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地中蒸滲儀 

蒸滲儀是應用水量平衡原理，推求平衡因素中某些難以直接測定的或需研究的某些因素的變化過程。

蒸滲儀的基本工作原理：被測土柱水量平衡方程： △S = P+I+Q-△R–ET 。

上式中：△S為土壤儲存水量的變化，P為降水量，I為灌溉量，Q為滲漏水量，△R為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發量。其中降水量（P）和灌溉量（I）可以由雨量計和水表直接測得，滲漏水量和地表徑流量也可用專用設備測量得到。但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，所以研發了高精度的稱重式蒸滲儀系統來測量△S。

多參數自動稱重式蒸滲儀是一種自動測試、記錄、存儲、輸出試體重量，可精確量化土壤水分變化，準確測定土壤蒸散發量和土壤水勢、土壤含水量、溫度、電導率等剖面變化的設備。為水文循環中的土壤水下滲、地表徑流、地下徑流等過程和研究農田蒸騰蒸發和地下水～土壤水轉化關系，提供更系統、更準確數據的測量工具。

1、多參數直接稱重式蒸滲儀的工作原理

直稱固定型自動電子稱重式蒸滲儀是把壓力傳感器固定在鋼結構底座上，被稱土壤測筒平置于稱重底座的傳感器之上，直接稱量土壤測筒中水分的變化。直接稱重系統消除了杠桿式稱重測量的轉換誤差及懸臂式測量系統受風和形變帶來的誤差，稱重分辨率可達100克。

2、多參數直接稱重式蒸滲儀具備以下主要功能

(1)測量具有地下水毛管上升補給條件下的農田實際蒸散發量和潛水蒸發量，進而分析和研究地下水對農田蒸散發的作用和貢獻。

(2)研究不同土壤類型、不同地下水埋深對農田蒸發和土壤入滲的影響

(3)研究作物耗水量、棵間蒸發量和合理的農田灌溉制度

(4)建立SPAC系統分析模型，優選和確定各類參數

(5)研究與水分運動有關的土壤養分、化學元素和污染物質在土壤中運移和轉化的規律。總之，該套設備是開展四水轉換研究的重要手段，同時還可用于研究農田其他物質流和能量傳輸規律和機理，根據設計和制作要求，與國內外已有地中蒸滲儀比較，具有規模大、測量精度高和功能多樣化的特點。

3、多參數直接稱重式蒸滲儀有如下的特點

(1)儀器是只讀和存貯式的、它通過電路的特殊調試將重量值(kg)轉換成蒸滲量。

⑵儀器具有定時貯存、顯示、打印功能，可人工和計算機觀測和控制。即當到設置的時間儀器自動貯存、顯示當前的重量，兩次數值的差值為蒸滲量。

(3)地下室是保護四周土壤不接觸到盛土容器的作用，蒸滲儀內筒的土壤條件和植物生長與大田基本一致，其測量結果能代表大田的實際情況。

(4)本儀器對指導農作物、牧草和林業的合理用水，對于研究土壤一植物一大氣系統中水分的運動規律，制定合理科學的灌溉制度、節約用水、促進農作物生長都將產生積極的作用。

4、多參數直接稱重式蒸滲儀的結構及組成

多參數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)、滲漏水計量裝置、地表徑流計量裝置和其它設備（土壤水分測量儀、張力計、土壤溶液取樣、地溫、電導率測量等）及數據采集系統組成，主要用于定點測定根系較深的作物蒸散量和滲漏量。

⑴蒸滲儀防護地下室

蒸滲儀防護地下室是保護四周土壤不接觸到盛土容器(內筒)，減少了對大田土壤的擾動，雖造價較高，但對土壤測筒的安裝、維護提供極大方便，蒸滲儀地下室外的土壤條件和植物生長與大田基本一致。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，根據地下水位埋深及土壤結構的具體情況，本文選用鋼鋼筋混凝土結構，而且加裝保溫防凍措施，使蒸滲儀在外界-40℃的低溫環境下能正常工作。

地下室形狀為長方形形，室內面積為4.5×2.8米。側壁為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, 地下室上部開有直徑1.3米園孔，用于安裝土壤測筒。土壤測筒上沿5厘米處安裝向下擴展的不銹鋼防風防雨圈。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3個量程為2200kg的C6級壓力傳感器把士壤測筒重量(kg)轉化為電信號，由數據采集系統存儲并轉化為蒸滲量(mm)，精度高，操作簡單。

稱重傳感器是自動稱重式蒸滲儀的技術核心，設計采用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，選用多個壓力傳感器的目的是為了提高測量精度。

稱重底盤座落在直徑140厘米的鋼筋混凝土基座上與測簡直接接觸，物體重心與稱重系統的重心保持在一條垂線上，使傳感器受力均勻。該系統稱量范圍最大為6.6t， 稱量鑒別力達到200g， 按照灌溉試驗中準確反應0.1mm蒸散量變化要求， 完全能夠滿足該領域的實驗要求。

稱重傳感器的性能、技術參數

最大稱量：2.2T

準確度等級  C6

安全極限載荷 150%R.C

激勵電壓 5-15V DC

絕緣電阻 ≥5000 MΩ

靈敏度 1.9407 mv/V;

零點輸出 ＜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)

本設計根據用戶要求蒸滲儀盛土容器(土筒)形狀為圓形，圓形測筒可消除了方形測筒直角對土壤的應力不均勻，干擾土壤剖面水勢梯度，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，內徑為1.13m，土體表面積是 1平方米，土壤測筒高為2.0m，側壁為4mm厚不銹鋼板、底為6mm厚的不銹鋼板，內外雙面焊接而成。設計使用的蒸滲儀 (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，土壤中的水分可進出連通管同時也隔離了固體物質。

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焊接在測筒壁上，為防止雨雪流入地下室，防雨防風罩的設計，采用內外45度角設計，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，外罩和鋼桶采用無接觸的方式，避免因摩擦產生的測量誤差。表面涂有土色涂層，避免了因外罩反光而造成的桶內植物與大田植物生張速度差異大的問題。土壤測筒上部距地表以上5厘米處安裝8--10厘米寬不銹鋼防風圈，安裝時注意和地下室開口處的防風圈配合。

土壤測筒在外壁開有18個測量儀器安裝孔，按設計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、電導率三參數傳感器、水勢傳感器、土壤溶液取樣器等測試儀器的安裝。

土體加上鋼制土壤測筒、底盤自重、各種傳感器的重量等,整個稱重系統達 5～6T。

⑸定水位控制器——馬氏瓶自動補水裝置

作為稱重式蒸滲儀的輔助設備，在此蒸滲儀上安裝了一套馬氏瓶自動補水裝置并配套自動數據采集系統。它的作用是對土壤測筒的地下水位預先設定，并在設備運行過程中自動補水，使土筒水位始終維持在設定水位線上，其工作原理如下：

①、蒸滲儀自動數據采集系統可實現自動補水。當測筒土壤有蒸發蒸騰時，測筒水位面降低到設定的低水位線時，聯通土壤測筒的供水管路關斷，同時打開補水管路，向馬氏瓶補水，等補水至高水位時，關斷供水管路，延時測記馬氏瓶的水位值，然后打開聯通測筒管路，恢復正常工作。馬氏瓶內的磁致伸縮傳感器記錄高、低水位值，計算補水量即土壤蒸發蒸騰量。

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，一部分繼續下滲，達到反濾層形成地下徑流，抬升測筒水位高出設定水位時，高出的水由溢流器流入計量瓶，由電子秤重設備或其他高精度計量設備記錄在儲存器內。經處理顯示并記錄在數據采集器內。 

⑹蒸滲儀滲漏水計量裝置

滲漏量測量采用高精度稱重傳感器，計量筒內安裝排水泵，當滲漏水量達到計量筒設定高水位時，排水系統關閉滲漏量電磁閥，稱量計量筒水的重量并計算滲漏量，然后啟動排水水泵將滲漏水排入蓄水井。當計量筒水位下降至設定低水位后關閉水泵電源后再次測量計量桶水量，然后打開滲漏量電磁閥，系統進入監測判斷狀態。

⑺蒸滲儀地表徑流量計量裝置

當蒸滲儀土壤測筒因超滲或飽和產生地表徑流時，由徑流收集器的導流管將徑流水導入地表徑流計量裝置，徑流量測量采用高精度稱重傳感器并可自動排水的設備，量測后的徑流量排入蓄水井后關閉排水水泵并打開徑流電磁閥，系統進入監測判斷狀態。

⑻蓄水井自動排水水泵控制系統

地表徑流和滲漏水排入蓄水井后，蓄水井液位超過設定高水位時打開排水電磁閥和排水電泵進行排水，蓄水井液位降低；當液位低于設定水位時關閉供水水泵，系統進入監測判斷狀態。

⑼三參數土壤墑情傳感器

土壤墑情傳感器采用偉思水務科技公司生產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量以及土壤總鹽量（電導率）。十壤三合一傳感器創造性的將鹽度、水分、溫度三者共同測量，極大的方便了客戶系統的評估圖壤情況。

經與德國原裝高精度傳感器比較和土壤實際烘干稱重法標定，精度高，響應快，輸出穩定。受土壤含鹽量影響較小，適用于各種土質。可長期埋入土壤中，耐長期電解，耐腐蝕，抽真空灌封，完全防水。

技術參數

水 分 測 量 范圍：0-100%

水分精度 0-53%范圍內為±3%;53-100% 范圍內為±5%

溫度測量范圍 -45℃-115℃(可定制)

溫度精度 ±0.5℃

電導率量程 0-10000us/cm

電導率分辨率 10us/cm

輸出信號 RS485

響應時間 <1s 防護等級 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介質

⑽可原位補水和在線測量的張力計

HYC—02型壓電式土壤負壓計是偉思水務科技有限公司在HYC-01型真空表式張力計基礎上研發的新型儀器。用壓電傳感器代替真空表，用自動數據采集系統代替人工觀測，實現了上述自動連續記錄土壤吸力數據的功能。

HYC—02型壓電式土壤負壓計具備原位補水的功能，在冬季停用時也可抽干張力計內的余水，防止凍裂損壞。
    技術參數

測量范圍: 0～-100Kpa 
輸出信號: 0.5～4.5V

供電電壓：5±0.25V DC
最大工作電流：3mA

測量精度：±1.0%Span

零點漂移：±0.03%FS/℃

HYC—02型壓電式土壤負壓計的安裝、使用見壓電式土壤張力計說明書。

⑽多孔陶土頭土壤溶液自動取樣器

ZY—01型土壤溶液采樣器特點： 
    ①.使用方便，可定點定位自動連續采集土壤溶液。 

②.土壤溶液取樣器在不同埋深的土層埋設時，可根據事先設定的取水量自動切換水樣瓶，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之間任意設定，取樣瓶內安裝有水位浮子和定位干簧管。當取樣瓶水樣達到預定容量時，可驅動電磁閥自動切換到下一水樣瓶繼續取樣。

③. 抽氣泵：當抽氣泵與取樣瓶、陶土管連接后，根據土壤濕度情況，使之取樣瓶內的負壓維持在-50～-80KPA之間。當緩沖瓶內的負壓低于 -50KPa時，真空泵自動開機，而當緩沖瓶內的負壓高于 -80KPa時，真空泵自動關機，實現無人值守，自動工作。

ZY—01型土壤溶液采樣器的安裝、使用見多孔陶土頭土壤溶液自動取樣器說明書

5、直稱固定式電子稱重式蒸滲儀數據采集系統

固定式新型電子稱重式蒸滲儀數據采集系統由數據信號轉換裝置和高精度數據定時顯示存貯儀等組成。三個壓力傳感器可單獨采集也可一起采集。

開發的上位機軟件應功能齊備，界面美觀友好，數據處理和轉換方便。考慮到測量參數的變化，軟件中設計有傳感器配置功能，為后續擴展測量參數提供方便，無需二次開發軟件。

上位機主要負責定時發出數據采集命令，接收和保存下位機返回的測量結果，并對下位機的狀態進行監控，記錄異常狀態并通過短信方式向運維人員報告。數據采集為漢字菜單操作界面，土壤測筒重量、土壤溫度、土壤墑情、電導率、水勢、蒸發蒸騰量、降水灌溉量、滲漏量、地表徑流量、馬氏瓶液位等自動定時測量，不同的參數測量界面可以切換，測量數據在線保存，測量數據能自動計算和轉換成 Excel文件保存。

上位機軟件模塊組成如圖4所示，其主要功能包括采樣參數設定、手動調試控制、傳感器配置、溫度/含水率/電導率測量、水勢測量、滲漏量測量、蒸散發量測量、地表徑流測量、液位測量、排水電磁閥控制、水泵控制、數據顯示存儲、狀態監控、故障記錄及報表處理等。數據記錄間隔范圍5min，10min，15min，30min，1h，4h, 8h，12h，24h等，可根據需要進行選擇，測量時間以上位機時間為準。

大型稱重式蒸滲儀測控系統多為根據用戶需要量身定制，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，控制軟件和上位機軟件的編程要求開發各種傳感器配置模塊，使得軟件能適應不同測量需求的蒸滲儀需要，適應硬件的加減配置。。

本文所述稱重式蒸滲儀在測控結構上采用上下位機形式，除稱重系統采用RS232通訊方式外，其余的下位機全部采用MODBUS通訊協議，通過RS485方式與上位機通訊。同時采用了全數字多參量傳感器來測量溫度、含水率、電導率和水勢，測量精度高。且數據采集采取滑動平均處理。如對于三參數的測量，下位機每5min對所有測點輪詢一遍，并將測量結果保存，假設上位機選擇的是每小時采集一次的采樣模式，那么當上位機發出測量命令后，下位機將最近的12次測量值的平均值作為測量值發送給上位機，作為當前時刻的測量值。

大型稱重式蒸滲儀在實際應用中常受到風、偏載和震動等因素的影響，這些影響都會引起稱重測量結果的不穩定，導致測量精度和分辨率下降。因此應在軟件設計中，應考慮兩點：

⑴、采取縮短信號采樣周期，以便在同樣的測量周期內獲得更多的數據；

⑵、采取中值濾波和滑動窗口平均等技術用于數據處理，盡可能消除異常的數據波動。

6、蒸滲儀現場安裝與標定

⑴蒸滲儀現場安裝：

首先根據所研究項目的具體情況并且實地考察該地區的水文地質、地形、地貌、土壤結構、氣象、自然環境等選出具有代表性的地點作為現場安裝蒸滲儀的地點，蒸滲儀周圍100米內不應有高大建筑物、并且比較開闊，能代表周圍農田的基本情況。

選擇好現場安裝地點后即可放線開挖，開挖時將土層分層排放、分層的原則是同種土壤結構的放在一起，分層厚度不易過大，一般為20-40cm為一層，當開挖到預定深度時將底部修理平整后澆鑄20-30厘米厚的鋼筋混凝土作為地下室的基礎，待養護期后將土壤測筒吊入鋼筋混凝土基礎內，并將地下室四周的空隙用細土回填且夯實。

將稱重底座吊入地下室底部測筒基座上、并且將壓力傳感器固定在稱重底座的上部，調整壓力傳感器頂部的頂桿使三個傳感器在同一水平面上。

將土壤測筒吊入并使其底部的滲漏水聯通管和馬氏瓶的平衡杯進水口連接，然后回填30～40cm厚的反濾層且夯實。測筒土壤按原土層分層（20～30cm）回填夯實到原來的容重,直到離地面20cm處、表層20cm厚的土壤不用夯實。

將數據線從內筒外側的不銹鋼方管中穿出連接到信號轉換器上，信號轉換器與數據采集器通過電纜相連接。

⑵稱重式蒸滲儀的標定

稱重式蒸滲儀正式使用前和使用過程中要進行標定，標定時應選擇無風且蒸散量相對較小的天氣下進行，先將信號轉換器和數據采集器電源開關打開，待穩定后開始讀取一組數據(üv)，連續讀取幾組數據(üv)作為起點即零克時的數據(üv)，將已知重量的砝碼(砝碼的重量為20Kg)放于蒸滲儀稱重底座上或土壤測筒的土壤上，待儀器穩定后讀取數據(üv)，直到將全部砝碼加完為止。然后將砝碼依次減掉，直到所有砝碼減完為止。每加或減一次砝碼(g)就讀取一次數據(üv)，這樣就獲得了加或減砝碼重(g)與數據采集器讀取數據(üv)兩組數據。 

7、直稱固定式燕滲儀缺點和維護要點

①直接稱重式蒸滲儀土壤測筒和大田土壤不能緊密觸，代表性較差。在實際應用中常常受到風、作物種類、偏載和震動等因素的影響，這些影響都會引起稱重測量結果的不穩定，導致測量精度和分辨率下降。

②直接稱重式蒸滲儀因地下室內空間小濕度大、壓力傳感器容易生銹且線路易出故障，使用中應采取通風除濕措施以降低地下室的濕度確保壓力傳感器的正常工作；

③直接稱重式蒸滲儀因地下室出口和土壤筒之間的縫隙小，冬季降雪刮風后雪等雜物在縫隙中凝固造成測量不準確，地下室必須采取防護措施不讓雨、雪等雜物進入，確保和土壤測筒不接觸、不摩擦，確保蒸滲儀正常工作；

④北方冬季氣溫較低，如需正常觀測時需采取保溫措施，使地下觀測室內的溫度保持在5℃以上。

以上針對直接稱重式蒸滲儀的說明，是根據黑龍江省水文實驗站一期建設工程設計要求及多家國內、外已建成同類型蒸滲儀的特點和有關資料撰寫，有許多不足和待改進之處，待討論后修改。