自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)引進與開發(fā)

陶延懷，司振江，黃 彥

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)引進與開發(fā)

陶延懷，司振江，黃 彥

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

蒸滲儀一般包括蒸滲土筒、稱重系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等部分，是研究作物需水、耗水，開展精準灌溉試驗研究的試驗裝置，分為非稱重式和稱重式兩種，稱重式又分液壓式、杠桿式和電子稱重式(自動稱重式)。本自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)是通過承擔水利部“948”計劃“自動稱重式土壤蒸滲系統(tǒng)引進與開發(fā)”項目，在消化、吸收德國先進技術基礎上，創(chuàng)新出的具有自主知識產(chǎn)權、運行穩(wěn)定、環(huán)境適應能力強的國產(chǎn)化基礎試驗平臺。

蒸滲儀；技術引進；消化吸收；系統(tǒng)開發(fā)

蒸滲儀是一種設在田間(反映田間的自然環(huán)境)或溫室內(nèi)(人工模擬自然環(huán)境)裝滿土壤的大型儀器，儀器中土壤表面或者裸露或者種植各種作物，主要用于測定植物總蒸散量、滲漏速度、滲漏量，以及土壤中含水量的變化等有關水量平衡系統(tǒng)的各個分量[1]。能夠準確測量土壤含水量、蒸散量，實時反映土壤水勢、土壤溫度的剖面變化，揭示作物需水、耗水規(guī)律和土壤水分變化規(guī)律。國內(nèi)技術需求單位多采用國外壟斷的進口設備，為打破國外產(chǎn)品在國內(nèi)的壟斷，部分單位采取自行設計、試制蒸滲儀，從而取代價格昂貴的進口同類產(chǎn)品，但都因研發(fā)的產(chǎn)品存在結構龐大、投資過高等不利因素，最終沒有形成標準化、定型產(chǎn)品。

1 自動稱重式土壤蒸滲系統(tǒng)引進

1.1 問題提出

基于水資源短缺矛盾已日趨尖銳，灌溉農(nóng)業(yè)快速發(fā)展對水資源剛性需求日益加劇，國內(nèi)許多科研院所、研究基地、大學院校，采取自行設計制造價格昂貴、占地面積較大的大型稱重式蒸滲儀或引進由國外壟斷的進口同類設備，開展作物需水、耗水、土壤水分遷移等精準灌溉試驗的實際情況。課題研究人員通過“948”計劃，引進德國UMS公司生產(chǎn)的自動稱重式土壤蒸滲儀系統(tǒng)進行了消化、吸收、再創(chuàng)新，設計出具有自主知識產(chǎn)權的自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)。

1.2 技術消化吸收

1.2.1 技術分析

自動稱重式土壤蒸滲系統(tǒng)包括溫濕傳感器、蒸滲土筒、稱重系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集箱等部分[2-3]。其中，溫濕傳感器分土壤溫度傳感器和土壤濕度(水勢)傳感器，分別按照不同土層深度安裝在蒸滲土筒測試土體內(nèi)；蒸滲土筒為鋼制圓筒，土筒表面積為1.0 m2、高2.0 m，土筒側壁按照不同深度預留溫濕傳感器安裝孔，土筒底緣留有排水孔和補水孔；稱重系統(tǒng)的支撐結構為鋼制“人”字型，被稱物體(蒸滲土筒)與三支重量傳感器直接接觸；數(shù)據(jù)采集箱通過數(shù)據(jù)線連接溫濕傳感器和稱重傳感器，采用移動存儲設備從其下載重量、溫度、水勢等測試數(shù)據(jù)。

1.2.2 技術先進性

自動稱重式土壤蒸滲系統(tǒng)結構簡單、占地小、稱量范圍大(6 t)、稱量精度高(100 g，能準確測定0.01 mm水層變化引起的重量變化值)，測量間隔可任意設置，能實時、定時測量不同深度的土壤水勢、水分和溫度，及原位測量土壤水分特征曲線，可隨時供試驗者下載、查詢、分析、整理測試數(shù)據(jù)。

1.2.3 存在不足

系統(tǒng)工況條件與國內(nèi)標準不匹配。在按照我國防雷標準建有地網(wǎng)、防雷裝置的試驗場內(nèi)，設備安裝當晚其水勢傳感器因雷雨天氣而被擊穿。

系統(tǒng)耐久性防護設計不完善。進口設備將蒸滲土筒直接安放在稱重系統(tǒng)的三支重量傳感器上，缺少傳感器減壓、卸荷等防護設計及裝置，易造成傳感器疲勞，系統(tǒng)穩(wěn)定性無保障，影響設備使用年限等問題。

系統(tǒng)自動化水平不高。進口設備測定的重量、土壤水勢、溫度等基本測試數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)線傳輸至數(shù)據(jù)采集箱，屬有線傳輸，數(shù)據(jù)下載、分析、整理均需人工操作。

2 自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)開發(fā)

2.1 基本思路

全面剖析引進技術的結構、組成、功能及先進性，明確了移植改造的技術瓶頸和擬解決的關鍵問題。結合項目承擔單位已有經(jīng)驗，以及國內(nèi)應用的其他蒸滲儀的經(jīng)驗做法，確定了重點攻克核心技術、同步研發(fā)配套技術、系統(tǒng)組裝單項技術、測試修正中試技術、推廣應用定型技術的技術方案。

2.2 系統(tǒng)設計

綜合進口設備的技術組成、先進性及存在問題，將國產(chǎn)化自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)劃分為溫濕傳感器、蒸滲土筒、稱重系統(tǒng)、重量卸荷裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等5個單元，結構型式見圖1。

圖1 自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)結構圖1—水勢傳感器；2—溫度傳感器；3—蒸滲土筒；4—稱重系統(tǒng)；5—重量卸荷裝置；6—數(shù)據(jù)線；7—主機；8—重量顯示器；9—交換機；10—計算機

2.2.1 阻抗式土壤濕度傳感器

溫濕傳感器是測定土壤溫度、濕度(水勢)的探測元件，包括溫度傳感器和土壤濕度傳感器。溫度傳感器已是成熟技術，有定型產(chǎn)品，且精度滿足要求，可直接選用。土壤濕度傳感器采用三種：阻抗式土壤濕度傳感器、TDR-3型土壤水分傳感器、地表水位傳感器。其中，TDR-3型土壤水分傳感器、地表水位傳感器的技術成熟、性能可靠，可直接應用成型產(chǎn)品。市場已有阻抗式土壤濕度傳感器，受其組成、結構影響，在水平安裝時排氣難，影響測試準確度，不宜直接選用。新型阻抗式土壤濕度傳感器采用倒梯型集氣室，在水平安裝使用時，便于排凈空氣，保證測試精度和性能穩(wěn)定。結構型式見圖2。

圖2 新型阻抗式土壤濕度傳感器結構圖1—陶土頭；2—集氣室套管；3—管塞；4—前段排氣管；5—后段排氣管；6—前段進氣管；7—后段進氣管；8—壓力傳感器；9—集氣室

2.2.2 蒸滲土筒

蒸滲土筒采用測筒和防滲保護筒組成的組合式結構。其中，測筒為圓形鋼筒，測筒裸土測試面積為1.0 m2,根據(jù)不同作物根系要求，筒高可分別設計成1.0 m、1.5 m、2.0 m，并焊有外傾防雨沿，防止雨水倒灌。防滲保護筒采用雙“L”型防滲結構，能夠有效防止外水內(nèi)滲。結構型式見圖3。

圖3 蒸滲土筒結構圖1—防雨沿；2—穿線槽；3—穿線孔；4—傳感器插孔；5—排水孔；6—蒸滲土筒；7—“L”型防滲保護筒

2.2.3 稱重系統(tǒng)

稱重系統(tǒng)是自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)的核心技術，包括支撐臂、重量傳感器、數(shù)據(jù)存儲顯示三部分。

支撐臂采用高耐壓的輕型槽鋼焊接，并依據(jù)三角形穩(wěn)定性和三點確定一個平面原理，三條支撐臂將平面360°三角等分為120°，結構型式類似“人”字，該結構型式能保證三支重量傳感器受力均勻；重量傳感器選用H8C-C3-2.0t-4B型，稱量范圍為2 t，鑒別力100 g；應用Σ-Δ模數(shù)轉換技術，將重量電訊號轉換為數(shù)字信號，在可讀性1/50 000的顯示器上顯示和計算機上存儲。系統(tǒng)結構型式見圖4。

圖4 稱重系統(tǒng)結構圖1—重量傳感器;2—系統(tǒng)支撐臂;3—數(shù)據(jù)線;4—顯示器;5—顯示屏

2.2.4 重量卸荷裝置

重量卸荷裝置采用桿件連接結構，包括帶有加厚支座并可安放稱重系統(tǒng)的支架、用于支撐測筒可上下移動的支撐座、保證支撐座自由移動的升降裝置以及用于調(diào)整卸荷架支撐面水平的底腳調(diào)節(jié)螺栓。該裝置可在試驗間歇期，為重量傳感器減壓，提高稱重系統(tǒng)穩(wěn)定性、耐久性和精度，延長稱重系統(tǒng)的使用壽命。結構型式見圖5。

圖5 重量卸荷裝置結構圖1—支撐座；2—加厚支座；3—千斤頂；4—支架；5—加固板；6—底腳調(diào)節(jié)螺栓

2.2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集器、控制卡、模擬量采集卡、通訊模塊和數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。具有中文菜單操作界面，可采集重量、土壤水勢、溫度、滲漏量、地下水位等試驗數(shù)據(jù)，應用預存土壤物理參數(shù)的系統(tǒng)軟件分析、存儲測試結果，并將測試結果以表格和曲線的方式在計算機上顯示，或直接查詢、下載、打印。

3 結 語

自動稱重式蒸滲儀系統(tǒng)，經(jīng)專家鑒定整體技術達國際先進水平，已獲新產(chǎn)品鑒定證書和批量生產(chǎn)許可，是引進、消化、吸收國外先進技術，國產(chǎn)化再創(chuàng)新的典型案例之一。截止2016年，在內(nèi)蒙、廣西、寧夏及黑龍江省共10余家單位建設應用近200套。

[1] 郭會軍，張建豐，王志林，等.基于LabVIEW和ARM處理器的大型稱重式蒸滲儀測控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報， 2013，29(16):134-141.

[2] 黑龍江省水利科學研究院.自動稱重式蒸滲儀研制技術總結報告[R].哈爾濱：黑龍江省水利科學研究院，2011.

[3] 黑龍江省水利科學研究院.稱重式蒸滲儀系統(tǒng)技術總結報告[R].哈爾濱：黑龍江省水利科學研究院，2015.

Introduction and development of automatic weighing lysimeter system

TAO Yanhuai, SI Zhenjiang, HUANG Yan

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

The lysimeter is a test device for the study of crop water demand, water consumption and precision irrigation test, which includes the soil cylinder, weighing system, data collection generally, it is divided into non weighing type and weighing type, and weighing type includes hydraulic type, lever type and electronic weighing type (automatic weighing type). Automatic weighing lysimeter system is “introduction and development of automatic weighing soil lysimeter” project by taking the “948” plan of the Ministry of Water Resources. It innovates out domestic basic test platform with independent intellectual property rights, stable operation and strong environment adaptability on the basis of digestion and absorption of Germany advanced technology.

lysimeter; technology introduction; digestion and absorption; system development

陶延懷(1968-)，男，黑龍江綏棱人，研究員級高級工程師，主要從事節(jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境修復技術研究。E-mail:Taoyanhuai1968@163.com。

TH79

A

2096-0506(2017)02-0027-04