自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統的研制

王富慶，許雅欣，高士佩，王同順

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.江蘇省水利科學研究院，南京 210024)

0 引 言

蒸發蒸騰量是水循環過程中重要環節之一[1]，也是地球系統水分消耗的主要方式[2]，控制著陸地生態系統和大氣之間的物質和能量交換[3]，影響農業用水[4,5]、生態模型[6]、區域干濕狀況[7]等，因此精確估算蒸發蒸騰量對于制定合理的灌溉制度和排水標準、設計可靠的灌區水資源配給方案、發展節水農業具有重要的意義。然而由于陸地、植被與大氣之間的相互作用復雜多樣，因而蒸發蒸騰量成為水循環組成中最難估算項[8]。

截止目前，陸面蒸發蒸騰量的實測方法主要有渦動相關法、波文比法、閃爍儀、液流法、蒸滲儀法等。其中渦動相關法的應用易受地形和氣象條件限制[9]，夜間易導致平流，進而導致蒸發蒸騰量低估[10]，此外渦動相關法觀測范圍較大，難以實現小尺度水分脅迫處理條件下作物蒸發蒸騰監測；而波文比法需要較多氣象數據，在小尺度作物水分脅迫試驗中，其氣象數據差異可能較小，對于小尺度水分脅迫處理條件下作物蒸發蒸騰同樣很難監測；閃爍儀多用于監測大尺度蒸發蒸騰量，其傳感器之間的距離為5 km，對于小尺度作物蒸發蒸騰量仍然難以使用；液流法主要用于單株尺度蒸騰速率的監測，對于農田尺度蒸發蒸騰監測有一定難度，需要選取適當的方法進行尺度提升[11]；蒸滲儀法觀測范圍較小，其觀測值代表性較差，但由于觀測范圍較小，可以用于小尺度不同水分脅迫條件下作物蒸發蒸騰的監測。目前國內外應用較多的是能夠測定短時段內作物蒸發蒸騰量的稱重式蒸滲儀，按照儀器構造尺寸可分為大型稱重式蒸滲儀和小型稱重式蒸滲儀。大型稱重式蒸滲儀精度高，代表性好， 1996年美國亞利桑那州大學設計的兩臺大型稱重式蒸滲儀[12]，測量精度可達0.04 mm；印度Karnal也有兩臺重達14 t的電子稱重式蒸滲儀[13]；武漢大學2006年研制的智能化稱重式蒸滲儀系統[14]，測量精度達0.05 mm。但上述蒸滲儀系統普遍存在基礎質量大、不可移動、設計復雜、成本高昂的缺點，在應用上受到一定限制。小型稱重式蒸滲儀結構簡單、造價較低，同時能夠滿足一定的精度要求，因此在作物棵間蒸發測量中廣泛使用。美國許多城市現已采用小型稱重式蒸滲儀估計草地用水消耗與回流水量[15]；巴西2013年研制的測量煙草需水量的小型半封閉箱體結構稱重式蒸滲儀[16]，測量精度達0.06 mm；我國康躍虎[17]等人發明的“田間農作物吊掛式稱重電測蒸滲儀”應用吊掛式稱重傳感器進行測量，精確度也很高。但上述小型稱重式蒸滲儀的稱重設施均建于地上，稱重期間大風、大雨等天氣因素會對測量產生較大影響，同時人工作業對作物生長環境有一定干擾，易造成試驗數據的系統誤差，導致觀測精度的降低。另外，現有的小型稱重式蒸滲儀要求每臺蒸滲儀配備一套固定的稱重設備，不利于節約成本，且難以滿足不同處理和重復試驗對測筒數量的需要。因此，急需要一種結構簡單、不易受天氣狀況影響、對作物生長干擾小、節約成本的稱重式蒸滲儀。在充分吸取國內外有關稱重式蒸滲儀特點的基礎上，開發研制了高精度自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統。

1 總體結構與工作原理

自動地下軌道稱重式蒸滲儀包括用于種植作物的測筒和位于測筒下方的地下室結構(圖1)，其中測筒主要由回填土體及土體中埋設的土壤溫濕傳感器組成，地下室結構包括地下軌道、設于地下軌道上的移動稱重裝置、數據采集器和控制系統。移動稱重裝置包括設于地下軌道上可以移動的軌道小車、設于軌道小車上可伸縮的升降機、小車頂板、以及設于小車頂板上對測筒進行稱重的可移動電子秤。軌道小車通過底部設置的滑輪可沿著地下軌道上的滑輪導軌滑動。為了降低設備總造價，只采用單臺電子秤，通過其底部設置的滑輪可沿著小車頂板上沿每列測筒方向設置的滑輪導軌滑動。紅外定位器設于每一個測筒中心正下方、小車頂板上測點處和電子秤底部中心，測筒、軌道小車以及電子秤之間通過紅外定位器準確定位。數據采集器與電子秤相連，控制系統控制軌道小車的電機運轉、升降機的升降、以及數據采集器所采集的數據處理和顯示。

圖1 地下軌道稱重式蒸滲儀整體結構1-測筒；2-地下室；3-地下軌道；4-控制系統；5-可移動軌道小車；6-升降機；7-小車頂板；8-可移動電子秤；9-紅外線定位器

2 數據采集與監控系統

數據采集與監控系統主要由軌道小車、升降機、電子秤、工控機、PLC、通訊模塊和數據采集分析軟件組成。數據采集全部為智能化采集，數據采集器所采集的數據，通過通訊模塊傳輸到工控機中，通過自主開發的軟件對數據進行處理，并按照設定的格式和周期保存。

2.1 稱重系統

稱重裝置包括設于地下軌道上可以移動的軌道小車、設于軌道小車上可伸縮的升降機、小車頂板、以及設于小車頂板上對測筒進行稱重的可移動電子秤。稱重系統主要由軌道、小車、升降機、小車頂板以及電子秤等組成。蒸滲儀設計為圓形柱狀體，高為1.2 m，內徑為0.68 m，截面面積約為0.363 m2，滿足灌溉試驗規范[18](SL 13-2015)中關于小型蒸滲儀截面面積不小于0.36 m2的要求。蒸滲儀、土體、土壤溫濕傳感器和數采設備，在滿載時總重量達數噸。稱重系統的分辨率為10 g，采用高精度的電子秤進行測量。由于蒸滲儀截面面積為0.363 m2，其觀測精度相當于0.028 mm水層深度，滿足灌溉試驗規范(SL 13-2015)中逐日作物蒸發蒸騰量觀測誤差不大于1 mm的要求。

2.2 全自動稱重流程

軌道小車裝有光電開關、傾角傳感器、起點限位開關、終點限位開關，可實現全自動定時、定次對測筒進行稱重。

在全自動稱重過程中，設定好全自動軟件的工作時間，小車通過底部設置的滑輪沿地下軌道滑動至首排測筒正下方停止，通過紅外定位器與首排測筒準確定位，PLC控制蝸輪螺桿升降機啟動，使升降平臺升起并頂起測筒，稱重系統采集到電子秤所測測筒重量的數據，通過WLAN無線傳輸方式將數據傳輸到工控機，工控機上的采集軟件自動對數據進行保存和處理。PLC再次控制蝸輪螺桿升降機啟動，使升降平臺降下，電子秤通過底部設置的滑輪沿小車頂板上設置的滑輪軌道滑動，通過紅外定位器與同排下一個測筒準確定位，重復上次稱重過程直至同排所有測筒稱重完畢，小車恢復向前滑動至下一排測筒進行稱重，直至所有排測筒稱重完畢(圖2)。如遇緊急情況，可點擊工控機自主開發軟件主界面 “緊急停車”按鈕，停止所有操作。再按一次“緊急復位”按鈕，可恢復正常。

2.3 土壤剖面溫度和含水率

土壤剖面溫度、含水率測量選用科瑞特力fds120傳感器，含水率(體積水)測量范圍為0～100%，精度2%，溫度測量范圍為-40～+50 ℃，精度±1 ℃，埋設深度為10、30、50和90 cm(圖3)。

圖2 稱重系統工作流程圖

圖3 測筒土壤剖面傳感器布設圖

通過預設時間間隔，土壤溫度和含水率傳感器自動測定電壓信號，由巡檢儀進行收集，以WLAN無線傳輸方式將數據傳輸到工控機，工控機上的采集軟件自動對數據進行保存和處理(圖4)。

圖4 測筒土壤溫度和含水率系統工作流程圖

2.4 軟 件

上位機軟件基于組態王、Qt、C/C++進行開發，操作系統為Windows XP。其中軌道小車稱重系統的上位機軟件基于組態王開發，用于控制小車和升降機，實現對各個測筒重量的測量，同時記錄稱重系統采集到的數據；測筒數據采集系統的上位機軟件以Qt為開發環境用C/C++語言開發，主要功能是定時對測筒傳感器的數據進行采集，同時存儲到數據庫中。在這兩個系統中，為了使數據易于分析和整理，采用了access數據庫。

上位機軟件模塊組成如圖5所示，其主要功能包括參數設定、手動調試控制、傳感器配置、溫度/含水率測量、測筒重量測量及數據儲存等。數據采集間隔可根據試驗要求自行設定。

圖5 上位機軟件模塊組成

3 自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統精度檢驗

3.1 計算公式

自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統精度的檢驗通過對比分析稱重系統與含水率計算所得到的蒸發蒸騰量來實現，其中通過稱重系統計算的蒸發蒸騰量采用灌溉試驗規范(SL 13-2015)推薦的公式：

(1)

式中：ET1-2為階段蒸發蒸騰量，mm；G1為時段開始時的蒸滲儀總質量，kg；G2為時段末時的蒸滲儀總質量，kg；Gm為時段內向蒸滲儀的灌水量，kg；Gp為時段內落入蒸滲儀內的降水量，kg；Gc時段內蒸滲儀中的土表及底層排水量之和，kg；S蒸滲儀內的水平截面積，m2。

利用測定土壤含水率來計算作物蒸發蒸騰量時，采用灌溉試驗規范(SL 13-2015)推薦的公式：

(2)

式中：ET1-2為階段蒸發蒸騰量，mm；i為土壤層次號數；n為土壤層次總數目；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時段始的體積含水率；Wi2為第i層土壤在時段末的體積含水率；M為時段內的灌水量，mm；P為時段內的降水量，mm；K為時段內的地下水補給量，mm；C為時段內的排水量(地表排水與下層排水之和)，mm。

試驗中采用防雨棚排除了降雨因素對測量結果的影響，且蒸滲儀無地下水向上補給量，因此，K=0，P=0，由含水率傳感器的埋設深度，時段內的灌水量、排水量，即可求出時段內的ET1-2。

3.2 含水率計算值與蒸滲儀測定值對比分析

圖6為2016年7月24日-2016年10月18日，由稱重系統和含水率分別計算的棉花花鈴期每日蒸發蒸騰量(ET)。在棉花花鈴期，蒸滲儀計算ET序列與土壤含水率計算ET序列日變化趨勢基本一致。每次灌水后，ET值均出現明顯的向上升方向的趨勢性變化，且ET峰值出現在灌水后的1～3 d內，并在灌水后的4～5 d內逐漸恢復至灌水前的平均值，符合一次灌水對作物蒸發蒸騰量的影響規律。

圖6 棉花花鈴期含水率計算值與蒸滲儀計算值的變化曲線與結果對比

相關性分析發現二者具有顯著的線性相關關系(圖7)，回歸系數為0.895 2，通過0.01的顯著性檢驗，回歸直線斜率為0.920 8，說明土壤含水率計算ET較蒸滲儀計算ET偏小，偏小約7.9%。這一方面可能是由于土壤含水率傳感器埋設數量較少，未能全面反映測筒剖面含水率沿深度的變化情況所致；另一方面，考慮到測筒土壤為回填土，土壤與測筒壁之間貼合不密實將導致灌水后水分主要聚集在測筒邊緣或沿筒壁下滲，進而導致測筒內水分分布不均，含水率傳感器實測值偏小。

圖7 棉花花鈴期含水率計算值與蒸滲儀計算值的相關性分析

綜上，稱重系統計算的ET與含水率計算的ET變化趨勢一致，線性相關系數較高，說明通過自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統監測的數據穩定可靠，可用于不同水分脅迫條件下作物機理響應規律研究。

4 結 語

在吸取國內外有關蒸滲儀優缺點的基礎上，開發研制了高精度自動地下軌道稱重式蒸滲儀測控系統，該系統在地下室中進行監控測量，可排除大風、大雨等天氣對蒸滲儀監測數據的影響。地下室結構包括地下軌道、移動稱重裝置、數據采集器和控制系統，控制系統采用上位機軟件全自動智能控制各設備工作，移動稱重裝置可實現對各個測筒的獨立準確測量，能夠滿足不同處理和重復試驗對測筒數量的要求，且大幅度降低了成本，上位工控機與數據采集器之間通過WLAN進行數據傳輸，可實現無人值守測量。檢測分析表明，稱重系統對蒸發蒸騰量(ET)的觀測精度達0.028 mm，稱重系統計算的ET與含水率計算的ET變化趨勢一致，回歸系數為0.895 2，回歸直線斜率為0.920 8，說明該稱重系統精度較高，且所測數據穩定可靠，可用于研究不同灌溉方式下作物需水規律，不同水分脅迫作物響應機理，化肥、農藥對土壤水的作用和影響及土壤水量平衡等。

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