杠桿式大型蒸滲儀

        蒸滲儀（Lysimeter）是一種安裝在室外空曠觀測場（反映田間的自然環(huán)境）或溫室內(nèi)（人工模擬自然環(huán)境）裝滿土壤、測定農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水—土壤水轉(zhuǎn)化的標準試驗設(shè)備。其通過對被測土壤（原狀土或人工配制實驗土）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。該設(shè)備可單個或成組、成套設(shè)置，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。近年來，隨著電子技術(shù)、土壤物理學和微氣候?qū)W等學科領(lǐng)域不斷深入發(fā)展，蒸滲儀與先進的傳感 器和數(shù)據(jù)采集裝置配合使用，應用范圍已拓展到垃圾填埋場等模擬研究領(lǐng)域。

        XHZ-ZS201蒸滲儀設(shè)備采用先進的高分辨率稱重系統(tǒng)，配置有先進的水分、電導率、鹽分傳感器和智能數(shù)據(jù)采集器及信號傳輸系統(tǒng)，可通過對被測土壤及作物蒸騰蒸發(fā)和地下水—土壤水轉(zhuǎn)化的監(jiān)    測，研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律和SPAC系統(tǒng)中水分運移規(guī)律。并對測量的數(shù)據(jù)進行實時在線快速分析處理、記錄存儲和遠程傳輸，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。

圖1  蒸滲儀群設(shè)備安裝前地表

圖2  蒸滲儀群設(shè)備安裝后地表

圖3  蒸滲儀地下室秤體部分

圖4  蒸滲儀地下室秤體部分

1. 系統(tǒng)設(shè)備組成

    (一)測量部分：由土壤、鋼筒、杠桿系統(tǒng)平臺、稱重系統(tǒng)、滲漏量傳感器、稱重傳感器等組成。

    (二)數(shù)據(jù)傳輸部分：由前端放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等組成。

    (三)終端顯示部分：由數(shù)據(jù)采集器、備用電源及配套軟件等組成。

蒸滲儀測控系統(tǒng)組成框圖

2. 單套蒸滲儀主要配置如下：

3. 系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)

    （1）被測土體規(guī)格： 表面積6.6㎡，總深度2.3m；

    （2）蒸散量總稱重范圍：45噸；

    （3）蒸散量總稱重精度：330g（折合0.05mm）；

    （4）滲漏量量程：5千克； 

    （5）滲漏量稱重精度：1g（折合0.001mm）；

    （6）顯示和通訊方式：觸摸屏操控顯示，本地PC數(shù)據(jù)和遠程數(shù)據(jù)交互；定時時鐘精度1min/月，最短定時時間5min，連續(xù)工作時段不超過1年；本地存儲(數(shù)據(jù)10min的采樣間隔下，大于1年的存儲量)，支持U盤數(shù)據(jù)下載。

    （7）電壓范圍和工作環(huán)境：AC 220V 50HZ；DC 24V； 

        相對濕度≤90% （30℃）

        工作溫度 -20℃～50℃。

    （8）土壤水分、溫度和電導率三個參數(shù)用一個傳感器同時測量，每套蒸滲儀設(shè)置7個測量點位

        測量指標：土壤體積含水量、土壤溫度和電導率；

        量程：0-100%，-40-80℃，0-23 dS/m；

        分辨率：0.08%，0.1℃，0-7ds/m內(nèi)0.01 dS/m；

        精度：±1~3%，±0.5℃，0-7ds/m內(nèi)±5%；

        供電電壓：3.6-12 VDC；

        信號輸出：SDI-12；

        運行環(huán)境：-40-85℃；

        線纜長度：默認5米，可定制其他長度；

        探針材料：防腐特制電極；

        密封材料：黑色環(huán)氧樹脂；

        防護等級：IP68 ；

        傳感器尺寸：整體厚度不超過1.5cm，探針長度不超過5cm。

    （9）水勢測量準確度：±(10% + 2 kPa)@ -9 kPa至-100 kPa；

        分辨率：0.1 kPa；

        范圍：-9 kPa 至-100000 kPa。

4. 系統(tǒng)測量原理

        對于被蒸滲儀測量的土柱，其水量平衡方程為：

△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(fā)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(fā)作用導致水分的損失，這些較難測量。所以產(chǎn)生了高精度的稱重系統(tǒng)來測量△S。

        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（Rg），Rg =  Q ，如果大田中地下水位發(fā)生了變化，為了保持儀器內(nèi)水位與大田水位一致，須向土柱內(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。

        如果地下水位上升的△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(shù)。實際上a=b=△Q，△Q為地下水位上升或下降時含水量的變化，可由水分儀測得。

5. 稱重系統(tǒng)原理

        杠桿式蒸滲儀稱重機構(gòu)原理如下圖所示：稱重系統(tǒng)采用專用的稱重傳感器，作用在杠桿系統(tǒng)中，用于測量在平衡狀態(tài)下土體的水分變化量。

蒸滲儀稱重機構(gòu)

        一級杠桿利用4個50cm刀口和支座來支撐底座的重量，然后通過二級杠桿將重量再傳遞到3級杠桿上，從最后通過三級杠桿上加載的高低度稱重傳感器來測量土體重量的變化量，也就是蒸散量。

杠桿式蒸滲儀刀口布設(shè)

6. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理

        數(shù)據(jù)采集及配套軟件具有即測即存功能，防止測量數(shù)據(jù)丟失。可以在線顯示蒸滲量過程、滲漏量變化過程。全漢字人機交互操作界面，具有在線幫助功能。定時時鐘精度1min/月。最短定時時間5min，連續(xù)工作時段不超過1年。

        本地存儲(所有數(shù)據(jù)10min的采樣間隔下，大于3年的存儲量)，掉電不失，支持U盤數(shù)據(jù)下載（下位機數(shù)據(jù)可直接下載到U盤，存儲為TXT格式，上位機可導成excel格式）。控制及顯示方式：人機交互（觸摸屏）操控，具備顯示當前測量數(shù)據(jù)、設(shè)置采樣時間（1min-60min，步長為1min的多檔位）、下位機時間以及管理下位機U盤等。

        在土箱的排水口，安裝滲漏量傳感器，測得滲漏量變化量。蒸散量由貯水量和滲漏量計算得到。本系統(tǒng)中，單位時間的蒸散量是這樣計算的。貯水量變化量減去滲漏量變化量即為蒸散量。由方程（2）可以看出，實際本系統(tǒng)的蒸散量包含了降雨量和灌溉量。

7. 系統(tǒng)設(shè)備性能特點

        （1）杠桿式蒸滲儀都是直接作用在一級二級杠桿上測量，通過高精度加工的刀口和刃口來支持重量，最后通過配重來平衡土體重量，沒有中間（其他結(jié)構(gòu)形式部分）環(huán)節(jié)的影響，測量變化量計算出蒸散量，所以從數(shù)據(jù)的時效性來講都具有一定的延時性。

        （2）杠桿式蒸滲儀安裝簡單，后期維護方便。

        （3）杠桿式蒸滲儀雖然對刀口和刃口的各項要求較高，但是選擇耐用度、韌勁較高的合金鋼材料來加工刀口，這樣就保證了設(shè)計杠桿比的穩(wěn)定性以及整體結(jié)構(gòu)的平衡性，也就對數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性就有所保障。

三級杠桿平衡系統(tǒng)