當(dāng)液位低于設(shè)定水位時(shí)關(guān)閉供水水泵，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)判斷狀態(tài)。
⑼三參數(shù)土壤墑情傳感器
土壤墑情傳感器采用偉思水務(wù)科技公司生產(chǎn)的多層管式墑情傳感器，土壤EC水分溫度三合一傳感器適用于土壤溫度以及水分的測(cè)量以及土壤總鹽量（電導(dǎo)率）。十壤三合一傳感器創(chuàng)造性的將鹽度、水分、溫度三者共同測(cè)量，極大的方便了客戶系統(tǒng)的評(píng)估圖壤情況。
經(jīng)與德國(guó)原裝高精度傳感器比較和土壤實(shí)際烘干稱重法標(biāo)定，精度高，響應(yīng)快，輸出穩(wěn)定。受土壤含鹽量影響較小，適用于各種土質(zhì)?？砷L(zhǎng)期埋入土壤中，耐長(zhǎng)期電解，耐腐蝕，抽真空灌封，防水。
技術(shù)參數(shù)
水分精度 0-53%范圍內(nèi)為±3%; 范圍內(nèi)為±5%
溫度測(cè)量范圍 -45℃-115℃(可定制)
溫度精度 ±0.5℃
電導(dǎo)率量程 0-10000us/cm
電導(dǎo)率分辨率 10us/cm
輸出信號(hào) RS485
響應(yīng)時(shí)間 <1s 防護(hù)等級(jí) IP68
供電電源 12-24V DC
耗電 ≤ 0.15W（12VDC ,25℃）
安裝方式 全部埋入或探針全部插入被測(cè)介質(zhì)
⑽可原位補(bǔ)水和在線測(cè)量的張力計(jì)
HYC—02型壓電式土壤負(fù)壓計(jì)是偉思水務(wù)科技有限公司在HYC-01型真空表式張力計(jì)基礎(chǔ)上研發(fā)的新型儀器。用壓電傳感器代替真空表，用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)代替人工觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了上述自動(dòng)連續(xù)記錄土壤吸力數(shù)據(jù)的功能。
HYC—02型壓電式土壤負(fù)壓計(jì)具備原位補(bǔ)水的功能，在冬季停用時(shí)也可抽干張力計(jì)內(nèi)的余水，防止凍裂損壞。
技術(shù)參數(shù)
測(cè)量范圍: 0～-100Kpa
輸出信號(hào): 0.5～4.5V
工作電流：3mA
測(cè)量精度：±1.0%Span
零點(diǎn)漂移：±0.03%FS/℃
HYC—02型壓電式土壤負(fù)壓計(jì)的安裝、使用見(jiàn)壓電式土壤張力計(jì)說(shuō)明書。
⑽多孔陶土頭土壤溶液自動(dòng)取樣器
ZY—01型土壤溶液采樣器特點(diǎn)：
①.使用方便，可定點(diǎn)定位自動(dòng)連續(xù)采集土壤溶液。
②.土壤溶液取樣器在不同埋深的土層埋設(shè)時(shí)，可根據(jù)事先設(shè)定的取水量自動(dòng)切換水樣瓶，在不同埋深的土壤中提取土壤溶液。取樣瓶采用314ml圓形試樣瓶，一次取樣可在20—250ml之間任意設(shè)定，取樣瓶內(nèi)安裝有水位浮子和定位干簧管。當(dāng)取樣瓶水樣達(dá)到預(yù)定容量時(shí)，可驅(qū)動(dòng)電磁閥自動(dòng)切換到下一水樣瓶繼續(xù)取樣。
③. 抽氣泵：當(dāng)抽氣泵與取樣瓶、陶土管連接后，根據(jù)土壤濕度情況，使之取樣瓶?jī)?nèi)的負(fù)壓維持在-50～-80KPA之間。當(dāng)緩沖瓶?jī)?nèi)的負(fù)壓低于 -50KPa時(shí)，真空泵自動(dòng)開(kāi)機(jī)，而當(dāng)緩沖瓶?jī)?nèi)的負(fù)壓高于 -80KPa時(shí)，真空泵自動(dòng)關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，自動(dòng)工作。
ZY—01型土壤溶液采樣器的安裝、使用見(jiàn)多孔陶土頭土壤溶液自動(dòng)取樣器說(shuō)明書
5、直稱固定式電子稱重式蒸滲儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
固定式新型電子稱重式蒸滲儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置和高精度數(shù)據(jù)定時(shí)顯示存貯儀等組成。三個(gè)壓力傳感器可單獨(dú)采集也可一起采集。
開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件應(yīng)功能齊備，界面美觀友好，數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換方便?？紤]到測(cè)量參數(shù)的變化，軟件中設(shè)計(jì)有傳感器配置功能，為后續(xù)擴(kuò)展測(cè)量參數(shù)提供方便，無(wú)需二次開(kāi)發(fā)軟件。
上位機(jī)主要負(fù)責(zé)定時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，接收和保存下位機(jī)返回的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)下位機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，記錄異常狀態(tài)并通過(guò)短信方式向運(yùn)維人員報(bào)告。數(shù)據(jù)采集為漢字菜單操作界面，土壤測(cè)筒重量、土壤溫度、土壤墑情、電導(dǎo)率、水勢(shì)、蒸發(fā)蒸騰量、降水灌溉量、滲漏量、地表徑流量、馬氏瓶液位等自動(dòng)定時(shí)測(cè)量，不同的參數(shù)測(cè)量界面可以切換，測(cè)量數(shù)據(jù)在線保存，測(cè)量數(shù)據(jù)能自動(dòng)計(jì)算和轉(zhuǎn)換成 Excel文件保存。
上位機(jī)軟件模塊組成如圖4所示，其主要功能包括采樣參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)調(diào)試控制、傳感器配置、溫度/含水率/電導(dǎo)率測(cè)量、水勢(shì)測(cè)量、滲漏量測(cè)量、蒸散發(fā)量測(cè)量、地表徑流測(cè)量、液位測(cè)量、排水電磁閥控制、水泵控制、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)、狀態(tài)監(jiān)控、故障記錄及報(bào)表處理等。數(shù)據(jù)記錄間隔范圍5min，10min，15min，30min，1h，4h, 8h，12h，24h等，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，測(cè)量時(shí)間以上位機(jī)時(shí)間為準(zhǔn)。
