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BN-ZTZS101 直称式土壤蒸渗仪
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北京波恩仪器仪表测控技术有限公司(简称“波恩仪器” )，位于北京市昌平区回龙观镇中关村生命科学园，这里是集生命科学研发、企业孵化、中试与生产、成果评价鉴定、生物技术项目展示发布，风险投资、交流、人员培训于一体的高科技园区。我司是一家集自主研发、生产组装、专业承包、销售、维护、贸易等服务为一体的，专业从事多个种类仪器仪表的研发生产型企业。 北京波恩仪器仪表测控技术有限公司持续改进质量管理、优化管理流程、提高服务质量和参与市场竞争，打下了良好基础。北京波恩仪器仪表测控技术有限公司的产品涵盖多个行业，广泛应用于企业、研究所、高校、石油、化工、冶金、热处理、压力容器、机械制造、汽车制造等工业领域。 北京波恩仪器仪表测控技术有限公司注重科技创新能力，现有全国技术开发中心：北京中心、成都中心，并且与国内多所高校实验室及研究机构合作，依托雄厚的技术力量，完善的检测手段及强大的技术研发实力，为公司提供优质先进的产品。其系列产品一经面世便赢得了市场的广泛认同和用户的信赖，波恩仪器已经成为了国内较有影响力的环境检测仪器、实验室仪器、工业自动化仪器等系列产品的企业之一。 北京波恩仪器仪表测控技术有限公司公司还与国内外多家仪器仪表公司保持良好的合作关系，始终与国内外自动化行业中的制造供应商有着广泛密切的合作与交流。我们凭着熟练的专业技术、完善的产品技术和售后服务，以及公司优良的销售业绩、良好的商业信誉，为广大客户提供优质的服务。 设计 波恩公司拥有多名高级工程师，在自动化仪器仪表、测控技术、电气、软件、及系统设集成计方面经验丰富，并设计出了许多产品。秉承规范适用的原则，为客户提供高经济性、高精度、高质量的设备系统的设计咨询服务。 人才与工程 在飞速发展的现代社会中，公司不仅从社会招聘人才，还密切的与东北大学、辽宁石油化工大学、北华大学等多所高校进行技术交往，建立着坚实的技术联盟。 服务 波恩公司有多名经验丰富的技术人员可从事各种设备的调试和维修保养工作。完善的服务体系，充足的备件，为用户解除后顾之忧。 北京波恩仪器仪表测控技术有限公司将一如既往的本着“用优质和创新赢未来”的宗旨，将“波恩仪器”的品牌推向全国，在仪器仪表行业创立真正属于我们中国的自主品牌！
北京波恩仪器公司气象部是专业致力于气象、水文、生态和环境监测设备、无损检测设备等产品的技术开发、专业承包、组装、系统集成、系统解决方案和服务为一体的高新技术企业。
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北京波恩仪器公司气象部巩固和进一步发展自动气象站及组网、通讯技术的国内地位，积极开发新型自动气象传感器及特种气象要素观测技术，适时向高空气象观测发展，建成一个立足于气象行业并积极服务于国民经济其它行业的集气象观测自动化理论及应用技术研究、新产品技术开发、专业承包、工程技术服务和系统集成于一体的现代化科技型企业。在保持国内水平的基础上，积极进步。北京波恩仪器公司气象部具有多年年气象和关联行业的专业服务经验，形成了专业技术和人才的深厚积淀；可以更好地适应国内客户不同层次的需求。
北京波恩仪器公司气象部凭借多年的实践和经验，凭业内先进的技术实力和优异的产品质量和服务，成为行业企业。产品遍及全国31个省市自治区；行业涵盖了气象业务、气象服务、水利水文、气象、交通气象、生态环境、能源和军事国防等诸多领域。我司气象部主要从事大气监测自动化系统中地面气象观测自动化技术的研究、开发、工程服务和系统集成。主要方向有：各种气象传感器，重点是温湿度、风向风速、能见度等；气象专用数据采集器；各种自动气象站；无线、有线数据传输技术及自动气象站组网技术；自动气象站业务应用等。
自动气象站(含海滨、船载、交通、便携式)、自动气候站、自动雨量站、雪深观测仪、光电式数字日照计、大气电场仪、雷电探测仪、自动土壤水分观测仪、辐射观测设备、冻土器(TB1-1型)、雪深观测仪、前向散射式能见度仪、雨滴谱式降水现象仪、激光云高仪、云量自动观测仪、毫米波测云仪、微波辐射计、海洋气象浮标等自动化观测设备。智能气温测量仪、智能湿度测量仪、智能风测量仪、智能气压测量仪、智能翻斗雨量测量仪、智能称重降水测量仪、智能土壤温度测量仪等智能化观测设备。电动通风干湿表、直管地温表、地面温度表、曲管地温表、低温度表、动槽水银气压表、三杯风向风速表、雨量器、百叶箱、蒸发传感器通风防辐射罩及附属设备。
北京波恩仪器公司气象部农业气象和大气成分观测装备
作物气象自动观测站、农业小气候自动观测站、酸雨观测设备、大气负离子观测设备。
详细信息
1、 产品简介及设计目标
BN-ZTZS101型直称式土壤蒸渗仪是我公司在现代电子技术、土壤物理学和微气候学等学科领域不断深入发展的基础上，为测定农田蒸腾蒸发和地下水-土壤水转化而研发生产的一种更系统更综合的标准实验设备。其通过对被测土壤（原状土或人工配置实验土）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。该仪器采用的高分辨率称重系统，配置了智能数据采集器和信号传感器，可同时检测被测土体水分蒸腾蒸发、渗漏随时间的微小变化及气温。空气湿度、光照、降水等对应相关参数，并对测量的数据进行实时在线快速分析处理、记录储存，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。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。
大型称重式蒸渗仪，是我公司在充分汲取国内外有关系统特点的基础上，设计研制的新款设备。其主要特点是：紧跟传感器技术和检测技术的革新提高了相关参数的测量精度；同时，进一步改善和提高了大型称重式蒸渗仪使用中的人机接口（HMI）效率，降低了劳动强度和维护工作量。其筒体结构与工作原理如图1所示，主要包括土箱体（主体系统的核心）、称重系统、供排水系统和数据采集与监控系统。蒸渗仪的主题系统是指装有饱和或非饱和的土箱、外壁以及土壤中的测试仪器，土箱的结构和仪器的数量和种类依据科研需求设计和布局。
图1 土壤蒸渗仪整机总体结构
2、 系统组成及总体结构
土壤蒸渗仪整机系统可分为硬件和软件两大部分，共四个板块：
（1） 测量部分：由土箱、称重系统平台以及配套传感器等组成、
（2） 数据传输部分：由数据转换模块、放大器及供电系统等组成。
（3） 终端显示部分：由数据采集器、主控制器、配套软件及液晶显示屏等组成。
（4） 供排水系统：由控制模块、阀门和补水系统等组成。
BN-ZTZS101型直称式蒸渗仪整机系统（单套）
序号 | 名称 | 数量 | 备注 |
1 | 高精度称重传感器 | 1只 |
|
2 | 渗漏传感器 | 1只 |
|
3 | 称重平台及土箱 | 1套 |
|
4 | 数据采集器及主控制器 | 1台 | 含控制模块 |
5 | 土壤温湿度传感器 | 1套 |
|
6 | 大气温湿度传感器 | 1套 |
|
7 | 光照传感器 | 1套 |
|
8 | 雨量传感器 | 1套 |
|
9 | 连接线缆及信号控制线 | 1套 |
|
10 | 配套软件 | 1套 |
|
直称式土壤蒸渗仪地表（照片）
直称式蒸渗仪箱体布局（照片）
3、 整体解决方案
1·蒸渗仪测量原理
对于被蒸渗仪测量的土柱，其水量的平衡方程为：
(1)
式中
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，
为净地表径流量，ET为蒸腾蒸发量。
对于蒸渗仪，一般可以忽略，方程1可改为
（2）
降水量（
）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（）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。
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（
），
，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*，需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
（3）
如果地下水位下降了
（4）
a和b为吸水和脱水实验测定的系数。实际上
,
为地下水位上升或下降时含水量的变化，可有水位计测得。
2·称重原理及方案
直称式蒸渗仪称重机构原理如下图3所示：称重系统采购的称重传感器，作用在称重平台上，直接称重土箱的总重量。
图3 直称式蒸渗仪承重结构
称重传感器采用高精度称重传感器，在称重平台下三个支点支撑称重土箱，每个支点放置一个称重传感器，三个称重传感器共同称重计算（如下图4）。
图4 直称式蒸渗仪称重传感器布设
选用称重传感器照片
称重传感器的主要性能指标如下：
1） 称重范围：0~5000.0Kg，分辨率0.01Kg；
2） 精度：0.1mm；
3） 分辨率：0.025mm；
4） 综合精度：0.01%；
5） 称重采样速率：1秒；
6） 输出阻抗：2.0（+/-0.25%）；
7） 材质：不锈钢，全焊接密封，并通过IP68工业防护等级标准；
8） 耐化学腐蚀，五年质保。
由于称重传感器固有的零漂和蠕变特性，在长期受力状态下不可避免影响测量精度，并且每只传感器的误差参数又不同。我公司专门设计开发了称重传感器校验设备和方法，对其量程、稳定性、重复性和敏感性进行测试和校验。如量程的测试采用依次加载已知重量砝码20~3000Kg然后再依次减载的方法；为了测试其稳定性，在2h内向称重传感器加载3000Kg重物，然后每30min测量度数，判断其稳定。称重传感器的敏感性采用依次加载和减载100g、200g、200g、300g、200g、1000g、1000g、2000g的方法来测量。从而有效的清除零漂和蠕变带来的测量误差。
称重传感器实际安装结构照片
3·数据采集原理及方案
本系统的数据采集全部为智能化采集，数据可直接保存到数据库中，也可以数据文件的形式按设计定的周期保存，并且能通过网络进行远程数据传递和状态监控。机体包括物理设备层、网络传输层、数据资源层、科研业务层4个层次，以及信息安全保障、标准规范建设两个支撑体系。
称重式蒸渗仪测控系统组成框图
其中物理设备层所有数据的自动化采集功能：网络传输层利用Internet局域网，实现科研数据的远程创术与监控功能；数据资源层为基于数据管理服务器，整合了实验基地采集或导入科研数据，向上提供有关数据动态交换、远程输出安监控等数据服务；科研业务与C/S方式提供诸如远程数据监控、科研数据下载、系统运行维护等业务；信息安全保障体系通过数据传输加密、用户鉴权等方式，保障系统安全；标准规范建设体系包括科研数据格式规范、数据传输协议等建设内容。
本项目共需4个采集器模块完成数据采集任务。每个采集模块提供32路信号采集端子如图5所示，每个端子所采集的信号均能转换为485新号，通过485总线电流模块，可与控制柜一起组成485网络（图6）。在网络中每个采集模块有其固定的节点地址，控制柜通过这个地址可与组内模块节点通信。
图5 直称是蒸渗仪采集模块框图
图6 直称式蒸渗仪数据采集与传输方案
4·产流（渗漏量）过程监测及土箱补（排）水系统方案
在土箱底部设计有一定厚度（30cm）的过滤层，反滤层内布设有管网，管道壁上打有密集的小孔，并在管道外还包有不锈钢纱布。这样，土壤中的水分可进出管网同时也隔离了固体物质。采用连通器原理，土箱旁边布设的液位瓶内水位与土箱内水位相同，用液位计实时监测液位。工作中，当液位超过设定水位时排水电动阀打开进行系统排水，系统液位降低；当液位低于设定水位时开启供水水泵，并打开进水电动阀为土箱供水，使系统液位升高达到设定值，当系统液位达到设定液位时，供水或排水系统关闭，系统进入监测判断状态。每个土箱设置一个补水子系统，共5套补水子系统，拟采用方案如图7所示。
图7 补（排）水系统方案
从蒸渗仪土表下渗的水分，当箱体内水分大于土壤的持水能力时，多余的水分将透过土体下面的过滤层流出箱体外。流出箱体外的渗漏水量被引入不锈钢容器中，用一S型称重传感器计量，参与整个系统蒸发量计算。该子系统设计调控模式为人工设定和自动控制。
5·软件开发方案
用于Windows的新托管代码编程模型。它将强大的功能与新技术结合起来，用于构建具有视觉上引人注目的用户体验的应用程序，实现跨技术边界的无缝通信，并且能支持各种业务流程。具备开发应用程序的一切解决方案，包括验证、缓存、状态管理、调试和部署等全部功能。在代码撰写方面特色是将页面逻辑和业务逻辑分开，它分离程序代码与显示的内容，让丰富多彩的界面更容易撰写。同时使程序代码看起来更洁净、更简单。图 8为本系统软件系统的整体架构。图 9为软件的所用功能。
图8 系统软件整体架构
图9 软件全部功能划分
由于大型称重式蒸渗仪测控系统多为根据用户需要量身定制，我公司为了减少软件的重复开发工作量，提高软件的通用性以及便于日后的功能扩展，遵循软件工程的思想，开发了传感器配置模块（如图 10），使得软件能适应不同测量需求的蒸渗仪需要，同时也能适应硬件的剪裁。
图10 蒸渗仪配套软件功能划分
配套软件按照C/S模式，用户界面体现为一系列Win界面，界面之间通过菜单操作等方式进行跳转。
本系统选用数据库管理软件MySQL进行科研数据的统一储存管理，并考虑到了系统扩展性，可对下位机进行的操作，主要功能有：
1、232串口配置：主要设置232串口的名称、下位机的名称、波特率、数据位、停止位、校验方式、采样间隔
2、蒸渗仪参数测定：测定蒸渗仪的参数。
3、重量度量单位设置：设置重量参数。
4、历史数据查询、文本数据导入功能。
下位机操作子系统涵盖了对数据采集器发出的各种命令。主要的模块有：
实时数据接收：对下位机发出实时数据接收命令，将下位机采集到的实时数据以动态图表形式加载到页面，也可将实时数据保存到MySQL数据库。
历史数据接收：对下位机发出历史数据接收命令，将下位机采集到的历史数据保存到MySQL数据库。
新数据接收：对下位机发出新数据接受命令，将下位机采集到的历史数据按自定义的时间段存入MySQL数据库。
下位机管理：设置和读取下位机的状态参数。
数据管理子系统涵盖查询、统计、报表模块：系统有机地、创造性地将查询、统计和报表功能结合起来，提供了强大的查询、报表打印功能，给工程分析提供了真实的、科学的依据。友好、简单的条件设置，便于人员使用。
数据导入导出功能大限度地保护数据，便于查询统计。
6·供电电源配置方案
整个系统供电电源方案如图11所示，220V交流电经变压整流为24V为传感器供电，另外此24V再经电源模块后输出5V为控制柜供电。根据调研情况了解到，施工地区地处空旷，经雷击风险评估，施工区的设备、设施易遭到雷击，故电源系统需做防雷，防浪涌，有关防雷在5.3.8节中详细叙述。整个系统供电功率约需350W（包含主控制器、线损和余量）
图11 供电电源配置
7·控制中心布设方案
试验基地控制中心拟布设（图12）并实现以下功能：
设置数据中心服务器，与网络交换机相连接。该服务器对土壤测坑检测数据系统的数据库进行管理，具有税局容量大、处理速度快、可靠性高等特点。
设置硬件防火墙，具有针对外部网络访问安全防火控制，并可进行黑白名单设置，组织不信任区域对本系统网络和数据资源的访问。
设置网络中心交换机，完成网络中心的网络连接，提供可扩展网络端口。该类型交换机有网络管理接口，能提供24口个10/100M自适应连接端口，并配置2个光纤插槽，使网络系统具有较大的扩展能力。
设置路由器，对内连接防火墙，对外连接中国移动或中国电信的4-8M光纤专线。
设置应用服务器，安装数据管理系统软件完成客户的数据处理和查询需求。
图12 控制中心网络结构
8·蒸渗仪土箱设计主要参数
1、材质：不锈钢，厚度10~15mm；
2、箱体高：1米；
3、箱体表面积：2平米；
4、总高度：1.5米；
5、箱体外经：0.8米。
5、性能参数
1、土箱尺寸： 表面积1m²,深4m
2、土箱要求： 不锈钢、厚度10~15mm
3、称重范围： 0~45000.0kg，分辨率0.1kg
4、工作温度： -30℃~60℃
5、工作条件： 220V交流隔离供电
6、防雷指标： 6000A
7、显示屏： 4行中英文显示
8、输出： RS-485/RS232/WIFI
9、称重采样速率： 1秒
10、填土方式： 扰动土装填
