CN214224855U - 一种智能远程称重式蒸渗仪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能远程称重式蒸渗仪系统，所述系统由称重蒸渗仪主体、水分调节装置、抗降雨干扰装置、抗风力干扰装置、供电单元、远程传输单元、远程数据中心构成。本实用新型针对当前称重式蒸渗仪维护难、抗气象因素干扰能力不足等问题，应用信息化技术，实现监测数据的质量控制与数据修正，并实现远程补水来解决测桶土壤可能存在干旱的问题，提高监测数据的可靠性，降低维护难度，广泛适用于农田、草地、林下等各类生态系统内的低成本蒸发蒸腾监测。

Description

一种智能远程称重式蒸渗仪系统

技术领域

本实用新型是属于土壤与植物蒸发蒸腾原位测量领域，具体地说是涉及一种智能远程称重式蒸渗仪系统。

背景技术

蒸发蒸腾是水文观测中的基本观测项，但在实际观测过程中，此项数据较为缺乏，大多都通过计算或水面蒸发换算得到。其原因在于观测设备价格昂贵、难以维护。由于原位监测的蒸渗仪通常位于偏远的试验区，难以常驻人员进行维护，存在诸多问题，例如称重数据无法实时获取，测桶内土壤含水率难以实现与外部土壤含水率保持一致，测桶的作物生长所需水量难以保障，称重数据受风力、降雨影响无法评估等。因此，需要开发一种精度较为可靠、便于远程维护、具有一定抗干扰能力且价格低廉的地中式称重蒸渗仪，提供一种更为便捷的蒸发蒸腾观测手段、丰富水文野外试验基地观测系统。

实用新型内容

实用新型目的：针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种智能远程称重式蒸渗仪系统，具备修正风力、降雨干扰能力与调节测桶水分使其与外界土壤保持一致的能力。

技术方案：本实用新型所述的一种智能远程称重式蒸渗仪系统：

包括称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4，供电单元5、远程传输单元6、远程数据中心；所述远程传输单元6与传感器108相连并进行数据传输；所述远程数据中心通过远程传输单元6无线连接称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4，接收、处理与储存远程传输单元6发来的信息并对称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4进行控制；所述供电单元5为称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4、远程传输单元6供电；

所述称重蒸渗仪主体1包括外桶101、称台102、内桶103、称重数采107；所述外桶101水平安装在监测区；所述称台102水平放置在所述外桶101内，所述称台102内置称重传感器111；所述内桶103放置在称台102顶部；所述称重传感器111与称重数采107连接；所述远程传输单元6连接称重数采107并将称重数据上传至远程数据中心；

所述抗风力干扰装置4包括风速仪401，所述风速仪401与远程传输单元6连接，数据上传至远程数据中心；风速仪401的风速数据与称重数采107的称重数据同步上传。

进一步地，所述水分调节装置2包括控制排水装置与补水装置：所述控制排水装置包括所述内桶103底部安装的由电磁阀109控制的排水管110，所述电磁阀109与远程传输单元6连接，远程传输单元6接收远程数据中心指令控制电磁阀109的开启与关闭；所述内桶103中安装传感器108，所述传感器108与远程传输单元6连接，数据上传至远程数据中心，远程数据中心中设定内桶103水分维持区间；所述补水装置包括水箱201、水位计202与补水泵203；所述水箱201盛有备用水，水箱201内放置补水泵203与水位计202，所述补水泵203管道204出口在所述内桶103上方且管道不与内桶103接触，使出水全部流入内桶103内，所述水位计202测量水箱201水位；所述补水泵203与供电单元5连接，采用继电器控制补水泵203通电或断电，继电器与远程传输单元6连接，根据远程数据中心的命令执行接通与断开补水泵203电源的指令；所述水位计202与远程传输单元6连接，数据上传至远程数据中心。

进一步地，所述系统包括抗降雨干扰装置3，所述的抗降雨干扰装置3包括数字化雨量计301，所述数字化雨量计301与远程传输单元连接6，降雨量数据上传至远程数据中心，数字化雨量计301的降雨量数据采集与称重数采107的称重数据同步。

进一步地，所述传感器108包括水位计、土壤水分传感器、电导率传感器、水势传感器。

进一步地，内桶103水分维持区间是以外部土壤水分、电导率、水势、地下水位为基准自动进行动态调整。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型显著效果在于：1、本实用新型通过内桶水补给与渗漏量控制，解决了现有蒸渗仪系统内桶内土壤水分无法与外界土壤保持一致而带来的蒸散数据代表性差的问题，同时通过远程数据中心统一运行调度，实现内桶内土壤含水率保持在预设区间或根据外部土壤含水率动态变化，并实现整个过程的全自动化；2、解决了目前称重蒸渗仪在内桶水满溢出后无法进行正常测量蒸发蒸腾的问题；3、本实用新型通过抗降雨干扰系统、抗风力干扰系统，能减轻甚至消除观测现场降雨与风力等天气因素对称重造成的干扰，使观测数据更加准确可靠。

附图说明

图1为智能远程称重式蒸渗仪系统整体结构示意图；

图2为测桶与集水井内部结构示意图；

图3为抗风力修正模式流程图；

图4为抗降雨修正流程图；

图5为水分调节流程图；

图6为综合控制方法流程图。

具体实施方式

为了详细的说明本实用新型公开的技术方案，下面结合说明书附图对本实用新型作进一步的阐述。

如图1与图2所示，本实用新型提供的是一种智能远程称重式蒸渗仪系统：

包括称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4，供电单元5、远程传输单元6、远程数据中心；远程传输单元6与传感器108相连并进行数据传输；远程数据中心通过远程传输单元6无线连接称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4，接收、处理与储存远程传输单元6发来的信息并对称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4进行控制；供电单元5为称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4、远程传输单元6供电。

称重蒸渗仪主体1，包括外桶101、称台102、内桶103、管道104、集水井105、防雨电箱106、称重数采107。外桶101和内桶103采用嵌套的方式安装。外桶101在使用时候需要水平安装或放置在监测区内，外桶101底部通过管道104与集水井105底部密闭相连，管道104优选硬质水管。集水井105顶部安装防雨电箱106，防雨电箱106 内安装称重数采107；外桶101内水平设置称台102，称台102内置悬臂梁式称重传感器核心111，称台102上放置内桶103；悬臂梁式称重传感器核心111的电信号连接线通过管道104进入到集水井105内的称重数采107，并将采集的重量数据传输到称重数采107。内桶103内盛有土壤用于种植植物，内桶103土壤中安装传感器108，内桶103 外壁覆盖隔热层，以免凝露干扰称重。集水井105内所安装排水泵112与浮球液位开关 113，浮球液位开关113控制排水泵112进行积水排除，排水泵112由供电单元5供电。另外，远程传输单元6连接称重数采107、传感器108并将其数据上传至远程数据中心；称重数采107、传感器108与远程传输单元6由供电单元5供电。

水箱201外壁与底面为多孔结构，整个水箱外包裹透水不透土的土工布，埋于地下，收集地下水作为补水水源。

测桶安装现场外部大地土壤中与蒸渗仪内桶103内相同的深度安装同样的水位计、土壤水分、电导率、水势传感器，所述传感器均通过与之相连的远程传输单元6将数据发送到远程数据中心，在远程数据中心中设定的内桶103水分维持区间是以外部土壤水分、电导率、水势、地下水位为基准自动进行动态调整的。

内桶103底部安装的由电磁阀109控制的排水管110，电磁阀109与远程传输单元 6连接，远程传输单元6接收远程数据中心指令控制电磁阀109的开启与关闭；内桶103 内土壤中安装土壤水分传感器、电导率传感器、水势传感器，传感器与远程传输单元6 连接，数据上传至远程数据中心。

抗风力干扰装置4包括安装于地面以上2米高度的风速仪401，风速仪401与远程传输单元6连接，数据上传至远程数据中心；瞬时风速的数据采集与称重数采107的称重数据同步。远程数据中心收到后，根据数据采集时的风速修正内桶103由于风力造成的称重影响；风速仪401与远程传输单元6由供电单元5供电。

智能远程称重式蒸渗仪系统，还包括水分调节装置2，其中水分调节装置2包括控制排水装置与补水装置；控制排水装置包括内桶103底部安装的由电磁阀109控制的排水管110，电磁阀109与远程传输单元6连接，远程传输单元6接收远程数据中心指令控制电磁阀109的开启与关闭；补水装置包括水箱201、水位计202与补水泵203；水箱201盛有备用水，水箱201内放置补水泵203与水位计202，补水泵203的管道204 出口在内桶103上方且管道不与内桶103接触，使出水全部流入内桶103内，水位计202 测量水箱201水位；补水泵203与供电单元5连接，采用继电器控制补水泵203通电或断电，继电器与远程传输单元6连接，根据远程数据中心的命令执行接通与断开补水泵 203电源的指令；水位计202远程传输单元6连接，数据上传至远程数据中心。

智能远程称重式蒸渗仪系统，还包括抗降雨干扰装置3，包括数字化雨量计301，数字化雨量计301与远程传输单元连接6，用于雨量的自动测量，并将数据上传至远程数据中心；数字化雨量计301的降雨量数据采集与称重数采107的称重数据同步，远程数据中心收到后，根据单个周期内的降雨量修正内桶103由于降雨造成的重量影响；数字化雨量计301与远程传输单元6由供电单元5供电。

水分调节装置2、抗降雨干扰装置3、抗风力干扰装置4可分别或两两组合或三者组合在一起与称重蒸渗仪主体1、供电单元5、远程传输单元6、远程数据中心构成智能远程称重式蒸渗仪系统。

由称重蒸渗仪主体1、抗风力干扰装置4、供电单元5、远程传输单元6、远程数据中心组成的称重式蒸渗仪系统，如图3所示，抗风力干扰修正控制方法如下：

S1、采用与内桶103及其种植的植物形状一致且重量不变的模型放置于称台102上，同时高频监测称重数据与风速数据，建立风速与称重数据变化量的拟合关系F_w，同时得出称重数据受不同干扰程度时对应的风速阈值。本步骤只在系统安装之初人工执行，得到拟合关系F_w与阈值后输入远程数据中心。

S2、远程数据中心以T₀为周期进行常规模式实时采集本监测周期末同时测得的内桶103称重数据W₀与风速数据WS₀，判断此刻风速WS₀是否小于等于用户设定的阈值，小于时不需修正。

S3、WS₀大于设定的阈值时，先记录下W₀与WS₀，进入风力修正模式。

1)测得W₀与WS₀后，经过小于T₀的时段T₂，临时读取一次时段T₂内称重数据 W₁与风速数据WS₁，判断WS₁是否小于等于设定的阈值。T₂可设为10秒。

2)若WS₁小于设定的阈值，则以此次的称重数据W₁与风速数据WS₁记录在备用数据库；

3)若WS₁仍大于设定的阈值，继续重复读取T₂时段后的称重数据W_n与风速数据WS_n，直到第n次测量结果WS_n小于设定的阈值为止，n≤5，将W_n记录在备用数据库；

4)若重复5次后，仍未测得WS_n小于设定的阈值，则把WS₁至WS_n中最小值对应的称重数据W_opt、将W_opt带入F_w修正后的W_opt-1作为两个备选数据储存以供用户选择，结束风力修正模式。

由称重蒸渗仪主体1、抗降雨干扰装置3，供电单元5、远程传输单元6、远程数据中心组成的称重式蒸渗仪系统，如图4所示，抗降雨干扰修正控制方法如下：

S1、远程数据中心以T₀为周期进行常规模式实时采集本监测周期末的内桶103称重数据与数字化雨量计301降雨数据，计算出本监测周期内桶103称重数据增量WA₀与降雨数据增量P₀，判断本周期降雨数据增量P₀是否为零，为零时无需修正。

T₀可为15分钟，T₀应该尽可能短，避免降雨溢出发生在两次监测之间。

S2、P₀大于零时，先记录下WA₀与P₀，进入雨量修正模式，经过小于T₀的时段T (1～3分钟)以后，临时采集一次称重数据与降雨数据，并计算时段T内称重数据增量 WA_T1与降雨数据增量P_T，P_T不等于0时，表明雨未停止，将P_T与内桶103面积S相乘，得到内桶103无溢出时的理论雨水重量增量WA_T2。

S3、由于所选的时段T较小，忽略该时段内桶103蒸发蒸腾的影响，WA_T1主要受降雨影响，比较WA_T1与WA_T2，当二者差值在称重传感器111与数字化雨量计301的误差做能造成的最大叠加误差范围之内时，判定内桶103还未发生溢出，上个监测周期内桶103蒸发蒸腾量为WA₀/S-P₀；当WA_T1与WA_T2差值在称重传感器与雨量计的误差做能造成的最大叠加误差范围之外时，表明内桶103已经发生水满溢出，上一周期T₀内蒸发蒸腾数据无效，此时远程数据中心继续以时段T为周期进行数据获取，计算称重增量WA_T1与降雨增量P_T，直到监测到时段T内的且WA_T1开始下降，则认为内桶103雨水溢出停止且开始通过蒸发蒸腾消耗水分，回归常规监测模式。

由称重蒸渗仪主体1、水分调节装置2，供电单元5、远程传输单元6、远程数据中心组成的称重式蒸渗仪系统，如图5所示，其土壤水分自动调节控制方法如下：

S1、蒸渗仪内桶103内相安装水位计、土壤水分、电导率、水势传感器，远程数据中心以T₀为周期同步读取称重数据与传感器108数据，用户在远程数据中心选择性地人工设定内桶103内土壤水分、电导率、土壤水势、桶内水位、土壤地下水位的维持区间，或以测桶外部土壤水分、电导率、水势、地下水位为基准自动进行动态调整维持。

S2、远程数据中心比对传感器108传回的数据，是否落在设定的区间内或接近基准，若土壤水分、桶内水位、土壤地下水位低于设定的区间，电导率、土壤水势高于设定的区间，表明土壤缺水，则通过远程传输单元获取水箱水位数据，若水量不足，则提示用户人工对水箱201补水，若水量足够，通过远程传输单元6开启补水泵203并维持设定的时长，一般为5～300秒，给内桶103补水，补水前后各测量一次内桶103重量，重量之差即为此次补水量。

S3、等待足以使水分下渗的时间，一般为5～30分钟后，即水分完全伸出后，再次采集传感器108数据进行比对，若土壤仍然缺水，则重复S2与本步骤，直到补水量足够为止。

S4、若S2中土壤水分、内桶103内水位、土壤地下水位高于设定的区间，电导率、土壤水势低于设定的区间，表明土壤水分过多，则远程数据中心通过远程传输单元6控制内桶103内电磁阀109开启并维持设定的时长，实现内桶103内水分排出，排水前后各测定一次内桶103重量，重量之差即为此次的排水量。

S5、排水完成之后，再次采集传感器数据进行比对，若土壤水分仍然过多，则重复S4与本步骤，直到排水量足够为止。

由称重蒸渗仪主体、水分调节装置、抗降雨干扰装置、抗风力干扰装置、供电单元、远程传输单元和远程数据中心构成的称重蒸渗仪系统，其获取的数据更加准确，如图6 所示，其综合控制方法如下：

S1、远程数据中心以用户设定的T₀为周期同时采集周期末的称重数据W₀、降雨数据P₀、风速数据W₀、内桶103传感器108数据。

S2、若T₀周期内降雨数据等于零，则按照土壤水分自动调节方法进行土壤水分调节、按抗风力干扰修正方法进行风速修正，并记录水分调节产生的补水量或排水量数据与修正后的称重数据。

S3、若T₀周期内降雨数据大于零，则根据抗降雨干扰修正方法判断是否内桶(103)是否溢出，若未溢出，则进一步按抗降雨干扰修正方法进行抗降雨修正，修正后再按照土壤水分自动调节方法进行土壤水分调节、按抗风力干扰修正方法进行风速修正，并记录数据。

S4、若内桶103已经溢出，则根据土壤水分自动调节方法进行内桶103排水，通过土壤水分自动调节控制计量方式进行排水量的计算。

S5、排水完成后，继续以T₀为周期进行称重数据监测与抗降雨、抗风力修正。

水分调节装置、抗降雨干扰装置、抗风力干扰装置也可根据实际需要互相组合结合称重蒸渗仪主体使用。

所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能远程称重式蒸渗仪系统，其特征在于：包括称重蒸渗仪主体(1)、抗风力干扰装置(4)，供电单元(5)、远程传输单元(6)、远程数据中心；所述远程传输单元(6)与传感器(108)相连并进行数据传输；所述远程数据中心通过远程传输单元(6)无线连接称重蒸渗仪主体(1)、抗风力干扰装置(4)，接收、处理与储存远程传输单元(6)发来的信息并对称重蒸渗仪主体(1)、抗风力干扰装置(4)进行控制；所述供电单元(5)为称重蒸渗仪主体(1)、抗风力干扰装置(4)、远程传输单元(6)供电；

所述的称重蒸渗仪主体(1)包括外桶(101)、称台(102)、内桶(103)、称重数采(107)；所述外桶(101)水平安装在监测区；所述称台(102)水平放置在所述外桶(101)内，所述称台(102)内置称重传感器(111)；所述内桶(103)放置在称台(102)顶部；所述称重传感器(111)与称重数采(107)连接；所述远程传输单元(6)连接称重数采(107)并将称重数据上传至远程数据中心；

所述抗风力干扰装置(4)包括风速仪(401)，所述风速仪(401)与远程传输单元(6)连接，数据上传至远程数据中心；风速仪(401)的风速数据与称重数采(107)的称重数据同步上传。

2.根据权利要求1所述的一种智能远程称重式蒸渗仪系统，其特征在于，所述传感器(108)包括水位计、土壤水分传感器、电导率传感器、水势传感器。

3.根据权利要求1所述的一种智能远程称重式蒸渗仪系统，其特征在于，所述系统还包括水分调节装置(2)；所述水分调节装置(2)包括控制排水装置与补水装置：所述控制排水装置包括所述内桶(103)底部安装的由电磁阀(109)控制的排水管(110)，所述电磁阀(109)与远程传输单元(6)连接，远程传输单元(6)接收远程数据中心指令控制电磁阀(109)的开启与关闭；所述内桶(103)中安装传感器(108)，所述传感器(108)与远程传输单元(6)连接，数据上传至远程数据中心，远程数据中心中设定内桶(103)水分维持区间；所述补水装置包括水箱(201)、水位计(202)与补水泵(203)；所述水箱(201)盛有备用水，水箱(201)内放置补水泵(203)与水位计(202)，所述补水泵(203)管道(204)出口在所述内桶(103)上方且管道不与内桶(103)接触，使出水全部流入内桶(103)内，所述水位计(202)测量水箱(201)水位；所述补水泵(203)与供电单元(5)连接，采用继电器控制补水泵(203)通电或断电，继电器与远程传输单元(6)连接，根据远程数据中心的命令执行接通与断开补水泵(203) 电源的指令；所述水位计(202)与远程传输单元(6)连接，数据上传至远程数据中心。

4.根据权利要求3所述的一种智能远程称重式蒸渗仪系统，其特征在于，所述内桶(103)水分维持区间是以外部土壤水分、电导率、水势、地下水位为基准自动进行动态调整。

5.根据权利要求1或3所述的一种智能远程称重式蒸渗仪系统，其特征在于，所述系统包括抗降雨干扰装置(3)，所述的抗降雨干扰装置(3)包括数字化雨量计(301)，所述数字化雨量计(301)与远程传输单元连接(6)，降雨量数据上传至远程数据中心，数字化雨量计(301)的降雨量数据采集与称重数采(107)的称重数据同步。

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