地下蒸渗仪的工作原理

技术特点- 陶瓷电容传感器，长期使用无零点漂移- 自带导气管实现自动气压补偿，压差法测量- 特氟龙分子筛，阻止水分子进入气管，保证气压补偿精度- 自动密度、海拔、温度补偿- 水位数值不受外界气压变化、海拔高度变化及气象条件变化影响- 四电极电池法测量盐度，极化效应小- 传感器外壳采用904L不锈钢、激光焊接，内部密封、坚固防腐- 电缆采用凯尔拉夫材质，防水性能良好，长期使用不易变形- 安装操作简单方便- 4M内存，可存储50万以上数据，长期使用数据不丢失。- 可采用各种充电电池、碱性电池及锂电池供电，电池可更换- 锂电池使用寿命10年以上- 安装操作简单方便，可适应井口安装- 红外通讯方式，防止井口潮湿导致设备通讯接口被腐蚀- 4倍过载能力- 提供各种通讯方式、SMS短信、GPRS网络传输测量原理OTT CTD是一款的地下水温盐深测定记录仪，它可以监测水位、水温和电导率，并可将电导率转换为盐度及TDS (总溶解固体) 输出。水位采用压差法测量，自带导气管实现自动气压补偿。可以与OTT ITC传输单元结合，形成野外独立测站，以各种远程方式（SMS、GPRS等）将数据传输至监控系统。 应用范围 - 地表水、地下水常规监测- 监测堤岸滤井- 监测海水入侵- 地下水盐度分布监测- 湿地监测- 露天矿井污染监测- 含水土层监测- 农业灌溉监测技术指标水位测量：量程：0~4m 0~10m 0~20m 0~40m 0~100m分辨率：0.01 %FS精度：士0.05%FS压力探头：陶瓷电容温度补偿过载能力：大于4倍量程温度补偿范围：-5~45 ℃温度测量：量程：-25~70 ℃分辨率：0.01 ℃精度：士0.1 ℃电导测量：量程：0.001~2.000 mS/cm 0.10~100.00 mS/cm分辨率：0.001 mS/cm0.01 mS/cm精度：士0.5%测量值士1.5%测量值总体指标：供电：3x1 .5V 5号电池电池寿命：大于10年(锂电池)、大于2年(碱性电池)接口：红外接口内存：4 MB/约500, 000测量值测量间隔：5秒左右~24小时通讯单元尺寸：400 mm x 22mm (L* Ø )探头尺寸：317mm*22mm (L* Ø )材质：不锈钢DIN1.4539 (904L)EMV标准：满足EN 61000/EN 55011 Class B

湿地是地球上最为重要的生态系统类型，具有巨大的环境功能和效益，在提供水源、补充地下水、抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制土壤侵蚀等方面有其它系统不可替代的作用，被誉为&ldquo 地球之肾&rdquo 。 湿地地下水生态观测蒸渗仪通过地下水位模拟控制系统、精准称重系统、根系观测单元、气体通量观测单元、溶质在线分析单元等，原位（In-situ）观测或异地（Ex-situ）模拟观测地下水位变化（0－2m）与湿地土壤蒸散、渗漏、降雨及溶质运移的即时（高时间分辨率）动态变化关系，研究分析湿地土壤水通量、溶质通量、气体通量、持水状况等与地下水位的动态关系，适于三角洲、河滩及洪泛平原、泥炭地、高山湿地及其它地下水位较浅（常年一般维持在0－2m）的土地类型。 湿地地下水生态观测蒸渗仪由德国UFZ环境研究中心Meissner教授与德国UGT公司研制（Patent-No.: 19907462），利用公司特制的原位取土系统采取原位湿地土柱，采用精确的地下水控制系统，可精确重现真实的野外条件。原位湿地地下水生态观测蒸渗仪直接安装在湿地现场（如图一所示），蒸渗仪底部经由平衡水箱通过压力转换器和流量表直接与外界环境（河流或湖泊水体、湿地地下水）相通。异地湿地地下水生态观测蒸渗仪可以安装在远离现场湿地的实验场（比如研究所院内等），原位地下水位经由实时水位监测和数据无线传输，及时在线调控蒸渗仪水位（如图二所示），使蒸渗仪水位一直保持与原位湿地水位一致。如果目标水位（原位水位）与蒸渗仪内的水位相差1cm或以上，地下水位模拟控制系统会自动触发调节机制，使蒸渗仪与原位湿地水位始终保持一致。 1. 原位土柱2. 温度、TDR、水势等传感器及溶液取样器等。3. 地下水水位4. 滤层5. 称重系统6. 平衡箱7. 储水罐8. 调节阀9. 数据采集器图二 安装在异地试验场的湿地地下 水生态观测蒸渗仪 地下水位模拟控制系统的调控机理为：当水位出现不一致（相差1cm）时，首先关闭蒸渗仪和平衡水箱的阀门，然后向平衡水箱注水（或从中抽水），注水水源来自储水罐（抽出的水会存放在储水罐）。此后关闭储水罐和平衡水箱间的阀门，打开平衡水箱和蒸渗仪间的阀门，使得蒸渗仪和平衡水箱水位进行平衡。此过程反复进行，直到蒸渗仪水位达到目标水位。 湿地地下水生态观测蒸渗仪每分钟即可称量记录一次。不仅是降雨、蓄水，还可记录括露水、霜、降雪、沙尘等轻微输入，使得即使是较小的蒸散也可记录到。将15分钟数据的平均，以减小风或野外动物的影响。水分平衡公式如下所示：P + Pond = Et + ( Rout&ndash Rin) ± &Delta S其中P是降雨量， Pond是表面蓄水，Et是蒸散，Rin是地下水流入，Rout是地下水流出，&Delta S是持水量改变。 一旦水分平衡公式中各组分精确测量计算出后，溶质平衡情况可由如下公式计算出：L＝Cs× S其中L为溶质输入，Cs为渗漏溶质浓度，S为渗漏液体积 技术指标： 1. 蒸渗仪规格：表面积1m2，高2m；滤层25cm；可根据需要定制其它规格的蒸渗仪2. 装土类型：特别设计的湿地取土系统取原位湿地土柱3. 高精度称重系统，分辨率：0.01mm，采样频率1min，15min平均一次4. 渗漏测量：翻斗计数器，精确度0.1mm5. 高精度即时地下水位模拟控制系统，精确度1cm6. BTC-100微根窗根系生态观测系统（备选）观测根系生长状况7. 气体通量观测单元用于测量分析湿地土壤CO2、O2和甲烷通量（备选）：气体抽样模块具Baseline配置，可手动或自动定时切换测量大气CO2、O2等气体含量（baseline）和呼吸室内CO2、O2等气体含量，从而更加精确地测量监测土壤气体通量内置温度和大气压传感器，温度压力自动补偿，高稳定性、高精确度氧气测量分析：燃料电池O2分析仪，不受水汽、CO2及其它气体的影响，测量范围1－100％，分辨率0.001%二氧化碳测量分析：双波段非色散红外技术，测量范围0－5％，分辨率0.0001%CH4分析器（外置备选）：双波段非色散红外技术，量程0-10%，精度优于1%，分辨率1 ppm/0.0001%8. 在线原位测量分析总氮、硝态氮和亚硝态氮等9. 传 输：无线传输，用户可在ENVIdata服务器上下载；若用户有固定IP，可直接传输至用户服务器10. 传 感 器：土壤水势、TDR土壤含水量、温度传感器，可根据用户要求选择不同传感器。11. 安装层数：标准30、60、90、120cm深处，每层均安装各种传感器。 国外应用： Doerthe Bethge-Steffense等（2004）利用湿地蒸渗仪控制地下水状况研究了2003年2月对德国schö nbergg Deich 和W ö rlitz湿地的地下水位、土壤含水量、土壤水量平衡（降雨、蒸散、渗漏等）进行了研究。在研究湿地采用梯度气象站监测环境因子，包括土壤温度、水势、含水量，降雨，空气温湿度，地下水位传送给蒸渗仪的控制中心。研究首次直接得到了蒸散和渗漏，结果显示湿地土壤含水率受湿地的地下水位动态影响，受蒸散影响有限。在水量平衡中，蒸散和渗漏使得土壤水储量减少，而这是2月降雨无法补偿的。 参考文献： 1. Doerthe Bethge-Steffens, Ralph Meissner, and Holger Rupp (2004) Development and practical test of a weighable groundwater lysimeter for floodplain sites. J. Plant Nutr. Soil Sci, 167, 516-524R. Meiß ner , M. N. V. Prasad, G. Du Laing and J. Rinklebe（2010） Lysimeter application for measuring the water and solute fluxes with high precision. CURRENT SCIENCE, VOL. 99 NO. 5 601-607.R. Meiß ner and Manfred Seyfarth (2004). Measuring water and solute balance with new lysimeter techniques. SuperSoil 2004: 3rd Australian New Zealand Soils Conference, 5 &ndash 9 December 2004, University of Sydney, Australia. 1-8

产品简介及设计目标 JB-DZZF-02型杠杆式土壤蒸渗仪是我公司在现代电子技术、土壤物理学和微气候学等学科领域不断深入发展的基础上，为测定农田蒸腾蒸发和地下水-土壤水转化而研发生产的一种更系统更综合的标准实验设备。其通过对被测土壤（原状土或人工配置实验土）水循环的记录分析，以研究农作物的耗水规律和SPAC系统中水分运移转化规律。该仪器采用先进的高分辨率称重系统，配置了智能数据采集器和信号传感器，可同时检测被测土体水分蒸腾蒸发、渗漏随时间的微小变化及气温。空气湿度、光照、降水等对应相关参数，并对测量的数据进行实时在线快速分析处理、记录储存，做到了数据采集的高速化、准确化和人性化，大大提高了工作效率，降低了劳动强度。适用于农田、草原、森林及河流湿地等生态系统水文循环的长期监测。杠杆式蒸渗仪，是我公司在充分汲取国内外有关系统特点的基础上，设计研制的新款设备。其主要特点是：紧跟传感器技术和检测技术的革新提高了相关参数的测量精度；同时，进一步改善和提高了大型杠杆式蒸渗仪使用中的人机接口（HMI）效率，降低了劳动强度和维护工作量。其筒体结构与工作原理如图1所示，主要包括土箱体（主体系统的核心）、杠杆称重系统、供排水系统和数据采集与监控系统。蒸渗仪的主题系统是指装有饱和或非饱和的土箱、外壁以及土壤中的测试仪器，土箱的结构和仪器的数量和种类依据科研需求设计和布局。 杠杆式土壤蒸渗仪整机总体结构2.系统组成及总体结构杠杆式土壤蒸渗仪整机系统可分为硬件和软件两大部分，共四个板块：（1）测量部分：由土箱、杠杆称重系统平台以及配套传感器等组成、（2）数据传输部分：由数据转换模块、放大器及供电系统等组成。（3）终端显示部分：由数据采集器、主控制器、配套软件及液晶显示屏等组成。（4）供排水系统：由控制模块、阀门和补水系统等组成。 直称式蒸渗仪整机系统序号名称数量备注1高精度称重传感器12只2渗漏传感器12只34级杠杆称重平台及土箱12套含防蠕变系统4数据采集器及自动运行控制器12台含控制模块5大气温湿度传感器1个多个蒸渗仪使用一套6光照传感器7雨量传感器8土壤温度水分电导率传感器12*8个9土壤水势传感器12*8个10土壤溶液提取装置12套每套采样8个点11连接线缆及信号控制线1套12数据集中处理存储软件1套多个蒸渗仪使用一套13工业计算机及配套设施1套多个蒸渗仪使用一套14UPS备用电源4套3个蒸渗仪使用一套3.整体解决方案1蒸渗仪测量原理对于被蒸渗仪测量的土柱，其水量的平衡方程为： (1)式中为土壤储存水量的变化，P为降水量，I为灌溉量，Q为地下水流，为净地表径流量，ET为蒸腾蒸发量。对于蒸渗仪，一般可以忽略，方程1可改为 （2）降水量（）和灌溉量（I）可以由雨量计和水表直接测得。土壤储存水量的变化量（）代表降水或灌溉后水分的增加，或测量蒸腾蒸发作用导致水分的损失，这些较难测量，所以产生了高精度的称重系统来测量。地下水流Q代表由蒸渗仪供排水系统供进和排出的土柱的水量。在地下水位不发生变化时，加入到土柱的水量为地下水对土壤水的补给量（Eg）,Eg=Q，由土柱排出的水量为地下水补给量（），，如果大田中地下水位发生了变化，为了保持仪器内水位与大田水位一致，需向土柱内加入或排出一定水量，地下水对土壤水的补给量与入渗量可由其间接计算得出。如果地下水位上升 （3）如果地下水位下降了 （4）a和b为吸水和脱水实验测定的系数。实际上,为地下水位上升或下降时含水量的变化，可有水位计测得。2称重原理及方案直称式蒸渗仪称重机构原理如下图所示：称重系统采购专用的称重传感器，作用在称重平台上，直接称重土箱的总重量。杠杆式蒸渗仪承重结构称重传感器采用高精度称重传感器，在杠杆称重平台下四个支点支撑称重土箱，经过多级杠杆变送将力送至高精度传感器。高精度称重传感器的主要性能指标如下：1）称重范围：±300mm；2）精度：±0.1mm；3）分辨率：0.01mm；4）称重采样速率：0.1秒。由于杠杆称重传感器固有的零漂和蠕变特性，在长期受力状态下不可避免影响测量精度，并且每只传感器的误差参数又不同。我公司专门设计开发了防止称重传感器蠕变装置，该装置保证称重传感器在非测量状态时不受压力。并设计出一套杠杆称重传感器校验设备和方法，对其量程、稳定性、重复性和敏感性进行测试和校验。如量程的测试采用依次加载已知重量砝码1~50Kg然后再依次减载的方法；为了测试其稳定性，在1h内向杠杆称重传感器加载100Kg重物，然后每10min测量度数，判断其稳定。称重传感器的敏感性采用依次加载和减载100g、200g、200g、300g、200g、1000g、1000g、2000g的方法来测量。从而有效的清除零漂和蠕变带来的测量误差。传感器实际安装结构照片3数据采集原理及方案本系统的数据采集全部为智能化采集，数据可直接保存到数据库中，也可以数据文件的形式按设计定的周期保存，并且能通过网络进行远程数据传递和状态监控。机体包括物理设备层、网络传输层、数据资源层、科研业务层4个层次，以及信息安全保障、标准规范建设两个支撑体系。其中物理设备层所有数据的自动化采集功能：网络传输层利用Internet局域网，实现科研数据的远程创术与监控功能；数据资源层为基于.NET数据管理服务器，整合了实验基地采集或导入科研数据，向上提供有关数据动态交换、远程输出安监控等数据服务；科研业务与C/S方式提供诸如远程数据监控、科研数据下载、系统运行维护等业务；信息安全保障体系通过数据传输加密、用户鉴权等方式，保障系统安全；标准规范建设体系包括科研数据格式规范、数据传输协议等建设内容。4软件开发方案Microsoft .NET Framework是用于Windows的新托管代码编程模型。它将强大的功能与新技术结合起来，用于构建具有视觉上引人注目的用户体验的应用程序，实现跨技术边界的无缝通信，并且能支持各种业务流程。.NET具备开发应用程序的一切解决方案，包括验证、缓存、状态管理、调试和部署等全部功能。在代码撰写方面特色是将页面逻辑和业务逻辑分开，它分离程序代码与显示的内容，让丰富多彩的界面更容易撰写。同时使程序代码看起来更洁净、更简单。图 8为本系统软件系统的整体架构。由于大型称重式蒸渗仪测控系统多为根据用户需要量身定制，我公司为了减少软件的重复开发工作量，提高软件的通用性以及便于日后的功能扩展，遵循软件工程的思想，开发了传感器配置模块，使得软件能适应不同测量需求的蒸渗仪需要，同时也能适应硬件的剪裁。配套软件按照C/S模式，用户界面体现为一系列Win界面，界面之间通过菜单操作等方式进行跳转。本系统选用数据库管理软件MySQL进行科研数据的统一储存管理，并考虑到了系统扩展性，可对下位机进行的操作，主要功能有：1、232串口配置：主要设置232串口的名称、下位机的名称、波特率、数据位、停止位、校验方式、采样间隔2、蒸渗仪参数测定：测定蒸渗仪的参数。3、重量度量单位设置：设置重量参数。4、历史数据查询、文本数据导入功能。下位机操作子系统涵盖了对数据采集器发出的各种命令。主要的模块有：实时数据接收：对下位机发出实时数据接收命令，将下位机采集到的实时数据以动态图表形式加载到页面，也可将实时数据保存到MySQL数据库。历史数据接收：对下位机发出历史数据接收命令，将下位机采集到的历史数据保存到MySQL数据库。新数据接收：对下位机发出新数据接受命令，将下位机采集到的历史数据按自定义的时间段存入MySQL数据库。下位机管理：设置和读取下位机的状态参数。历史数据接收：对下位机发出历史数据接收命令，将下位机采集到的历史数据保存到MySQL数据库。新数据接收：对下位机发出新数据接受命令，将下位机采集到的历史数据按自定义的时间段存入MySQL数据库。下位机管理：设置和读取下位机的状态参数。6控制中心布设方案试验基地控制中心拟布设并实现以下功能：设置数据中心服务器，与网络交换机相连接。该服务器对土壤测坑检测数据系统的数据库进行管理，具有税局容量大、处理速度快、可靠性高等特点。设置硬件防火墙，具有针对外部网络访问安全防火控制，并可进行黑白名单设置，组织不信任区域对本系统网络和数据资源的访问。设置网络中心交换机，完成网络中心的网络连接，提供可扩展网络端口。该类型交换机有网络管理接口，能提供24口个10/100M自适应连接端口，并配置2个光纤插槽，使网络系统具有较大的扩展能力。设置路由器，对内连接防火墙，对外连接专线。设置应用服务器，安装数据管理系统软件完成客户的数据处理和查询需求。7蒸渗仪土箱各部分主要参数名称实际参数单位数量备注土箱及杠杆系统2m*2m*2.4m整体选用不锈钢板制成厚度：4`12mm套1定制尺寸高精称重传感器（高精度电子秤）台1防蠕变装置自动运行，保证称重传感器在非测量状态时不受压力。套1渗漏传感器分辨率0.01mm水深,精度±0.01mm水深台1土壤溶液提取装置（陶瓷头、抽气机、采样瓶）电源电压：AC220V 50HZ吸引泵：活塞泵极限负压值：＞0.06MP套1土壤含水量温度电导传感器土壤水分测量范围0~100%；温度测量范围-30～+70℃；电导测量范围0～20dS/m。土壤水分测量分辨率0.1%；温度测量分辨率±0.1℃；盐分测量分辨率0.01dS/m。土壤水分测量精度2%；温度测量精度±0.2℃；盐分测量精度±2%。套8选配土壤水势传感器测量范围：±100kPa，分辨率0.1kPa。套8选配自动运行控制器制称重装置及防止称重传感器蠕变在设定的采用周期下自动稳定运行套1数据采集器可采样1路渗漏量传感器、8路土壤水分温度电导率传感器、8路水势传感器套1工业计算机及配套设施内存2G，500G硬盘，接口4个USB，一个网口，外壳IPC-810E，250W电源；配套挂式显示器；配套1.6m网络机柜；配套供电及通讯线路。套1数据集中处理存储软件软件操Microsoft windows平台上运行，具有自动调零、数据自动收集、自动分析、在线显示操作状态和测量数据以及变化曲线的功能。具有系统测量数据的定期采集、断电时数据保存、复电后的恢复的能力，自由设定采样间隔。存储数据以EXCEL文件格式保存。套1UPS备用电源有断电保护措施，断电供电功率不小于450w，市电断电后可以保证设备连续工作12小时以上。套1今后，我们将以行业水平的高科技产品服务，为用户提供标准化、多元化、产品化的行业解决方案，为构筑新时代和谐环保型社会贡献力量。