CN105352844B - 一种蒸渗仪水位自动补偿系统及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸渗仪水位自动补偿系统及其补偿方法，其包括土柱，土柱底部设置有渗漏管，渗漏管一端经管路连接水柱底部；位于渗漏管与水柱之间的管路上设置有供排水切换电磁阀，并在水柱上设置有水柱水位传感器；水柱底部通过管路还与水箱连通，位于水柱与水箱之间的管路上设置有补水电磁阀；供排水切换电磁阀、水柱水位传感器和补水电磁阀电连接至数据采集控制器。本发明结构简洁，通过数据采集控制器计算和控制实现精确的控制和测量，系统功耗小，稳定可靠，可以大量替换目前现有的人工观测的蒸渗仪供排水系统中，解除大量的人工，并且提高观测精度，具有较高的科研价值和推广意义。

Description

一种蒸渗仪水位自动补偿系统及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种水位自动补偿系统及其补偿方法，特别是关于一种在水文、气象、水利、农业、林业等领域中使用的蒸渗仪水位自动补偿系统及其补偿方法。

背景技术

目前，在水文、气象、水利、农业、林业等相关领域的科研和常规观测建设的蒸渗工程中，大量使用了基于马利奥特瓶原理，控制水头来调节测坑的供排水量，坑体下部的渗漏管与马氏并相连，通过调节马氏瓶的负压，来平衡土柱内土壤的吸力，由于马氏瓶需要一调压瓶来控制其负压，因此，在马氏瓶缺水时需要解除压力来补水，且调压瓶内也需要重新补水和得新调压，调压过程存在溢出，影响观测室内环境，其最大的问题是，补水和调压的过程比较烦琐，补水和调节过程比较长，在大型观测室群需要周而复始的频繁操作，需要投入大量的人员来操作，且带来很大的人工误差，另一方面，由于采用马氏瓶，仍需要人工来定期依据水位刻度来记录供水量和排水量，仍需要大量的人工来操作，严重的影响到了常规观测和科研的进度，在管理机制不完善的情况下，未及时的补充水和观测记录，人为的操作误差，一致性误差都将影响到各种工作的开展。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种蒸渗仪水位自动补偿系统及其补偿方法，其结构简洁、操作方便。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种蒸渗仪水位自动补偿方法，其特征在于，该方法如下：1)采用一台以上的蒸渗仪水位自动补偿系统构成一个蒸渗仪自动观测网络，蒸渗仪水位自动补偿系统由土柱、渗漏管、水柱、供排水切换电磁阀、水柱水位传感器、水箱、补水电磁阀、数据采集控制器、大田水位传感器和通信总线构成；2)由数据采集控制器控制补水电磁阀开启向水柱内补充水源，并预先设定补充水源保护时间，当超过预设保护时间后，数据采集控制器控制补水电磁阀关闭，停止供水，由数据采集控制器内的蜂鸣器报警；3)蒸发时，数据采集控制器控制供排水切换电磁阀切换到与水柱连通的状态，当水柱内水位补充到预定值后，水柱内的水通过供排水切换电磁阀进入渗漏管，由渗漏管以毛管形式向上传递至土柱内，使水柱内的水位逐渐下降，同时水柱水位传感器连续测量水柱的水位并将测量数据传输至数据采集控制器；当下降到水柱预定值后，数据采集控制器立即启动补水电磁阀向水柱内补水到预定值；完成一次补水动作，数据采集控制器会记录本次的耗水量并保存在存贮器内，以供上位机读取；4)当土柱内土壤在受到大量降雨或灌溉后，且在上层土壤水饱和以后，土壤水由重力势向下渗漏，土壤水重力势超过水柱当前水位后，开始反向给水柱充水，土壤中水通过渗漏管和供排水切换电磁阀流向水柱，在水柱水位上升过程中，水柱水位传感器连续测量水柱的水位并将测量数据传输至数据采集控制器，当上升达到水柱预定值后，数据采集控制器立即将供排水切换电磁阀切换到排水状态，直到水柱水位下降到预订值后，再次将供排水切换电磁阀切换到供水状态，完成一次排水动作，数据采集控制器中的数据存贮器存储本次排水量，以供上位机读取。

优选地，所述步骤3)中，所述水柱内的水位预定值采用人工设定为一个固定值，或采用由所述大田水位传感器传输至数据采集控制器的动态变化水位值为预定值。

优选地，所述数据采集控制器根据供排水量和土柱表面积以及水柱的面积，计算出所述土柱的蒸发量和渗漏量：

式中，E_T为陆面蒸发量/渗漏量，单位为mm；r为水柱的半径，单位为m；r₀为土柱的半径，单位为m；h为水柱预设值下降/上升高度，单位为m。

一种实现上述蒸渗仪水位自动补偿方法的补偿系统，其特征在于：所述补偿系统包括土柱、渗漏管、水柱、供排水切换电磁阀、水柱水位传感器、水箱、补水电磁阀和数据采集控制器；所述土柱底部设置有所述渗漏管，所述渗漏管一端经管路连接所述水柱底部；位于所述渗漏管与所述水柱之间的管路上设置有所述供排水切换电磁阀，并在所述水柱上设置有所述水柱水位传感器；所述水柱底部通过管路还与所述水箱连通，位于所述水柱与所述水箱之间的管路上设置有所述补水电磁阀；所述供排水切换电磁阀、水柱水位传感器和补水电磁阀电连接至所述数据采集控制器。

优选地，所述数据采集控制器还连接有大田水位传感器，所述大田水位传感器采集到的自然界中大田水位信息传输至所述数据采集控制器内作为参考值；所述数据采集控制器还通过通信总线与上位机连接。

优选地，所述水柱采用透明的UPVC材料制成。

优选地，所述数据采集控制器包括水柱水位测量电路、大田水位测量电路、ARM处理器、补水电磁阀驱动电路、三通电磁阀驱动电路、数据存贮器、SDI-12通信接口、RS485通信接口、蜂鸣器、LCD显示屏、键盘和电源管理电路；所述水柱水位测量电路、大田水位测量电路将所述水柱的水位信息传输至所述ARM处理器，所述ARM处理器根据接收到的水位信息控制所述补水电磁阀驱动电路、三通电磁阀驱动电路工作，并将相应信息存储至所述数据存贮器；所述ARM处理器通过所述SDI-12通信接口和RS485通信接口与上位机进行通信；所述ARM处理器上还连接有蜂鸣器、LCD显示屏和键盘；所述电路管理电路用于为各电路单元分配电源。

优选地，所述ARM处理器采用型号为STM32系列的单片机。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明具有结构简洁，以较少的零部件，通过数据采集控制器计算和控制实现精确的控制和测量，系统功耗小，稳定可靠，可以大量替换目前现有的人工观测的蒸渗仪供排水系统中，解除大量的人工，并且提高观测精度，具有较高的科研价值和推广意义。

附图说明

图1是本发明的蒸渗仪水位自动补偿系统结构示意图；

图2是本发明的数据采集控制器结构示意图；

图3是本发明的应用系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种蒸渗仪水位自动补偿系统，其包括土柱1、渗漏管2、水柱3、供排水切换电磁阀4、水柱水位传感器5、水箱6、补水电磁阀7、数据采集控制器8、大田水位传感器9和通信总线10。土柱1底部设置有渗漏管2，渗漏管2一端经管路连接水柱3底部；位于渗漏管2与水柱3之间的管路上设置有供排水切换电磁阀4，并在水柱3上设置有水柱水位传感器5。水柱3底部通过管路还与水箱6连通，位于水柱3与水箱6之间的管路上设置有补水电磁阀7。供排水切换电磁阀4、水柱水位传感器5和补水电磁阀7连接至数据采集控制器8，数据采集控制器8还与大田水位传感器9连接，大田水位传感器9采集到的自然界中大田水位信息，传输至数据采集控制器8内作为参考值；数据采集控制器8还可以通过通信总线10与上位机连接。

上述实施例中，水柱3采用透明的UPVC材料制成，易于加工制造，并带有水位刻度。

上述各实施例中，水箱6可以采用有压水源或无压水源向水柱3内补充水源，采用有压水源时由电磁阀进行控制，采用无压水源时由水泵向水柱3补充水源。

上述各实施例中，如图2所示，数据采集控制器8包括水柱水位测量电路11、大田水位测量电路12、ARM处理器13、补水电磁阀驱动电路14、三通电磁阀驱动电路15、数据存贮器16、SDI-12通信接口17、RS485通信接口18、蜂鸣器19、LCD显示屏20、键盘21和电源管理电路22。水柱水位测量电路11、大田水位测量电路12将水柱3的水位信息传输至ARM处理器13，ARM处理器13根据接收到的水位信息控制补水电磁阀驱动电路14、三通电磁阀驱动电路15工作，并将相应信息存储至数据存贮器16。ARM处理器13通过SDI-12通信接口17和RS485通信接口18与上位机进行通信；ARM处理器13上还连接有蜂鸣器19、LCD显示屏20和键盘21，系统运行参数通过键盘21输入，蜂鸣器19用来提示有报警存在，当有报警产生时，不仅在LCD显示屏20上进行显示提示信息，而且会驱动蜂鸣器19发声，以提醒操作人员来检查。电源管理电路22用于向上述各电路单元分配电源。

上述实施例中，ARM处理器13可以采用型号为STM32系列的单片机。

上述各实施例中，水柱水位测量电路11、大田水位测量电路12都可以连接一硅压阻式水位传感器。

上述各实施例中，为了提高水位的测量精度和稳定性，在ARM处理器13上还连接有一个数字温度传感器，用于测量当前的环境温度，补偿水柱水位传感器5的温度漂移。

本发明还提供一种蒸渗仪水位自动补偿方法，采用一台或多台本发明的蒸渗仪水位自动补偿系统构成一个蒸渗仪自动观测网络，数据既可以通过通用的数据采集设备收集和记录，也可以使用计算机来实时显示和存贮数据，以实现自动控制，自动采集，自动存贮。本发明具体包括以下步骤：

1)由数据采集控制器8控制补水电磁阀7开启向水柱3内补充水源，并预先设定补充水源保护时间，当超过预设保护时间后，数据采集控制器8控制补水电磁阀7关闭，停止供水，由蜂鸣器19报警，以防止特殊情况过量供水，并通过报警可以检查出水箱是否有充足的水源；其中，补充水源的预设保护时间是以计算一次补水总量与通过电磁阀流速的乘积。

2)蒸发时，数据采集控制器8控制供排水切换电磁阀4切换到与水柱3连通的状态，当水柱3内水位补充到预定值后，由于土壤的蒸发，水柱3内的水通过供排水切换电磁阀4进入渗漏管2，由渗漏管2通过土壤以毛管形式向土柱1内上层土壤传递，这样会不断消耗水柱3内的水，从而使水柱3内的水位逐渐下降，同时水柱水位传感器5连续测量水柱3的水位并将测量数据传输至数据采集控制器8；当下降到水柱补水阈值后，数据采集控制器8立即启动补水电磁阀7向水柱3内补水到预设高度，即补充到预定值，完成一次补水动作。数据采集控制器8会记录本次的耗水量并保存在存贮器内，以供上位机读取。

其中，水柱3内的水位预定值可以采用人工设定为一个固定值，也可以采用大田水位传感器9的动态变化水位为预定值。大田水位传感器9的水位动态变化量传输给数据采集控制器8，作为水柱水位的参考值，可以实现水柱水位与大田水位联动，其目的是实现土柱水位自动模拟大田水位。

3)当土柱1内土壤在受到大量降雨或灌溉后，且在上层土壤水饱和以后，土壤水由重力势向下渗漏，土壤水重力势超过水柱3当前水位后，开始反向给水柱3充水，土壤中水通过渗漏管2和供排水切换电磁阀4流向水柱3，在水柱水位上升过程中，水柱水位传感器5连续测量水柱3的水位并将测量数据传输至数据采集控制器8，当上升达到水柱排水阈值后，数据采集控制器8立即将供排水切换电磁阀4切换到排水状态，直到水柱水位下降到预定值后，再次将供排水切换电磁阀4切换到供水状态，完成一次排水动作，数据采集控制器8中的数据存贮器16存储本次排水量，以供上位机读取。

上述各步骤中，数据采集控制器8根据供排水量和土柱表面积以及水柱的面积，计算出土柱1的蒸发量和渗漏量，蒸发量和渗漏量的计算方法如下：

式中，E_T为陆面蒸发量/渗漏量，单位为mm；r为水柱的半径，单位为m；r₀为土柱的半径，单位为m；h为水柱预设值下降/上升高度，单位为m。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种蒸渗仪水位自动补偿方法，其特征在于，该方法如下：

1)采用一台以上的蒸渗仪水位自动补偿系统构成一个蒸渗仪自动观测网络，蒸渗仪水位自动补偿系统由土柱、渗漏管、水柱、供排水切换电磁阀、水柱水位传感器、水箱、补水电磁阀、数据采集控制器、大田水位传感器和通信总线构成；

2)由数据采集控制器控制补水电磁阀开启向水柱内补充水源，并预先设定补充水源保护时间，当超过预设保护时间后，数据采集控制器控制补水电磁阀关闭，停止供水，由数据采集控制器内的蜂鸣器报警；

3)蒸发时，数据采集控制器控制供排水切换电磁阀切换到与水柱连通的状态，当水柱内水位补充到预定值后，水柱内的水通过供排水切换电磁阀进入渗漏管，由渗漏管以毛管形式向上传递至土柱内，使水柱内的水位逐渐下降，同时水柱水位传感器连续测量水柱的水位并将测量数据传输至数据采集控制器；当下降到水柱预定值后，数据采集控制器立即启动补水电磁阀向水柱内补水到预定值；完成一次补水动作，数据采集控制器会记录本次的耗水量并保存在存贮器内，以供上位机读取；所述水柱内的水位预定值采用人工设定为一个固定值，或采用由所述大田水位传感器传输至数据采集控制器的动态变化水位值为预定值；

4)当土柱内土壤在受到大量降雨或灌溉后，且在上层土壤水饱和以后，土壤水由重力势向下渗漏，土壤水重力势超过水柱当前水位后，开始反向给水柱充水，土壤中水通过渗漏管和供排水切换电磁阀流向水柱，在水柱水位上升过程中，水柱水位传感器连续测量水柱的水位并将测量数据传输至数据采集控制器，当上升达到水柱预定值后，数据采集控制器立即将供排水切换电磁阀切换到排水状态，直到水柱水位下降到预订值后，再次将供排水切换电磁阀切换到供水状态，完成一次排水动作，数据采集控制器中的数据存贮器存储本次排水量，以供上位机读取。

2.如权利要求1所述的一种蒸渗仪水位自动补偿方法，其特征在于：所述数据采集控制器根据供排水量和土柱表面积以及水柱的面积，计算出所述土柱的蒸发量和渗漏量：

式中，E_T为陆面蒸发量/渗漏量，单位为mm；r为水柱的半径，单位为m；r₀为土柱的半径，单位为m；h为水柱预设值下降/上升高度，单位为m。

3.一种实现如权利要求1至2任一项所述蒸渗仪水位自动补偿方法的补偿系统，其特征在于：所述补偿系统包括土柱、渗漏管、水柱、供排水切换电磁阀、水柱水位传感器、水箱、补水电磁阀和数据采集控制器；所述土柱底部设置有所述渗漏管，所述渗漏管一端经管路连接所述水柱底部；位于所述渗漏管与所述水柱之间的管路上设置有所述供排水切换电磁阀，并在所述水柱上设置有所述水柱水位传感器；所述水柱底部通过管路还与所述水箱连通，位于所述水柱与所述水箱之间的管路上设置有所述补水电磁阀；所述供排水切换电磁阀、水柱水位传感器和补水电磁阀电连接至所述数据采集控制器。

4.如权利要求3所述的补偿系统，其特征在于：所述数据采集控制器还连接有大田水位传感器，所述大田水位传感器采集到的自然界中大田水位信息传输至所述数据采集控制器内作为参考值；所述数据采集控制器还通过通信总线与上位机连接。

5.如权利要求3所述的补偿系统，其特征在于：所述水柱采用透明的UPVC材料制成。

6.如权利要求3所述的补偿系统，其特征在于：所述数据采集控制器包括水柱水位测量电路、大田水位测量电路、ARM处理器、补水电磁阀驱动电路、三通电磁阀驱动电路、数据存贮器、SDI-12通信接口、RS485通信接口、蜂鸣器、LCD显示屏、键盘和电源管理电路；所述水柱水位测量电路、大田水位测量电路将所述水柱的水位信息传输至所述ARM处理器，所述ARM处理器根据接收到的水位信息控制所述补水电磁阀驱动电路、三通电磁阀驱动电路工作，并将相应信息存储至所述数据存贮器；所述ARM处理器通过所述SDI-12通信接口和RS485通信接口与上位机进行通信；所述ARM处理器上还连接有蜂鸣器、LCD显示屏和键盘；所述电源管理电路用于为各电路单元分配电源。

7.如权利要求6所述的补偿系统，其特征在于：所述ARM处理器采用型号为STM32系列的单片机。