蒸渗仪的原理

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。

仪器简介：我公司作为德国UGT公司的独家代理，提供各种类型蒸渗仪技术设计安装和应用服务，包括在垃圾填埋场的生态修复、气体通量、湿地、水资源管理、森林、矿场生态修复、农业等应用领域的专利设计产品，技术参数：1、小型蒸渗系统：由土壤样品盘、隔膜过滤装置、真空抽滤调控装置组成，土壤样品放在隔膜过滤装置上，真空抽滤调控装置可以定量控制土壤入渗。该系统可用于实验室研究模拟土壤入渗，监测分析不同减渗条件对水体生态与水质的影响等，并对土壤入渗水质进行抽样分析。 2、水平衡与溶质运移蒸渗仪系统：该系统由原位土柱体或试验用土柱体及其植被、精确称量装置、土壤水和温度等各种传感器及土壤渗漏水和孔隙水采样装置等组成，其原理如下： 水质运移平衡方程式：Eta=P-S± &Delta S 其中Eta为挥发量（mm），P为降水量（mm），S为渗漏量（mm），&Delta S为持水量变化（根据土柱重量变化而求出。1kg=1L/m2=1mm） 溶质平衡方程式：L=Sc x S 其中L为溶质负荷（mg/m2），Sc为渗漏水溶质浓度，S为渗漏水量。 该系统用于流域或排水区精确监测模拟土壤水和溶质运移情况，还可实验研究不同植被、不同土壤结构配置（如颗粒级配、填料雨季）的水质净化效果等，特别适合于河滨带生态修复、水质净化及再生水利用等实验研究。 3、河滨带地下水动态模拟系统：系统主要由水平衡与溶质运移监测系统（简称水循环监测站）、水位模拟控制装置及河滨带地下水位监测系统组成，河滨带地下水位监测系统随时监测地下水位并通过无线电传输到水位模拟控制装置，该装置可以保持水循环监测系统与河滨带地下水位一致。水循环监测站一般安装在研究本部的室外空地中，土柱及其植被可以取自河滨带的原位土壤-植物系统，也可以选用实验土壤和植物。该系统的详细描述请参见参考论文主要特点：蒸渗仪技术是通过对原位（或实验）土壤-植物柱体系统（&ldquo Ecotron&rdquo 或Soil Monolith）的精确监测和土壤水分析，以研究土壤碳氮水循环包括水分平衡、物质平衡、土壤溶质运移等的重要监测技术，在欧洲等广泛应用于农田、草原、森林及河流湿地等生态系统的长期监测，其基本原理参见下面方程式： P + I &ndash ET &ndash D - &Delta S = 0 Dep + F &ndash V &ndash L &ndash &Delta M = 0 其中ET为土壤水分蒸发蒸腾总量，P为降雨量，I为人为灌溉，D为排水渗漏量，&Delta S为土壤持水量；F为人为施肥等造成的溶质或污染输入，V为植物吸收消纳撤除及气体排放，L为淋溶和浸出，Dep为大气沉降如氮沉降等，&Delta M为溶质含量变化。 复、农业等应用领域的专利设计产品

一、设备简介 蒸渗仪SOILSCOPE蒸渗计水文过程观测模拟设施可实现地下水位调控，超渗产流实时监测，是水文、水资源领域研究“四水”转换的重要设施，为发展区域水文模型、水资源管理提供支撑数据。1、可人为设定蒸渗罐体内的水位，得到实时潜水蒸发量，也可自动记录水位、水势的瞬时值，在与大田水势梯度一致的情况下，得到罐体内的土壤水动力学参数，水位变化量、渗漏量，揭开大田“黑箱”中的水文过程。在降雨和灌溉过程中，还可以实时自动记录产流量。2、高精度称重单元可测量各种类型降雨，从结露到下霜等。在各种气候和水分条件下测量与大田相同情况的蒸散量、表层的实时蒸散值。3、蒸渗仪表面积可用户定制，可得到最佳降雨数据。物质平衡、水量平衡和其它结果可从蒸渗仪尺寸及表面推广到更大的尺度。蒸渗仪SOILSCOPE蒸渗计水文过程观测模拟设施在作物主根域，通过测量土壤不同深度的水量平衡和基质势，提供可用水量、干旱胁迫、过度施肥和过度灌溉预警。孔隙水取样，可将大田可用的水、肥可视化，用于确定可用肥力和地下水污染的潜在威胁。 二、系统设计 2.1系统组成和功能蒸渗仪SOILSCOPE蒸渗计水文过程观测模拟设施由土柱、称重系统、地下水连通单元、产流仪、土壤水温电导率传感器、土壤溶液取样单元、EcoScope蒸渗中心软件组成，电源、维护井或地下室组成。2.1.1两种水位调控模式蒸渗仪SOILSCOPE蒸渗计水文过程观测模拟罐体内地下水位控制有两种模式：a、即自动跟踪与人为设定，水位精度可达0.2mm。 b、补水、排水精度达到0.001mm。1）实现传统的固定地下水位 人工设定固定水位，水位平衡系统自动控制水泵，当罐体内水位低于设定值，水泵向罐体内注水；当罐体内水位高于设定值，水泵自动从罐体向外抽水，始终保持罐体水位在设定值附近。向罐体内注入的水和从罐体向外抽出的水，都经过高精度电子称精确称量，分辨率高达0.001mm。罐体底部的地下水连通器，与受控的双向高压泵相连，当罐体内的水位低于设定值时，水泵通过连通器向罐体内注水，使罐体内水位上升，达到预定水位时，停止注水。 反之，当罐体内的水位高于设定值时，水泵通过连通器向罐体外抽水，使柱体内水位下降，达到预定水位时，停止抽水。 向罐体内注入的水量和从罐体向外抽取的水量，都会被设置的称重单元精确计量，计量精度达到0.001mm。 罐体内的水位值，由精密的水位计测量，测量精度达到0.2mm。2）自动跟踪水位模式 水位平衡系统同时测量罐体内部水位和大田地下水位，自动跟踪大田水位，保持罐体内水位与大田的地下水位在相同的水平。控制动作过程与人为设定模式一样。大田的水位值，也是由精密的水位计测量，测量精度达到0.2mm。 自动水位调控方式，相当于把罐体内的地下水位与大田地下水位连通，用于完全模拟自然的田间水分状况。水位控制系统，每小时测量一次水位，并补充或抽取蒸散水量，可以得到罐体内蒸散的日变化曲线。3）人为设定水位调控模式 水位调控可以兼容两种控制、调节方式，即人为设定和自动调控。 人为设定模式：罐体内部水位完全由人工任意设置，最高可以到罐体内土壤表面，最低可以将罐体内部自由水完全排空。人为设定模式可以根据实验目的，任意改变罐体内的地下水位，并观察在不同的地下水位时作物的水分利用情况。 2.1.2 产流（Runoff）收集与测量蒸渗仪SOILSCOPE蒸渗计水文过程观测模拟由罐体内地表产流的收集装置、导流管、200kg缓冲储水箱、高精度电子称组成。径流收集装置可设置在罐体内土壤表层的中部，一个漏斗形的带过滤网的进水口，可以调整进水口高度，避免被土壤堵塞。2.1.3 地下水连通控制器1）确保罐体内的土壤水文过程与大田一致蒸渗仪柱体底部的水势参数是衡量蒸渗仪土柱与野外实际情况是否一致的必要指标，也是影响蒸渗仪土柱内植物生长环境的关键指标。国内蒸渗透仪系统底部的处理一般采用碎石和细砂作为滤层，使用过程中无法得到底部水势参数，此外，长年的运行，也会导致底部的微生物环境与罐体外大相径庭。SoilScope系统底部的地下水连通器可实现底部的注水或排水，且质地坚硬，能承载数十吨重的土体重量。除用于测定田间水势的变化外，还可测量排水量,定量控制蒸渗仪柱体底部的水势。蒸渗仪底部水势和罐体外部水势始终保持一致。2）自动实施排水和补水当地下水埋深比较深，传统的蒸渗仪系统的土柱体高度无法达到地下水位时，无法调节柱体底部水势。SoilScope系统配置了带有称重系统的水桶，能提供或接收连通器的排水，也能从水桶中抽水，实现补水，且排水量和补水量自动被数据采集器存储和记录。2.1.4自动溶液取样单元土壤溶液的取样是系统自动完成的。自动采样泵的数据也可记录在数据采集器中。传统的蒸渗仪系统一般采用人工采样，耗时耗力，且无法实现定时采样。自动采样泵：可连续输出或张力控制输出。带键盘和彩色、背景光显示屏幕，可方便设置和查看。可长期、连续运行。用于精确的孔隙水和渗漏水取样。是目前国际独创技术和产品，广泛用于欧盟蒸渗站。2.1.5土壤传感器蒸渗仪SOILSCOPE蒸渗计水文过程观测模拟设施EcoScope系统中采用的土壤水分传感器有两种可选。此两种传感器都获得了“水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心”检测合格证。来自德国是市场唯一的TDR原理土壤水分传感器，确保在测量土壤水分的过程中，不受土壤温度、电导率的影响。该传感器技术在全球已经使用了近三十年，用户遍布欧盟、美国、英国、加拿大、亚洲等国家实验室、大学和科研机构。采用负压原理测量土壤水势，不受土壤电导率的影响，适用于农田研究。采用外部注水，维护方便。带有温度传感器，液面指示器，便于注水时检测气泡，同时便于冬季排水，保护冻土层陶瓷杯，性能稳定、耐用是目前广泛用于欧盟蒸渗站的传感器。2.1.6 SoilScope设施数据采集和传输蒸渗仪SOILSCOPE蒸渗计水文过程观测模拟设施中心控制软件EcoScope 是澳作生态仪器公司自行研发设计、拥有软件著作权的的专业生态环境采集、计算软件。用户可自由选择同时显示在屏幕上的测点数据，如浏览各柱体的重量、产流量、各层土壤水分、温度、EC数据；同一界面显示同一柱体多层、或不同柱体同一层的土壤参数；对比显示不同柱体的重量、产流量、各层土壤水分、温度、EC数据；显示计算的参数如ET、潜水蒸发量。2.2 系统布设系统可以按照维护井和土柱井分别放入大田的方式建造如下图1，也可以将多个土柱放入一个地下室，如图2。罐体内的布设图如图3 ，用户可自设定土体剖面监测的深度和层数。2.3 数据采集频率2.4观测指标 三、应用案例 1、地下水位调控系统德国UMS公司建造的意大利NaPles 蒸渗仪系统用于原油事故污染土壤的生物修复。此外，也研究化学物质在固态、液态、气态转换中的运移。用户是Naples University。该系统带地下水位调控，根据野外的地下水位调控罐体内的地下水位，使它们保持一致。 如下图：2、地表径流收集系统Dedelow 蒸渗仪系统是欧盟大型项目TERENO的 蒸渗仪站之一，带地表径流收集功能，用于研究气候变化。欧盟TERENO SoilCAN-气候反馈机理项目的研究目标是气候变化对如下生态因子影响的特征分析和定量分析：C-/N 循环 和 C-/N 储量的变化生物-大气界面上温室气体的交换植被和微生物多样性及C和 N的动态变化，以及与生物多样性变化的耦合关系陆地水文（水量平衡，降雨变化，极端水文-气象事件（洪涝、干旱）、渗漏水质和水量、持水能力）研究入渗能力的蒸渗仪设计图如下，在Dedelow 蒸渗系统中，罐体表层中间有个地表径流收集器，比土壤表层高10mm，比罐体外沿低20mm。罐体外有地表径流的水管。 部分国内外应用如下：