一種蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法，特別是關(guān)于一種在水文、氣象、 水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域中使用的蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在水文、氣象、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的科研和常規(guī)觀測(cè)建設(shè)的蒸滲工 程中，大量使用了基于馬利奧特瓶原理，控制水頭來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)坑的供排水量，坑體下部的滲漏 管與馬氏并相連，通過(guò)調(diào)節(jié)馬氏瓶的負(fù)壓，來(lái)平衡土柱內(nèi)土壤的吸力，由于馬氏瓶需要一調(diào) 壓瓶來(lái)控制其負(fù)壓，因此，在馬氏瓶缺水時(shí)需要解除壓力來(lái)補(bǔ)水，且調(diào)壓瓶?jī)?nèi)也需要重新補(bǔ) 水和得新調(diào)壓，調(diào)壓過(guò)程存在溢出，影響觀測(cè)室內(nèi)環(huán)境，其最大的問(wèn)題是，補(bǔ)水和調(diào)壓的過(guò) 程比較煩瑣，補(bǔ)水和調(diào)節(jié)過(guò)程比較長(zhǎng)，在大型觀測(cè)室群需要周而復(fù)始的頻繁操作，需要投入 大量的人員來(lái)操作，且?guī)?lái)很大的人工誤差，另一方面，由于采用馬氏瓶，仍需要人工來(lái)定 期依據(jù)水位刻度來(lái)記錄供水量和排水量，仍需要大量的人工來(lái)操作，嚴(yán)重的影響到了常規(guī) 觀測(cè)和科研的進(jìn)度，在管理機(jī)制不完善的情況下，未及時(shí)的補(bǔ)充水和觀測(cè)記錄，人為的操作 誤差，一致性誤差都將影響到各種工作的開展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方 法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作方便。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償方法，其特 征在于，該方法如下：1)采用一臺(tái)以上的蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)蒸滲儀自動(dòng)觀 測(cè)網(wǎng)絡(luò)，蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)由土柱、滲漏管、水柱、供排水切換電磁閥、水柱水位傳感 器、水箱、補(bǔ)水電磁閥、數(shù)據(jù)采集控制器、大田水位傳感器和通信總線構(gòu)成；2)由數(shù)據(jù)采集 控制器控制補(bǔ)水電磁閥開啟向水柱內(nèi)補(bǔ)充水源，并預(yù)先設(shè)定補(bǔ)充水源保護(hù)時(shí)間，當(dāng)超過(guò)預(yù) 設(shè)保護(hù)時(shí)間后，數(shù)據(jù)采集控制器控制補(bǔ)水電磁閥關(guān)閉，停止供水，由數(shù)據(jù)采集控制器內(nèi)的蜂 鳴器報(bào)警；3)蒸發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制器控制供排水切換電磁閥切換到與水柱連通的狀態(tài)， 當(dāng)水柱內(nèi)水位補(bǔ)充到預(yù)定值后，水柱內(nèi)的水通過(guò)供排水切換電磁閥進(jìn)入滲漏管，由滲漏管 以毛管形式向上傳遞至土柱內(nèi)，使水柱內(nèi)的水位逐漸下降，同時(shí)水柱水位傳感器連續(xù)測(cè)量 水柱的水位并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集控制器；當(dāng)下降到水柱預(yù)定值后，數(shù)據(jù)采集控制 器立即啟動(dòng)補(bǔ)水電磁閥向水柱內(nèi)補(bǔ)水到預(yù)定值；完成一次補(bǔ)水動(dòng)作，數(shù)據(jù)采集控制器會(huì)記 錄本次的耗水量并保存在存貯器內(nèi)，以供上位機(jī)讀??；4)當(dāng)土柱內(nèi)土壤在受到大量降雨或 灌溉后，且在上層土壤水飽和以后，土壤水由重力勢(shì)向下滲漏，土壤水重力勢(shì)超過(guò)水柱當(dāng)前 水位后，開始反向給水柱充水，土壤中水通過(guò)滲漏管和供排水切換電磁閥流向水柱，在水柱 水位上升過(guò)程中，水柱水位傳感器連續(xù)測(cè)量水柱的水位并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集控制 器，當(dāng)上升達(dá)到水柱預(yù)定值后，數(shù)據(jù)采集控制器立即將供排水切換電磁閥切換到排水狀態(tài)， 直到水柱水位下降到預(yù)訂值后，再次將供排水切換電磁閥切換到供水狀態(tài)，完成一次排水 動(dòng)作，數(shù)據(jù)采集控制器中的數(shù)據(jù)存貯器存儲(chǔ)本次排水量，以供上位機(jī)讀取。
[0005] 優(yōu)選地，所述步驟3)中，所述水柱內(nèi)的水位預(yù)定值采用人工設(shè)定為一個(gè)固定值， 或采用由所述大田水位傳感器傳輸至數(shù)據(jù)采集控制器的動(dòng)態(tài)變化水位值為預(yù)定值。
[0006] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集控制器根據(jù)供排水量和土柱表面積以及水柱的面積，計(jì)算 出所述土柱的蒸發(fā)量和滲漏量：
[0008] 式中，Ετ為陸面蒸發(fā)量/滲漏量，單位為mm ;r為水柱的半徑，單位為m ;r。為土柱 的半徑，單位為m ;h為水柱預(yù)設(shè)值下降/上升高度，單位為m。
[0009] -種實(shí)現(xiàn)上述蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償方法的補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于：所述補(bǔ)償系統(tǒng) 包括土柱、滲漏管、水柱、供排水切換電磁閥、水柱水位傳感器、水箱、補(bǔ)水電磁閥和數(shù)據(jù)采 集控制器；所述土柱底部設(shè)置有所述滲漏管，所述滲漏管一端經(jīng)管路連接所述水柱底部； 位于所述滲漏管與所述水柱之間的管路上設(shè)置有所述供排水切換電磁閥，并在所述水柱上 設(shè)置有所述水柱水位傳感器；所述水柱底部通過(guò)管路還與所述水箱連通，位于所述水柱與 所述水箱之間的管路上設(shè)置有所述補(bǔ)水電磁閥；所述供排水切換電磁閥、水柱水位傳感器 和補(bǔ)水電磁閥電連接至所述數(shù)據(jù)采集控制器。
[0010] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集控制器還連接有大田水位傳感器，所述大田水位傳感器采 集到的自然界中大田水位信息傳輸至所述數(shù)據(jù)采集控制器內(nèi)作為參考值；所述數(shù)據(jù)采集控 制器還通過(guò)通信總線與上位機(jī)連接。
[0011] 優(yōu)選地，所述水柱采用透明的UPVC材料制成。
[0012] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集控制器包括水柱水位測(cè)量電路、大田水位測(cè)量電路、ARM處 理器、補(bǔ)水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、三通電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)存貯器、SDI-12通信接口、RS485通 信接口、蜂鳴器、LCD顯示屏、鍵盤和電源管理電路；所述水柱水位測(cè)量電路、大田水位測(cè)量 電路將所述水柱的水位信息傳輸至所述ARM處理器，所述ARM處理器根據(jù)接收到的水位信 息控制所述補(bǔ)水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、三通電磁閥驅(qū)動(dòng)電路工作，并將相應(yīng)信息存儲(chǔ)至所述數(shù) 據(jù)存貯器；所述ARM處理器通過(guò)所述SDI-12通信接口和RS485通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通 信；所述ARM處理器上還連接有蜂鳴器、IXD顯示屏和鍵盤；所述電路管理電路用于為各電 路單元分配電源。
[0013] 優(yōu)選地，所述ARM處理器采用型號(hào)為STM32系列的單片機(jī)。
[0014] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，以較少的 零部件，通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制器計(jì)算和控制實(shí)現(xiàn)精確的控制和測(cè)量，系統(tǒng)功耗小，穩(wěn)定可靠， 可以大量替換目前現(xiàn)有的人工觀測(cè)的蒸滲儀供排水系統(tǒng)中，解除大量的人工，并且提高觀 測(cè)精度，具有較高的科研價(jià)值和推廣意義。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集控制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種蒸滲儀水位自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，其包括土柱1、滲漏管2、 水柱3、供排水切換電磁閥4、水柱水位傳感器5、水箱6、補(bǔ)水電磁閥7、數(shù)據(jù)采集控制器8、 大田水位傳感器9和通信總線10。土柱1底部設(shè)置有滲漏管2,滲漏管2 -端經(jīng)管路連接 水柱3底部；位于滲漏管2與水柱3之間的管路上設(shè)置有供排水切換電磁閥4,并在水柱3 上設(shè)置有水柱水位傳感器5。水柱3底部通過(guò)管路還與水箱6連通，位于水柱3與水箱6之 間的管路上設(shè)置有補(bǔ)水電磁閥7。供排水切換電磁閥4、水柱水位傳感器5和補(bǔ)水電磁閥7 連接至數(shù)據(jù)采集控制器8,數(shù)據(jù)采集控制器8還與大田水位傳感器9連接，大田水位傳感器 9采集到的自然界中大田水位信息，傳輸至數(shù)據(jù)采集控制器8內(nèi)作為參考值；數(shù)據(jù)采集控制 器8還可以通過(guò)通信總線10與上位機(jī)連接。
[0020] 上述實(shí)施例中，水柱3采用透明的UPVC材料制成，易于加工制造，并帶有水位刻 度。
[0021] 上述各實(shí)施例中，水箱6可以采用有壓水源或無(wú)壓水源向水柱3內(nèi)補(bǔ)充水源，采用 有壓水源時(shí)由電磁閥進(jìn)行控制，采用無(wú)壓水源時(shí)由水栗向水柱3補(bǔ)充水源。
[0022] 上述各實(shí)施例中，如圖2所示，數(shù)據(jù)采集控制器8包括水柱水位測(cè)量電路11、大田 水位測(cè)量電路12、ARM處理器13、補(bǔ)水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路14、三通電磁閥驅(qū)動(dòng)電路15、數(shù)據(jù)存 貯器16、SDI-12通信接口 17、RS485通信接口 18、蜂鳴器19、LCD顯示屏20、鍵盤21和電 源管理電路22。水柱水位測(cè)量電路11、大田水位測(cè)量電路12將水柱3的水位信息傳輸至 ARM處理器13, ARM處理器13根據(jù)接收到的水位信息控制補(bǔ)水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路14、三通電 磁閥驅(qū)動(dòng)電路15工作，并將相應(yīng)信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)存貯器16。ARM處理器13通過(guò)SDI-12通 信接口 17和RS485通信接口 18與上位機(jī)進(jìn)行通信；ARM處理器13上還連接有蜂鳴器19、 IXD顯示屏20和鍵盤21，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)通過(guò)鍵盤21輸入，蜂鳴器19用來(lái)提示有報(bào)警存在， 當(dāng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，不僅在IXD顯示屏20上進(jìn)行顯示提示信息，而且會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器19發(fā)聲， 以提醒操作人員來(lái)檢查。電源管理電路22用于向上述各電路單元分配電源。
[0023] 上述實(shí)施例中，ARM處理器13可以采用型號(hào)為STM32系列的單片機(jī)。
[0024] 上述各實(shí)施例中，水柱水位測(cè)量電路11、大田水位測(cè)量電路12都可以連接一硅壓 阻式水位傳感器。