杠杆式大型蒸渗仪

        蒸渗仪（Lysimeter）是一种安装在室外空旷观测场（反映田间的自然环境）或温室内（人工模拟自然环境）装满土壤、测定农田蒸腾蒸发和地下水—土壤水转化的标准试验设备。其通过对被测土壤（原状土或人工配制实验土）水循环的记录分析，以研究农作物的耗水规律和SPAC系统中水分运移转化规律。该设备可单个或成组、成套设置，适用于农田、草原、森林及河流湿地等生态系统水文循环的长期监测。近年来，随着电子技术、土壤物理学和微气候学等学科领域不断深入发展，蒸渗仪与先进的传感 器和数据采集装置配合使用，应用范围已拓展到垃圾填埋场等模拟研究领域。

        XHZ-ZS201蒸渗仪设备采用先进的高分辨率称重系统，配置有先进的水分、电导率、盐分传感器和智能数据采集器及信号传输系统，可通过对被测土壤及作物蒸腾蒸发和地下水—土壤水转化的监    测，研究农作物的耗水规律和SPAC系统中水分运移规律。并对测量的数据进行实时在线快速分析处理、记录存储和远程传输，做到了数据采集的高速化、准确化和人性化，大大提高了工作效率，降低了劳动强度。

图1  蒸渗仪群设备安装前地表

图2  蒸渗仪群设备安装后地表

图3  蒸渗仪地下室秤体部分

图4  蒸渗仪地下室秤体部分

1. 系统设备组成

    (一)测量部分：由土壤、钢筒、杠杆系统平台、称重系统、渗漏量传感器、称重传感器等组成。

    (二)数据传输部分：由前端放大器和数据转换模块等组成。

    (三)终端显示部分：由数据采集器、备用电源及配套软件等组成。

蒸渗仪测控系统组成框图

2. 单套蒸渗仪主要配置如下：

3. 系统设备主要参数

    （1）被测土体规格： 表面积6.6㎡，总深度2.3m；

    （2）蒸散量总称重范围：45吨；

    （3）蒸散量总称重精度：330g（折合0.05mm）；

    （4）渗漏量量程：5千克； 

    （5）渗漏量称重精度：1g（折合0.001mm）；

    （6）显示和通讯方式：触摸屏操控显示，本地PC数据和远程数据交互；定时时钟精度1min/月，最短定时时间5min，连续工作时段不超过1年；本地存储(数据10min的采样间隔下，大于1年的存储量)，支持U盘数据下载。

    （7）电压范围和工作环境：AC 220V 50HZ；DC 24V； 

        相对湿度≤90% （30℃）

        工作温度 -20℃～50℃。

    （8）土壤水分、温度和电导率三个参数用一个传感器同时测量，每套蒸渗仪设置7个测量点位

        测量指标：土壤体积含水量、土壤温度和电导率；

        量程：0-100%，-40-80℃，0-23 dS/m；

        分辨率：0.08%，0.1℃，0-7ds/m内0.01 dS/m；

        精度：±1~3%，±0.5℃，0-7ds/m内±5%；

        供电电压：3.6-12 VDC；

        信号输出：SDI-12；

        运行环境：-40-85℃；

        线缆长度：默认5米，可定制其他长度；

        探针材料：防腐特制电极；

        密封材料：黑色环氧树脂；

        防护等级：IP68 ；

        传感器尺寸：整体厚度不超过1.5cm，探针长度不超过5cm。

    （9）水势测量准确度：±(10% + 2 kPa)@ -9 kPa至-100 kPa；

        分辨率：0.1 kPa；

        范围：-9 kPa 至-100000 kPa。

4. 系统测量原理

        对于被蒸渗仪测量的土柱，其水量平衡方程为：

△S = P + I + Q - △R – ET (1)

        式中△S为土壤储存水量的变化，P为降水量，I为灌溉量，Q为地下水流，△R为净地表径流量，ET为蒸腾蒸发量。对于蒸渗仪，△R一般可以忽略，方程1可改为：

ET = P + I + Q - △S (2)

        降水量（P）和灌溉量（I）可以由雨量计和水表直接测得。土壤储存水量的变化量（△S）代表降水或灌溉后水分的增加，或测量蒸腾蒸发作用导致水分的损失，这些较难测量。所以产生了高精度的称重系统来测量△S。

        地下水流Q代表由蒸渗仪供排水系统供进和排出的土柱的水量。在地下水位不发生变化时，加入到土柱的水量为地下水对土壤水的补给量（Eg），Eg = Q ，由土柱排出的水量为地下水补给量（Rg），Rg =  Q ，如果大田中地下水位发生了变化，为了保持仪器内水位与大田水位一致，须向土柱内加入或排出一定水量，地下水对土壤水的补给量与入渗量可由其间接计算得出。

        如果地下水位上升的△H

Eg = Q – a·△H   (3)

        如果地下水位下降了△H

Eg = b·△H – Q   (4)

        a和b为吸水和脱水实验测定的系数。实际上a=b=△Q，△Q为地下水位上升或下降时含水量的变化，可由水分仪测得。

5. 称重系统原理

        杠杆式蒸渗仪称重机构原理如下图所示：称重系统采用专用的称重传感器，作用在杠杆系统中，用于测量在平衡状态下土体的水分变化量。

蒸渗仪称重机构

        一级杠杆利用4个50cm刀口和支座来支撑底座的重量，然后通过二级杠杆将重量再传递到3级杠杆上，从最后通过三级杠杆上加载的高低度称重传感器来测量土体重量的变化量，也就是蒸散量。

杠杆式蒸渗仪刀口布设

6. 数据采集系统原理

        数据采集及配套软件具有即测即存功能，防止测量数据丢失。可以在线显示蒸渗量过程、渗漏量变化过程。全汉字人机交互操作界面，具有在线帮助功能。定时时钟精度1min/月。最短定时时间5min，连续工作时段不超过1年。

        本地存储(所有数据10min的采样间隔下，大于3年的存储量)，掉电不失，支持U盘数据下载（下位机数据可直接下载到U盘，存储为TXT格式，上位机可导成excel格式）。控制及显示方式：人机交互（触摸屏）操控，具备显示当前测量数据、设置采样时间（1min-60min，步长为1min的多档位）、下位机时间以及管理下位机U盘等。

        在土箱的排水口，安装渗漏量传感器，测得渗漏量变化量。蒸散量由贮水量和渗漏量计算得到。本系统中，单位时间的蒸散量是这样计算的。贮水量变化量减去渗漏量变化量即为蒸散量。由方程（2）可以看出，实际本系统的蒸散量包含了降雨量和灌溉量。

7. 系统设备性能特点

        （1）杠杆式蒸渗仪都是直接作用在一级二级杠杆上测量，通过高精度加工的刀口和刃口来支持重量，最后通过配重来平衡土体重量，没有中间（其他结构形式部分）环节的影响，测量变化量计算出蒸散量，所以从数据的时效性来讲都具有一定的延时性。

        （2）杠杆式蒸渗仪安装简单，后期维护方便。

        （3）杠杆式蒸渗仪虽然对刀口和刃口的各项要求较高，但是选择耐用度、韧劲较高的合金钢材料来加工刀口，这样就保证了设计杠杆比的稳定性以及整体结构的平衡性，也就对数据的准确性和稳定性就有所保障。

三级杠杆平衡系统