李俊亭，張彥輝，申圓圓，劉尚杰，王 帥

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.干旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安永泰傳感器科技有限公司，陜西 西安 710018；4.西安文理學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安 710065；5. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

試驗(yàn)場(chǎng)地的數(shù)據(jù)采集包括：3 m高主桿氣象站測(cè)試系統(tǒng)，太陽(yáng)全輻射、太陽(yáng)凈輻射、太陽(yáng)直射觀(guān)測(cè)儀，E—601蒸發(fā)儀，5 TM含水率、溫度傳感器，自動(dòng)補(bǔ)水儀，負(fù)壓測(cè)量?jī)x。除了后兩項(xiàng)外，其它設(shè)施的數(shù)據(jù)輸出口都是標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA，因此這些設(shè)施觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集完全可以借助于市場(chǎng)上已經(jīng)成熟的設(shè)備，再根據(jù)需要組合。5 TM含水率、溫度測(cè)量探頭是美國(guó)的專(zhuān)利產(chǎn)品，有其單獨(dú)的自動(dòng)化采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)下載接口[1-8]。只有最后兩項(xiàng)是專(zhuān)門(mén)為鄭州地下水均衡試驗(yàn)場(chǎng)量身定做的。本文重點(diǎn)介紹自動(dòng)補(bǔ)水儀與負(fù)壓測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)原理及其數(shù)據(jù)采集，最后介紹總體的數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集構(gòu)成。

1 測(cè)定試驗(yàn)柱下界面改變的自動(dòng)補(bǔ)排水儀

設(shè)計(jì)的自動(dòng)補(bǔ)水儀有兩個(gè)功能：在試驗(yàn)柱中設(shè)置固定水位，當(dāng)此水位被外界因素?cái)_動(dòng)(比如蒸發(fā))時(shí)，可以通過(guò)計(jì)量補(bǔ)水以保持預(yù)設(shè)水位，并自動(dòng)記錄其補(bǔ)給量；同樣，當(dāng)有外界因素使其升高(比如降水)時(shí)，可以通過(guò)計(jì)量排水以保持預(yù)設(shè)水位，并記錄其排出的水量。自動(dòng)補(bǔ)水儀是按水文地質(zhì)學(xué)中雙環(huán)試驗(yàn)常用的馬利奧特瓶(簡(jiǎn)稱(chēng)馬氏瓶)的補(bǔ)水原理設(shè)計(jì)的[9](圖1)。當(dāng)K1、K2、K3、K4四個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)閉時(shí)，馬斯瓶是封閉的，且與平衡杯也是隔離的。開(kāi)啟K3、K4，由K3向馬氏瓶供水水面超過(guò)AA面時(shí)，多余的水由平衡杯中間的玻璃管C端排出，此時(shí)關(guān)閉K4。開(kāi)啟K1、K2，繼續(xù)由K3向馬斯瓶供水，當(dāng)馬斯瓶中的水達(dá)到某一高度時(shí)，關(guān)閉K2、K3。當(dāng)K4開(kāi)啟時(shí)，由于K1開(kāi)啟是通大氣的，所以馬氏瓶連同平衡杯中的水是平衡在AA面的。

圖1 馬氏瓶自動(dòng)補(bǔ)水原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic water supply for Mas bottle

如果由于某種原因?qū)е缕胶獗械乃幌陆担瑸榱薃A面的平衡，空氣必從已開(kāi)啟的K1進(jìn)入馬斯瓶補(bǔ)充到馬斯瓶的上部，馬氏瓶中的水通過(guò)K4補(bǔ)充平衡杯水的缺失。只要馬斯瓶中有一定水位，這個(gè)過(guò)程就是連續(xù)的，在一定程度上就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)向平衡杯供水。由于某種原因?qū)е缕胶獗械乃簧仙龝r(shí)，高于AA面的水就由C端排出，以保持水面的平衡。安裝于試驗(yàn)樁上的自動(dòng)補(bǔ)水儀就是按照上述原理設(shè)計(jì)的(圖2)。運(yùn)轉(zhuǎn)程序如下：

圖2 自動(dòng)補(bǔ)水儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of automatic water supplying instrumen

首先，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)K1、K2，由自來(lái)水向試驗(yàn)柱與平衡杯供水至預(yù)先設(shè)計(jì)的高度AA面(平衡杯的高度是可調(diào)的)，當(dāng)平衡杯中間的管子有水流出時(shí)，關(guān)閉K1、K2。 緊接著，開(kāi)啟K2，關(guān)閉2K1。由試驗(yàn)場(chǎng)特設(shè)的供水房向補(bǔ)水柱供水，當(dāng)水面升至AA面時(shí)，正壓傳感器啟動(dòng)，其壓力信號(hào)的輸出使2S1與2S2(常閉電磁閥)自動(dòng)開(kāi)啟，2K1與2K2(常開(kāi)電磁閥)自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉K3。此時(shí)補(bǔ)水柱中的水位繼續(xù)上升，當(dāng)補(bǔ)水柱中的水面升至BB面時(shí)，按照事先對(duì)正壓傳感器的設(shè)定，輸出信號(hào)使2S1與2S2關(guān)閉，2K1與2K2開(kāi)啟，正壓傳感器自動(dòng)切斷，同時(shí)使負(fù)壓傳感器加電處于零狀態(tài)。開(kāi)啟K2，此時(shí)補(bǔ)水系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。如蒸發(fā)或降水入滲，試驗(yàn)柱中的水面必然導(dǎo)致平衡杯的水面波動(dòng)。如果是下降，此時(shí)補(bǔ)水柱向平衡杯補(bǔ)水，補(bǔ)水柱中的水面下降，其下降值被負(fù)壓傳感器采集(采集間隔可至秒)。而由于平衡杯水面升高的水將由平衡杯中間的水管排泄至雨量計(jì)計(jì)量(采樣間隔也可至秒)。由于補(bǔ)水柱不斷補(bǔ)水，當(dāng)水面降至AA面時(shí)正壓傳感器再一次被啟動(dòng)，這就實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)水柱通過(guò)平衡杯向試驗(yàn)柱的不斷補(bǔ)水。照此設(shè)計(jì)裝配的自動(dòng)補(bǔ)水儀全貌見(jiàn)圖3。自動(dòng)補(bǔ)水儀通常懸掛在墻上或立在墻根，盡量使補(bǔ)水儀離控制與數(shù)據(jù)采集箱近一些。

這種自動(dòng)補(bǔ)水儀能否滿(mǎn)足一定的精度要求呢？現(xiàn)予以分析。

假定自動(dòng)補(bǔ)水柱的內(nèi)直徑為d，試驗(yàn)柱的內(nèi)徑為D。試驗(yàn)柱由于客觀(guān)原因在瞬時(shí)水面下降了Δy，此時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水柱中的水面下降Δx，補(bǔ)給的水量為：π(d/2)2Δx，同時(shí)π(d/2)2Δx=π(d/2)2Δy。于是得到：

Δx=ΔyD2/d2

假定Δy=0.1 mm；D=1 000 mm；d=200 mm，計(jì)算可得Δx=2.5 mm。這就是說(shuō)，自動(dòng)補(bǔ)水柱的水面下降2.5 mm，就可以滿(mǎn)足試驗(yàn)柱中水位下降0.1 mm(對(duì)蒸發(fā)試驗(yàn)來(lái)講，這已是很高的精度了)的補(bǔ)水要求。近似假定10 kPa≈1 000 mm水柱，即1 Pa≈0.1 mm水柱。而給補(bǔ)水柱提供的-10～0 kPa壓力變送器可直讀0.1 Pa，假定其精度為1 Pa(這樣的分析會(huì)更保守一些)，可見(jiàn)補(bǔ)水柱自動(dòng)補(bǔ)水可達(dá)到對(duì)Δy=0.004 mm(即1/250)的補(bǔ)水要求。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的自動(dòng)補(bǔ)水儀完全可以滿(mǎn)足均衡試驗(yàn)場(chǎng)的要求。

自動(dòng)補(bǔ)水儀的控制電路框圖見(jiàn)圖4。

圖3 自動(dòng)補(bǔ)水儀Fig.3 automatic water supplying instrument

圖4 自動(dòng)補(bǔ)水儀控制電路框圖Fig.4 Control circuit block diagram of automatic water supplying instrument

2 試驗(yàn)柱中試驗(yàn)介質(zhì)負(fù)壓的傳感器

依據(jù)包氣帶中水與空氣二者物理性質(zhì)的差異，即空氣的運(yùn)動(dòng)黏度大約是水的運(yùn)動(dòng)黏度的15倍(在20 ℃、1個(gè)大氣壓的條件下，空氣與水的動(dòng)力黏度分別為：17.9×10-6Pa·s與1.01×10-3Pa·s；其運(yùn)動(dòng)黏度分別為：14.8×10-6m2/s與1.01×10-6m2/s)，這就是說(shuō)當(dāng)多孔瓷頭孔隙剛能通過(guò)水時(shí)，空氣則不能通過(guò)。據(jù)此以設(shè)計(jì)在包氣帶中能測(cè)定負(fù)壓的傳感器，此傳感器包括四個(gè)部分(圖5)，即多孔瓷頭(又稱(chēng)阻氣瓷頭)、連接管、抽氣腔與壓力變送器。阻氣瓷頭是用黏土燒制而成，在不超過(guò)一個(gè)大氣壓下允許水可通過(guò)而氣體則不能通過(guò)。連接管的作用：(1)可以調(diào)劑負(fù)壓計(jì)插入試驗(yàn)介質(zhì)中的深度；(2)可以?xún)?chǔ)水。抽氣腔是通過(guò)抽氣嘴對(duì)負(fù)壓傳感器進(jìn)行抽氣以創(chuàng)造負(fù)壓傳感器的真空狀態(tài)。壓力變送器是負(fù)壓傳感器的核心，裝有測(cè)定負(fù)壓值的芯片、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的控制線(xiàn)路與數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸線(xiàn)路。

圖5 負(fù)壓傳感器四個(gè)部分Fig.5 Four parts of negative pressure sensor

將四個(gè)部分連接組成負(fù)壓傳感器，連接處均要嚴(yán)密封閉。裝配好傳感器的阻氣瓷頭一端，垂直置于無(wú)氣水中(燒沸5 min，且在封閉容器中冷卻24 h后的水)，通過(guò)抽氣嘴抽氣(圖6)，隨著抽氣，水通過(guò)瓷頭進(jìn)入傳感器的空腔。當(dāng)抽氣嘴有水流出且保證抽出的水不再含有空氣時(shí)，用抽氣嘴上的特殊裝置關(guān)閉抽氣嘴，此時(shí)壓力變送器設(shè)定為零狀態(tài)，金屬片1上所受壓力為1個(gè)大氣壓。

圖6 負(fù)壓計(jì)傳感器的裝配示意圖Fig.6 Diagram of assembled negative pressure gauge

現(xiàn)設(shè)想將負(fù)壓傳感器的阻氣瓷頭垂直的插入包氣帶中(只允許從水平到垂向的任一角度的正向插入，不允許反向插入)。由于包氣帶是非飽和的，負(fù)壓傳感器中水可認(rèn)為是飽和的(系指已充滿(mǎn)水的情形)，兩者在界面處的壓力是不平衡的。要使從不平衡達(dá)到平衡，則負(fù)壓計(jì)中的水就要在包氣帶“勢(shì)”的作用下，將負(fù)壓計(jì)中的水吸入包氣帶中以達(dá)到平衡。負(fù)壓計(jì)中的水被吸出之后，在負(fù)壓計(jì)中形成負(fù)壓，此壓對(duì)金屬片1形成吸力，導(dǎo)致其變形。其變形的大小又通過(guò)傳導(dǎo)油傳遞給金屬片2，使金屬片2也跟著變形。預(yù)先設(shè)置在金屬片上的惠斯登電橋的平衡也被打破。通過(guò)控制線(xiàn)路的調(diào)整使其惠斯登電橋再次平衡，這種補(bǔ)償平衡的形成正是測(cè)量包氣帶負(fù)壓值的信號(hào)。

組裝成型的負(fù)壓傳感器實(shí)體見(jiàn)圖7。組裝成型的負(fù)壓傳感器在正式使用前(圖8)通過(guò)真空瓶瓶塞上的兩個(gè)玻璃管分別與真空泵及盛有無(wú)氣水中負(fù)壓傳感器的抽氣嘴連接。啟動(dòng)真空泵，無(wú)氣水從阻氣瓷頭進(jìn)入負(fù)壓傳感器，當(dāng)負(fù)壓傳感器的連接管、抽氣腔已被無(wú)氣水充滿(mǎn)時(shí)，真空瓶連接抽氣嘴的玻璃管則向真空瓶滴水，此時(shí)關(guān)閉真空泵，同時(shí)用抽氣嘴上的特殊裝置切斷抽氣嘴與大氣相通。利用數(shù)據(jù)采集箱測(cè)量并調(diào)整負(fù)壓傳感器的零位，其誤差范圍控制在±0.1 Pa。做好的負(fù)壓傳感器要在無(wú)氣水中至少浸泡兩周(鄭州地下水均衡試驗(yàn)場(chǎng)在使用前均浸泡兩個(gè)月以上)，檢驗(yàn)其封閉性。當(dāng)達(dá)到測(cè)量的相對(duì)誤差小于要求的5%時(shí)方可投入使用。

圖7 負(fù)壓傳感器實(shí)體Fig.7 Suction sensor entity

圖8 負(fù)壓傳感器抽氣時(shí)的連接Fig.8 Connection of suction sensor when pumping

3 測(cè)定試驗(yàn)柱中試驗(yàn)介質(zhì)的5 TM水分與溫度傳感器

用于測(cè)定試驗(yàn)介質(zhì)含水率與溫度的傳感器為美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)的5 TM土壤水分、溫度傳感器，其外形如圖9所示。

圖9 5 TM土壤水分、溫度傳感器Fig.9 5 TM soil moisture and temperature sensors

此傳感器集成度很高，它有自身的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的測(cè)量原理是：通過(guò)一個(gè)頻率為70 MHz的振蕩器測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)以確定介質(zhì)的體積含水量；通過(guò)其探針上的熱敏電阻測(cè)定介質(zhì)的溫度。

5 TM土壤水分、溫度傳感器在使用前，必須在現(xiàn)場(chǎng)選擇一個(gè)大致均勻的小場(chǎng)地，對(duì)其測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性進(jìn)行率定(圖10)。測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差要小于5%。

4 逐級(jí)集成的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化系統(tǒng)

對(duì)于信息采集來(lái)講，鄭州地下水均衡試驗(yàn)場(chǎng)的一個(gè)試驗(yàn)柱至少有2個(gè)采集位置，多者有11個(gè)采集位置。一個(gè)采集位置上同時(shí)設(shè)置有負(fù)壓傳感器、含水率、溫度傳感器及一臺(tái)自動(dòng)補(bǔ)水儀，對(duì)每一個(gè)設(shè)備來(lái)講，需要同時(shí)布設(shè)供給電源與采集信息的線(xiàn)路，可見(jiàn)線(xiàn)路之多。對(duì)一個(gè)試驗(yàn)柱來(lái)講，需要布設(shè)的線(xiàn)路就更多了。如果將同一深度的試驗(yàn)柱需要布設(shè)的供給電源線(xiàn)與信號(hào)采集線(xiàn)統(tǒng)一集成，其難度也就可想而知。為了克服這一困難，采用了逐級(jí)集成的辦法。各級(jí)集成關(guān)系見(jiàn)圖10。第一級(jí)按試驗(yàn)柱集成，即一個(gè)試驗(yàn)柱的所有負(fù)壓與自動(dòng)補(bǔ)水儀的信息集成在一個(gè)控制箱(B—1820)中，這樣就形成了25個(gè)控制箱；第二級(jí)采用將一個(gè)試驗(yàn)區(qū)(即同一高度的試驗(yàn)柱)的5個(gè)控制箱再集成至分區(qū)采集箱(YT—BS25)；第三級(jí)也即最后一級(jí)，包括降水、蒸發(fā)對(duì)比試驗(yàn)區(qū)的集成控制箱都一起集成至綜合采集箱(YT—S20B)。綜合采集箱所采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)電腦或觸屏顯示。歷時(shí)采集的數(shù)據(jù)按一定的格式存儲(chǔ)，亦可通過(guò)下載設(shè)備而獲得。

圖10 鑒定5 TM土壤水分、溫度傳感器Fig.10 Identification of 5 TM soil moisture and temperature sensors

圖11 采集數(shù)據(jù)的集成Fig.11 Integration of collected data