本發(fā)明涉及一種稱重式地中蒸滲自動測量裝置，屬于定水位地中蒸滲測量裝置領域。

背景技術：

定水位地中蒸滲測量裝置是用于測量土壤潛水蒸發(fā)量和入滲量的設備?，F(xiàn)有技術中，定水位地中蒸滲測量裝置包括土柱筒、馬氏瓶、平衡瓶和入滲瓶。平衡瓶通過連通管與土柱筒水路連接，平衡瓶與馬氏瓶安裝于支撐板上，兩者間通過連通管連接，平衡瓶中設置入滲管，入滲管的上端口高度與土柱筒的埋深水位線重合，入滲管的下端安放入滲瓶，馬氏瓶設置排氣管、補水管和調水位管，調水位管的下端口高度與土柱筒的埋深水位線重合。土柱筒和大氣相通，與土壤無水力聯(lián)系，當土柱筒內的土壤水分蒸發(fā)時，平衡瓶會通過連通管路自動給土柱筒補充水分，馬氏瓶中的水進入平衡瓶，馬氏瓶補給的水量即為土壤潛水蒸發(fā)量，土壤潛水蒸發(fā)量可以直接通過觀測馬氏瓶上的刻度人工讀??；當大氣降水有入滲出現(xiàn)時，入滲水通過連通管路由平衡瓶進入入滲瓶，入滲瓶的水量也可以直接通過入滲瓶的刻度觀測得到。

相關蒸滲觀測規(guī)范要求，土壤潛水蒸發(fā)量和入滲量的觀測分辨率為0.1mm，并且在整個觀測過程中，平衡瓶入滲管的上端口高度、馬氏瓶調水位管下端口高度與土柱筒埋深水位線高度一致。在觀測過程中，如果平衡瓶入滲管的上端口高度或馬氏瓶調水位管下端口高度偏離土柱筒埋深水位線高度，就會產生潛水蒸發(fā)量漂移和入滲量漂移。

公知技術存在的缺點是，潛水蒸發(fā)量和入滲量的觀測都是通過馬氏瓶以及平衡瓶上的刻度線人工讀取的，不僅存在人為讀取誤差，而且效率低、實時性差。另一方面，在測量潛水蒸發(fā)量時，馬氏瓶內水位降低到設定工作水位下限時，必須進行人工補水。人工補水需要先關閉馬氏瓶與平衡瓶之間的連通管路，打開馬氏瓶的通氣管，再進行補水；補水到補水上限時，需先關閉補水管、馬氏瓶通氣管、土柱筒與馬氏瓶之間的連通管路，然后打開馬氏瓶與平衡瓶之間的連通管路進行泄水，直至馬氏瓶內水柱高度所產生的壓力與外部大氣壓力相平衡，然后打開土柱筒與馬氏瓶之間的連通管路，進入正常工作狀態(tài)。這是一個復雜的過程，一個中等規(guī)模的地中蒸滲觀測站約有數(shù)十個觀測點，在人力不足的情況下，要對這些觀測點實施同步的精準觀測又要及時完成補水是不可能實現(xiàn)的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠精確的實時在線自動測量土壤潛水蒸發(fā)量、入滲量的稱重式地中蒸滲自動測量裝置。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種稱重式地中蒸滲自動測量裝置，包括蒸發(fā)稱重傳感器、入滲稱重傳感器、采集控制器、土柱筒、平衡瓶、馬氏瓶和入滲瓶，土柱筒和平衡瓶之間通過連通管連接，平衡瓶中的入滲管下端口正對入滲瓶進水漏斗，馬氏瓶中設置調水位管和通氣管，所述的調水位管的下端口與土柱筒的埋深水位線處于同一水準線上；所述的平衡瓶固定在水平支板上，水平支板安裝在墻上或地面上；所述的馬氏瓶安裝在蒸發(fā)稱重托板上，蒸發(fā)稱重托板安裝在蒸發(fā)稱重傳感器上，并且馬氏瓶的軸線位于蒸發(fā)稱重傳感器的扭轉軸線位置，蒸發(fā)稱重傳感器通過蒸發(fā)稱重底板水平固定在墻上或地面上；所述的入滲瓶通過入滲稱重托板安裝在入滲稱重傳感器上，入滲稱重傳感器通過入滲稱重底板水平固定在墻上或地面上；所述的連通管上設置第一電磁閥，通氣管上設置第五電磁閥；所述的馬氏瓶頂部設置補水漏斗，補水漏斗的漏斗延伸管下端口低于調水位管的下端口，補水漏斗上方設置補水管，補水管上設置第四電磁閥；所述的調水位管的軸線與馬氏瓶的軸線重合；所述的平衡瓶下部設置第二電磁閥，平衡瓶通過第二電磁閥和軟管與馬氏瓶連通；入滲管的下端設置第三電磁閥；所述的入滲瓶內設置潛水泵，潛水泵連接抽水管；所述的采集控制器與蒸發(fā)稱重傳感器、入滲稱重傳感器、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第五電磁閥和潛水泵電連接。

由稱重傳感器工作原理可知，稱重傳感器在稱重過程中，隨著載荷的增加，彈性體會產生下沉位移形變或扭轉式下沉位移形變，稱重傳感器通過應變片檢測上述位移形變量，輸出對應的電信號，實現(xiàn)稱重測量。量程為20kg-50kg的稱重傳感器滿載時，其下沉位移形變量為0.4mm-0.6mm，對于本發(fā)明方案來言，這種下沉位移形變量是不容忽略的，這種下沉位移形變量會導致平衡瓶和馬氏瓶的位置發(fā)生更大的變化，其變化量在1mm以上，進而影響到平衡瓶入滲管上端口和馬氏瓶調水位管下端口的高度變化，使之偏離土柱筒埋深水位線，產生入滲量漂移和潛水蒸發(fā)量漂移，想要準確的測量土壤潛水蒸發(fā)量和入滲量，必須消除稱重傳感器的下沉位移形變量帶來的不良影響。

所述平衡瓶單獨安裝在水平支板上，這樣可以避免當蒸發(fā)稱重傳感器負載發(fā)生下沉位移形變時，平衡瓶內的水位高度始終和埋深水位線保持一致。平衡瓶和馬氏瓶之間的軟管是為了避免平衡瓶重量變化導致連接管路產生應力，進而影響到馬氏瓶重量的測量精度。

所述補水漏斗的漏斗延伸管下端口低于調水位管的下端口，這樣可以保證當馬氏瓶內的水降低到埋深水位線高度時，外部空氣不會通過補水漏斗進入馬氏瓶。

當土柱筒內土壤水分蒸發(fā)時，下部水分在毛細作用下向上補充，土柱筒水位下降，低于埋深水位線，馬氏瓶中的水通過平衡瓶進入土柱筒；蒸發(fā)稱重傳感器實時采集馬氏瓶內水體的重量變化，并發(fā)送給采集控制器，采集控制器計算出對應時段的潛水蒸發(fā)量。當馬氏瓶內水體重量等于馬氏瓶工作重量下限時，采集控制器控制第四電磁閥和第五電磁閥打開、控制第二電磁閥關閉，通過補水管給馬氏瓶補水。當補水到補水重量上限時，采集控制器控制控制第一電磁閥、第四電磁閥和第五電磁閥關閉、控制第二電磁閥和第三電磁閥打開排出馬氏瓶內的多余水，直到馬氏瓶內水位的壓力達到平衡狀態(tài)，瓶內水體重量處于馬氏瓶工作重量上限。馬氏瓶排出的多余水可以通過入滲瓶下面的稱重傳感器測量并記錄，不作為入滲量計算。

當?shù)孛娼邓畷r，水進入土柱筒，使土柱筒內水位升高，高于埋深水位線，土柱筒中多出的水通過入滲管進入入滲瓶，入滲量的計量方法同上。

當入滲瓶內水體重量達到設定工作重量上限時，采集控制器控制第三電磁閥關閉并控制潛水泵啟動，通過抽水管排水，將入滲瓶內水位排放至工作重量下限，然后開啟第三電磁閥，進入入滲量測量工作狀態(tài)。

本發(fā)明采集控制器通過稱重傳感器自動測量馬氏瓶以及入滲瓶內的水量變化情況，計算出潛水蒸發(fā)量和入滲量。采集控制器根據(jù)采集測量的數(shù)據(jù)，自動控制個電磁閥完成補水工作，實現(xiàn)了地中蒸滲測量過程的自動化，節(jié)省了大量人力、物力，測量結果實時性好，精確性高。本發(fā)明不受人力資源限制，可以大量布置觀測點，同時完成蒸滲測量工作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的采集控制器的電原理圖；

圖3是本發(fā)明蒸發(fā)稱重傳感器在負載變化時發(fā)生下沉位移形變的狀態(tài)圖。

圖中：1、土柱筒，2、平衡瓶，3、馬氏瓶，4、入滲瓶，5、蒸發(fā)稱重傳感器，6、入滲稱重傳感器，9、采集控制器， 11、第一電磁閥，12、第二電磁閥，13、第三電磁閥，14、第四電磁閥，15、第五電磁閥，16、第六電磁閥，17、潛水泵，21、連通管，22、軟管，23、入滲管，24、補水管，25、通氣管，26、泄放管，27、抽水管，28、調水位管，29、入滲水位管，31、補水漏斗，32、漏斗延伸管，33、入滲瓶進水漏斗，34、三通接頭，41、水平支板，42、蒸發(fā)稱重托板，43、蒸發(fā)稱重底座，44、入滲稱重托板，45、入滲稱重底座，71、埋深水位線，77、扭轉軸線，91、微控制單元，92、驅動控制電路，93、信息采集電路，94、存儲器，95、顯示屏，96、鍵盤，97、I/O接口電路。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種稱重式地中蒸滲自動測量裝置，包括蒸發(fā)稱重傳感器5、入滲稱重傳感器6、采集控制器9、土柱筒1、平衡瓶2、馬氏瓶3和入滲瓶4，土柱筒1和平衡瓶2之間通過連通管21連接，平衡瓶2中的入滲管23下端口正對入滲瓶進水漏斗33，馬氏瓶3中設置調水位管28和通氣管25，所述的調水位管28的下端口與土柱筒1的埋深水位線71處于同一水準線上；所述平衡瓶2固定在水平支板41上，水平支板41安裝在墻上或地面上；所述的馬氏瓶3安裝在蒸發(fā)稱重托板42上，蒸發(fā)稱重托板42安裝在蒸發(fā)稱重傳感器5上，并且馬氏瓶3的軸線位于蒸發(fā)稱重傳感器5的扭轉軸線77位置，蒸發(fā)稱重傳感器5通過蒸發(fā)稱重底板43水平固定在墻上或地面上；所述的入滲瓶4通過入滲稱重托板44安裝在入滲稱重傳感器6上，入滲稱重傳感器6通過入滲稱重底板45水平固定在墻上或地面上；所述的連通管21上設置第一電磁閥11，通氣管25上設置第五電磁閥15；所述的馬氏瓶3頂部設置補水漏斗31，補水漏斗31的漏斗延伸管32下端口低于調水位管28的下端口，補水漏斗32上方設置補水管24，補水管24上設置第四電磁閥14；所述的調水位管28的軸線與馬氏瓶3的軸線重合；所述的平衡瓶2下部設置第二電磁閥12，平衡瓶2通過第二電磁閥12和軟管22與馬氏瓶3連通；入滲管23的下端設置第三電磁閥13；所述的入滲瓶4內設置潛水泵17，潛水泵17連接抽水管27；所述的采集控制器9與蒸發(fā)稱重傳感器5、入滲稱重傳感器6、第一電磁閥11、第二電磁閥12、第三電磁閥13、第四電磁閥14、第五電磁閥15和潛水泵17電連接。

當土柱筒1內土壤水分蒸發(fā)時，下部水分在毛細作用下向上補充，土柱筒1水位下降，低于埋深水位線71，馬氏瓶3中的水通過平衡瓶2進入土柱筒1；蒸發(fā)稱重傳感器5實時采集馬氏瓶3內水體的重量變化，并發(fā)送給采集控制器9計算出對應時段的潛水蒸發(fā)量。當馬氏3瓶內水體重量等于馬氏瓶3工作重量下限時，采集控制器9控制第四電磁閥14和第五電磁閥15打開、控制第二電磁閥12關閉，通過補水管23給馬氏瓶3補水。當補水到補水重量上限時，采集控制器9控制控制第一電磁閥11、第四電磁閥14和第五電磁閥15關閉、控制第二電磁閥12和第三電磁閥13打開排出馬氏瓶內3的多余水，直到馬氏瓶3內水位的壓力達到平衡狀態(tài)，瓶內水體重量處于馬氏瓶工作重量上限。馬氏瓶3排出的多余水可以通過入滲瓶4下面的入滲稱重傳感器6測量并記錄，不作為入滲量計算。

當?shù)孛娼邓畷r，水進入土柱筒1，使土柱筒1內水位升高，高于埋深水位線71，土柱筒1中多出的水通過入滲管23進入入滲瓶4，入滲量的計量方法同上。

本發(fā)明采集控制器9通過稱重傳感器自動測量馬氏瓶3以及入滲瓶4內的水量變化情況，計算出潛水蒸發(fā)量和入滲量。采集控制器9根據(jù)采集測量的數(shù)據(jù)，自動控制各電磁閥、潛水泵完成補、排水工作，實現(xiàn)了地中蒸滲測量過程的自動化，節(jié)省了大量人力、物力，測量結果實時性好，精確性高。本發(fā)明不受人力資源限制，可以大量布置觀測點，同時完成蒸滲測量工作。

平衡瓶2和馬氏瓶3之間的軟管22是為了避免馬氏瓶的重量變化引起高度變化導致連接管路產生應力，影響測量精度。

如圖2所示，所述采集控制器9包括微控制單元91、驅動控制電路92、信息采集電路93、存儲器94、顯示屏95、鍵盤96和I/O接口電路97；微控制單元91通過信息采集電路93與蒸發(fā)稱重傳感器5和入滲稱重傳感器6電連接；驅動控制電路92與第一電磁閥11、第二電磁閥12、第三電磁閥13、第四電磁閥14和第五電磁閥15和潛水泵17電連接；I/O接口電路97與外部上位計算機連接。

進一步，所述的稱重式地中蒸滲自動測量裝置，還可在第三電磁閥13上端的入滲管23上設置三通接頭34，三通接頭34連接泄放管26，泄放管26上設置第六電磁閥16，第六電磁閥16與采集控制器9電連接。當補水到補水重量上限時，為使馬氏瓶3內形成負壓，有一部分水要通過平衡瓶2排出，為避免平衡瓶2中的水進入入滲瓶4，在平衡瓶2和第三電磁閥13之間的連接管路上設置用于泄流的第六電磁閥16，當補水到補水重量上限時，采集控制器9控制第一電磁閥11、第三電磁閥13、第四電磁閥14和第五電磁閥15關閉、控制第二電磁閥12和第六電磁閥16打開排出馬氏瓶3內的多余水，直到馬氏瓶3內壓力達到平衡狀態(tài)。排出的水不進入入滲瓶4，不需要入滲瓶4做出額外的計算。

又進一步，所述的入滲管23上端設置入滲水位管29，入滲管23和入滲水位管29之間為徑向滑動密封式連接，入滲水位管29的上端口與土柱筒1的埋深水位線71處于同一水準線上。

如圖3所示，所述的蒸發(fā)稱重傳感器5在滿量程時，其下沉位移形變量ΔH為0.4mm-0.6mm，會對調水位管28下端口的高度造成一定影響，當調水位管28的軸心與馬氏瓶3的軸心同處于蒸發(fā)稱重傳感器5的扭轉軸心77位置時，調水位管28下端口的高度變化最小。