CN201508305U - 一种陆面蒸散发过程观测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种陆面蒸散发过程观测系统，包括观测井、容器、称重传感器和数据采集器，所述观测井内放置容器，所述观测井底部设有基座，基座上面设有凸台，在凸台的间隔处设置的三角支架上设有螺钉和称重传感器；所述容器放置在称重传感器上，所述容器的底部设有导管，容器通过导管和漏斗连接翻斗式渗漏计，翻斗式渗漏计一侧设有竖井，竖井内安装水位传感器，所述称重传感器、翻斗式渗漏计和水位传感器均通过信号调理器连接到数据采集器；所述观测井一侧通过支架架设WXT520六要素气象传感器和太阳能电池板。本实用新型有益效果为：具有较高的集成性、稳定性、实时性、安全性、可靠性和自动化程度，使用方便、范围广。

Description

一种陆面蒸散发过程观测系统

技术领域

本发明涉及一种陆面蒸散发自动监测系统，特别涉及一种陆面蒸散发过程观测系统，该系统不但能够自动准确测定设定时刻的陆面蒸散发量，还可以监测同期的土壤水势、空气温湿度、土壤渗漏量、风速、地下水水位等环境要素指标；除此之外，还具备所采集数据的GPRS无线远距离传输和网络分析功能。

背景技术

蒸散发是水分在土壤-植物-大气连续体系统中一个重要而又十分复杂的运动过程。精确测定陆面蒸散发和对其量值的合理估算对于科学研究全球或者区域气候、气候变化，以及区域水资源循环特征，制定区域水资源利用和农业灌溉规划等方面意义重大，因而它一直是气象、水文水资源、农学、水利工程等与水有关的相关学科领域研究的重要内容。

受技术发展水平的限制，目前还没有通用的方法直接测量陆面实际蒸散发量，因此国际土产生了“蒸发悖论”的长期辩论。对实际蒸散发量的测定通常主要采用间接的方法，包括水量平衡法、梯度法、涡度相关法、波文比能量平衡法、遥感遥测法等。基于水量平衡原理的称重式蒸渗仪法是目前观测实际蒸散发量是国内外公认的方法。国内外的研究已经表明：陆面蒸散发过程与土壤状况、气象条件等因素密切相关，具体包括土壤水势、土壤温度、地下水位、空气温度、空气湿度、风速、降雨量频率和强度等诸多方面。研究这些常规土壤或者气象参数与蒸散发量之间的关系，分析各种要素之间的物理机制，建立一个准确的陆面蒸散发计算模型，进而可以利用这些相对容易得到的常规参数对一个地区或一片区域的蒸散发量准确预测。

研究常规参数与蒸散发量的关系需要对各个要素进行独立观测。而传统陆面蒸散发观测方法中各仪器设备的分布较为分散，各仪器传感器所处的外界环境存在着差异，不利于获取各相关变量的准确数值。另外，受微电子和控制技术应用水平的限制，到目前为止，现有的仪器不能实现长期无人值守的不间断监测，以及信号的同步问题。所采集得到的监测数据数量有限，不能很好的反映各变量之间的连续变化过程和相互物理机制关系。基于目前快速发展的集成电路以及传感器测试技术，综合考虑与陆面蒸散发相关的主要因素，建立一套综合性的高精度陆面蒸散发实时自动监测系统成为目前对陆面蒸散发过程进行全面研究的一项关键技术。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种陆面蒸散发过程观测系统，以克服上述问题，该系统不但能够准确测定设定时刻的陆面蒸散发量，还可以监测同期的土壤水势、温湿度、渗漏量、风速、地下水水位等指标，另外此系统适应野外复杂环境，实现无人长期值守，通过因特网进行自动无间断测量。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现：

一种陆面蒸散发过程观测系统，包括观测井、容器、称重传感器和数据采集器，所述观测井内放置容器，容器顶部与观测井顶部地表平齐，观测井四周设置围挡，所述观测井底部设有基座，基座上面修筑互成120度对称分布的三个混凝土凸台，在凸台的间隔处设置三角支架，三角支架通过三个螺钉作为支脚设置在基座上面，在构成三角支架的三个支撑梁上分别安装称重传感器；所述容器放置在三角支架上的称重传感器上，所述称重传感器连接信号调理器，信号调理器通过SDI-12总线连接到数据采集器上。

所述蒸渗仪容器中的土壤选取站址附近的原状土，容器内、外的土壤中埋入分别设有土壤水分水势传感器，容器内、外土壤水分水势传感器的数据线首先汇合到总线接线盒，总线接线盒通过一条SDI-12总线与数据采集器连接。

所述容器的底部设计一导管，导管下侧设有漏斗，漏斗通过另一导管连接到翻斗式渗漏计，翻斗式渗漏计一侧开挖竖井，竖井内安装水位传感器，所述翻斗式渗漏计和水位传感器均通过信号调理器连接到数据采集器。

所述观测井一侧安装支架，支架上架设WXT520六要素气象传感器和太阳能电池板，WXT520六要素气象传感器与数据采集器相连，太阳能电池板与12V直流电源连接；所述数据采集器还连接GPRS传输终端。

所述信号调理器由称重信号放大调理电路、称重传感器激励电源、水位信号放大调理电路、SDI-12接口电路、单片机、A/D转换器、非易失寄存器、实时时钟电路、事件记录电路组成，单片机分别与SDI-12接口电路、非易失寄存器、实时时钟电路、A/D转换器连接，所述SDI-12接口电路与数据采集器连接，A/D转换器分别连接称重信号放大调理电路和水位信号放大调理电路；称重传感器激励电源与SDI-12接口电路均连接称重传感器，事件记录器连接实时时钟电路。

本实用新型所述的陆面蒸散发过程观测系统的有益效果为：可以准确获得试验场地的多个指标，包括陆面实际蒸散发量以及土壤水势、温湿度、渗漏量、风速、地下水位等，集成度高、综合性强，保证数据的可靠，安全性高；陆面蒸散发精度高，观测数据采样频次快，并可在线分析观测的数据，具有极高的稳定性，造价较为低廉，且非常易于维护，设计观测寿命达10年以上；适用范围广，自动化程度更高，节省了大量的人力物力，并且可以得到更加丰富的试验数据。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述的陆面蒸散发过程观测系统的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例所述的陆面蒸散发过程观测系统的容器底部基座的俯视图；

图3是本实用新型实施例所述的陆面蒸散发过程观测系统的电路连接图。

图中：

1、观测井；2、围挡；3、土壤水分水势传感器；4、吊耳；5、容器；6、凸台；7、称重传感器；8、螺钉；9、三角支架；10、基座；11、导管；12、漏斗；13、导管；14、电缆；15、导管；16、信号调理器；17、翻斗式渗漏计；18、竖井；19、水位传感器；20、数据采集器；21、设备井；22、GPRS天线；23、支架；24、太阳能电池板；25、WXT520六要素气象传感器；26、总线接线盒；27、SDI-12总线；28、GPRS传输终端；29、土壤水分水势传感器；30、12V直流电源；31、称重信号放大调理电路；32、称重传感器激励电源；33、水位信号放大调理电路；34、SDI-12接口电路；35、单片机；36、A/D转换器；37、非易失寄存器；38、实时时钟电路；39、事件记录电路。

具体实施方式

如图1-3所示，本实用新型实施例所述的陆面蒸散发过程观测系统，包括观测井1、容器5、称重传感器7和数据采集器20，所述观测井1内放置测量蒸散发量的蒸渗仪容器5，容器5顶部与观测井1顶部地表平齐，观测井1四周设置围挡2，所述观测井1底部建造圆形的钢筋混凝土基座10，基座10上面修筑互成120度对称分布的三个混凝土凸台6，在凸台6的间隔处设置一个三角支架9，三角支架9通过其外围的三个螺钉8作为支脚设置在基座10上面，通过旋转螺钉8可调整三角支架9的高度，在构成三角支架9的三个支撑梁上分别安装称重传感器7；所述容器5放置在三角支架9上的称重传感器7上，在向三角支架9上安放容器5前，首先调整三角支架9的高度，使三个称重传感器7低于凸台6的上表面，然后旋转三角支架9上的螺钉8，使称重传感器7稳步上升，逐渐与容器5底部接触，进而抬升容器5脱离凸台6；所述称重传感器7首先与信号调理器16连接，而后通过SDI-12总线连接到数据采集器20上，通过数据采集器20定时采集称重传感器7的信号，得到容器5重量的变化量ΔS。

所述蒸渗仪容器5中的土壤选取站址附近的原状土，并在土壤中埋入土壤水分水势传感器3，容器5内土壤水分水势传感器3的数据线首先汇合到总线接线盒26，总线接线盒26通过一条SDI-12总线27与数据采集器20连接；容器5外部土壤中埋入土壤水分水势传感器29，容器5外的土壤水分水势传感器29的数据线汇合到总线接线盒26，总线接线盒26通过一条SDI-12总线27与数据采集器20连接。

所述容器5的底部设计一导管11，渗漏的水分通过漏斗12和导管13收集到外部的翻斗式渗漏计17中，数据采集器20根据翻斗式渗漏计17的测试信号可以反映出设定时间的土壤水分渗漏量，在试验场地的翻斗式渗漏计17一侧开挖竖井18，竖井18内安装水位传感器19，所述翻斗式渗漏计17和水位传感器19均通过信号调理器16连接到数据采集器20上。

所述土样旁边的地表安装支架23，支架23上架设WXT520六要素气象传感器25和太阳能电池板24，WXT520六要素气象传感器25与数据采集器20相连，可以测试得到风速、风向、降水量、大气压力、大气温度、相对湿度等气象指标，太阳能电池板24与12V直流电源30连接，直流电源30通过SDI-12总线向数据采集器20和各路传感器供电；所述数据采集器20还连接以GPRS传输终端28，数据采集器20将测试数据传送给GPRS传输终端28，GPRS传输终端28通过GPRS天线22将数据传输到服务器上，供用户下载使用。

信号调理器16由称重信号放大调理电路31、称重传感器激励电源32、水位信号放大调理电路33、SDI-12接口电路34、单片机35、A/D转换器36、非易失寄存器37、实时时钟电路38、事件记录电路39组成，单片机35是信号调理器16的核心，分别与SDI-12接口电路34、非易失寄存器37、实时时钟电路38、A/D转换器36连接，通过SDI-12接口电路34与数据采集器20保持通信，非易失寄存器37存储采集到的传感器数据，防止系统掉电时数据丢失，实时时钟电路38用于计时，A/D转换器36分别连接称重信号放大调理电路31和水位信号放大调理电路33，用于将采集到的模拟信号转换为数字信号；称重传感器激励电源32与SDI-12接口电路34和称重传感器7连接，用于向称重传感器7提供电源，事件记录器39与实时时钟电路38连接，用于记录渗漏发生的时间和渗漏量。

本应用实例的安装和工作过程如下：

1、首先旋转螺钉8，调整三角支架9的高度，使三个称重传感器7低于凸台6的上表面，然后通过容器5两侧的吊耳4将其放置在观测井1中的凸台6上，旋转螺钉8，使称重传感器7稳步上升，逐渐抬升容器5脱离凸台6，最后连接好电路，完成本系统的安装。

2、太阳能电池板24通过12V直流电源30向数据采集器20和有源各路传感器供电，数据采集器20向信号调理器16的核心单片机35发送采集指令，单片机35根据称重传感器7、水位传感器19和翻斗式渗漏计17的信号得到容器5重量的变化量ΔS(折合成mm)、地下水位和渗漏量Q，然后单片机35将测得的数据返回给数据采集器20，并在非易失寄存器37中备份。

3、数据采集器20向WXT520六要素气象传感器25发送指令，测试得到风速、风向、降水量P、大气压力、大气温度、相对湿度等指标，通过土壤水分水势传感器3得到土壤水势大小。

4、由测试得到的容器5重量的变化量ΔS、渗漏量Q和降水量P，数据采集器20根据水分平衡公式ET＝P+Q-ΔS(不考虑地表径流)计算可得实际陆面蒸散发量ET。

5、GPRS传输终端28将数据采集器20得到的实际陆面蒸散发量ET、土壤水势、风速、风向、降水量P、大气压力、大气温度、相对湿度等指标通过GPRS天线22传输给服务器，供用户下载使用。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接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。

附：重要术语和名词解释

1.“蒸发悖论”：是指观测到的水面蒸发的趋势和实际散发趋势相反的一种现象。

2.土壤水势：可逆地和等温地从特定高度和大气压下的纯水水池转移极少量水到土壤中某一研究点每单位数量纯水所做的功。

3.GPRS：通用分组无线业务General Packet Radio Service)的简称，是一种以全球手机系统(GSM)为基础的数据传输技术，提供端到端的的无线IP连接。

4.SDI12：串行数据通讯接口Serial Digital Interface协议的简称，在气象、水文观测领域的标准协议，在该协议支持下，总线方式通信，只需通过一根三芯电缆即可把一台数据采集器与多个传感器联系起来。

Claims (5)

1.一种陆面蒸散发过程观测系统，包括观测井、容器、称重传感器和数据采集器，观测井内放置容器，观测井底部设有基座，基座上设置一个三角支架，三角支架的支撑梁末端垂直连接螺钉和称重传感器，容器设置在称重传感器上，其特征在于：三角支架的横梁之间设有互成120度对称分布凸台，所述容器的底部通过导管连接翻斗式渗漏计，所述翻斗式渗漏计一侧设有水位传感器；所述观测井一侧设有支架，支架上架设WXT520六要素气象传感器和太阳能电池板。

2.根据权利要求1所述的综合性陆面蒸散发自动监测系统，其特征在于：所述称重传感器、翻斗式渗漏计和水位传感器均通过信号调理器连接数据采集器。

3.根据权利要求1所述的综合性陆面蒸散发自动监测系统，其特征在于：所述容器底部的导管下侧设有漏斗，漏斗通过另一导管连接到翻斗式渗漏计；所述水位传感器放置在翻斗式渗漏计一侧的竖井内。

4.根据权利要求1所述的综合性陆面蒸散发自动监测系统，其特征在于：所述WXT520六要素气象传感器与数据采集器相连，太阳能电池板与12V直流电源连接；所述数据采集器还连接GPRS传输终端。

5.根据权利要求1所述的综合性陆面蒸散发自动监测系统，其特征在于：所述信号调理器由称重信号放大调理电路、称重传感器激励电源、水位信号放大调理电路、SDI-12接口电路、单片机、A/D转换器、非易失寄存器、实时时钟电路、事件记录电路组成，单片机分别与SDI-12接口电路、非易失寄存器、实时时钟电路、A/D转换器连接，所述SDI-12接口电路与数据采集器连接，A/D转换器分别连接称重信号放大调理电路和水位信号放大调理电路；称重传感器激励电源与SDI-12接口电路均连接称重传感器，事件记录器连接实时时钟电路。

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