蒸滲儀（Lysimeter）是一種安裝在室外空曠觀測(cè)場(chǎng)（反映田間的自然環(huán)境）或溫室內(nèi)（人工模擬自然環(huán)境）裝滿土壤、測(cè)定農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水—土壤水轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備。其通過對(duì)被測(cè)土壤（原狀土或人工配制實(shí)驗(yàn)土）水循環(huán)的記錄分析，以研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律和SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。該設(shè)備可單個(gè)或成組、成套設(shè)置，適用于農(nóng)田、草原、森林及河流濕地等生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。近年來，隨著電子技術(shù)、土壤物理學(xué)和微氣候?qū)W等學(xué)科領(lǐng)域不斷深入發(fā)展，蒸滲儀與先進(jìn)的傳感 器和數(shù)據(jù)采集裝置配合使用，應(yīng)用范圍已拓展到垃圾填埋場(chǎng)等模擬研究領(lǐng)域。

        XHZ-ZS201蒸滲儀設(shè)備采用先進(jìn)的高分辨率稱重系統(tǒng)，配置有先進(jìn)的水分、電導(dǎo)率、鹽分傳感器和智能數(shù)據(jù)采集器及信號(hào)傳輸系統(tǒng)，可通過對(duì)被測(cè)土壤及作物蒸騰蒸發(fā)和地下水—土壤水轉(zhuǎn)化的監(jiān)    測(cè)，研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律和SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移規(guī)律。并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線快速分析處理、記錄存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸，做到了數(shù)據(jù)采集的高速化、準(zhǔn)確化和人性化，大大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖1  蒸滲儀群設(shè)備安裝前地表

圖2  蒸滲儀群設(shè)備安裝后地表

圖3  蒸滲儀地下室秤體部分

圖4  蒸滲儀地下室秤體部分

1. 系統(tǒng)設(shè)備組成

    (一)測(cè)量部分：由土壤、鋼筒、杠桿系統(tǒng)平臺(tái)、稱重系統(tǒng)、滲漏量傳感器、稱重傳感器等組成。

    (二)數(shù)據(jù)傳輸部分：由前端放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等組成。

    (三)終端顯示部分：由數(shù)據(jù)采集器、備用電源及配套軟件等組成。

蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)組成框圖

2. 單套蒸滲儀主要配置如下：

3. 系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)

    （1）被測(cè)土體規(guī)格： 表面積6.6㎡，總深度2.3m；

    （2）蒸散量總稱重范圍：45噸；

    （3）蒸散量總稱重精度：330g（折合0.05mm）；

    （4）滲漏量量程：5千克； 

    （5）滲漏量稱重精度：1g（折合0.001mm）；

    （6）顯示和通訊方式：觸摸屏操控顯示，本地PC數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互；定時(shí)時(shí)鐘精度1min/月，最短定時(shí)時(shí)間5min，連續(xù)工作時(shí)段不超過1年；本地存儲(chǔ)(數(shù)據(jù)10min的采樣間隔下，大于1年的存儲(chǔ)量)，支持U盤數(shù)據(jù)下載。

    （7）電壓范圍和工作環(huán)境：AC 220V 50HZ；DC 24V； 

        相對(duì)濕度≤90% （30℃）

        工作溫度 -20℃～50℃。

    （8）土壤水分、溫度和電導(dǎo)率三個(gè)參數(shù)用一個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量，每套蒸滲儀設(shè)置7個(gè)測(cè)量點(diǎn)位

        測(cè)量指標(biāo)：土壤體積含水量、土壤溫度和電導(dǎo)率；

        量程：0-100%，-40-80℃，0-23 dS/m；

        分辨率：0.08%，0.1℃，0-7ds/m內(nèi)0.01 dS/m；

        精度：±1~3%，±0.5℃，0-7ds/m內(nèi)±5%；

        供電電壓：3.6-12 VDC；

        信號(hào)輸出：SDI-12；

        運(yùn)行環(huán)境：-40-85℃；

        線纜長(zhǎng)度：默認(rèn)5米，可定制其他長(zhǎng)度；

        探針材料：防腐特制電極；

        密封材料：黑色環(huán)氧樹脂；

        防護(hù)等級(jí)：IP68 ；

        傳感器尺寸：整體厚度不超過1.5cm，探針長(zhǎng)度不超過5cm。

    （9）水勢(shì)測(cè)量準(zhǔn)確度：±(10% + 2 kPa)@ -9 kPa至-100 kPa；

        分辨率：0.1 kPa；

        范圍：-9 kPa 至-100000 kPa。

4. 系統(tǒng)測(cè)量原理

        對(duì)于被蒸滲儀測(cè)量的土柱，其水量平衡方程為：

△S = P + I + Q - △R – ET (1)

        式中△S為土壤儲(chǔ)存水量的變化，P為降水量，I為灌溉量，Q為地下水流，△R為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發(fā)量。對(duì)于蒸滲儀，△R一般可以忽略，方程1可改為：

ET = P + I + Q - △S (2)

        降水量（P）和灌溉量（I）可以由雨量計(jì)和水表直接測(cè)得。土壤儲(chǔ)存水量的變化量（△S）代表降水或灌溉后水分的增加，或測(cè)量蒸騰蒸發(fā)作用導(dǎo)致水分的損失，這些較難測(cè)量。所以產(chǎn)生了高精度的稱重系統(tǒng)來測(cè)量△S。

        地下水流Q代表由蒸滲儀供排水系統(tǒng)供進(jìn)和排出的土柱的水量。在地下水位不發(fā)生變化時(shí)，加入到土柱的水量為地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量（Eg），Eg = Q ，由土柱排出的水量為地下水補(bǔ)給量（Rg），Rg =  Q ，如果大田中地下水位發(fā)生了變化，為了保持儀器內(nèi)水位與大田水位一致，須向土柱內(nèi)加入或排出一定水量，地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量與入滲量可由其間接計(jì)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為吸水和脫水實(shí)驗(yàn)測(cè)定的系數(shù)。實(shí)際上a=b=△Q，△Q為地下水位上升或下降時(shí)含水量的變化，可由水分儀測(cè)得。

5. 稱重系統(tǒng)原理

        杠桿式蒸滲儀稱重機(jī)構(gòu)原理如下圖所示：稱重系統(tǒng)采用專用的稱重傳感器，作用在杠桿系統(tǒng)中，用于測(cè)量在平衡狀態(tài)下土體的水分變化量。

蒸滲儀稱重機(jī)構(gòu)

        一級(jí)杠桿利用4個(gè)50cm刀口和支座來支撐底座的重量，然后通過二級(jí)杠桿將重量再傳遞到3級(jí)杠桿上，從最后通過三級(jí)杠桿上加載的高低度稱重傳感器來測(cè)量土體重量的變化量，也就是蒸散量。

杠桿式蒸滲儀刀口布設(shè)

6. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理

        數(shù)據(jù)采集及配套軟件具有即測(cè)即存功能，防止測(cè)量數(shù)據(jù)丟失?？梢栽诰€顯示蒸滲量過程、滲漏量變化過程。全漢字人機(jī)交互操作界面，具有在線幫助功能。定時(shí)時(shí)鐘精度1min/月。最短定時(shí)時(shí)間5min，連續(xù)工作時(shí)段不超過1年。

        本地存儲(chǔ)(所有數(shù)據(jù)10min的采樣間隔下，大于3年的存儲(chǔ)量)，掉電不失，支持U盤數(shù)據(jù)下載（下位機(jī)數(shù)據(jù)可直接下載到U盤，存儲(chǔ)為TXT格式，上位機(jī)可導(dǎo)成excel格式）。控制及顯示方式：人機(jī)交互（觸摸屏）操控，具備顯示當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)、設(shè)置采樣時(shí)間（1min-60min，步長(zhǎng)為1min的多檔位）、下位機(jī)時(shí)間以及管理下位機(jī)U盤等。

        在土箱的排水口，安裝滲漏量傳感器，測(cè)得滲漏量變化量。蒸散量由貯水量和滲漏量計(jì)算得到。本系統(tǒng)中，單位時(shí)間的蒸散量是這樣計(jì)算的。貯水量變化量減去滲漏量變化量即為蒸散量。由方程（2）可以看出，實(shí)際本系統(tǒng)的蒸散量包含了降雨量和灌溉量。

7. 系統(tǒng)設(shè)備性能特點(diǎn)

        （1）杠桿式蒸滲儀都是直接作用在一級(jí)二級(jí)杠桿上測(cè)量，通過高精度加工的刀口和刃口來支持重量，最后通過配重來平衡土體重量，沒有中間（其他結(jié)構(gòu)形式部分）環(huán)節(jié)的影響，測(cè)量變化量計(jì)算出蒸散量，所以從數(shù)據(jù)的時(shí)效性來講都具有一定的延時(shí)性。

        （2）杠桿式蒸滲儀安裝簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便。

        （3）杠桿式蒸滲儀雖然對(duì)刀口和刃口的各項(xiàng)要求較高，但是選擇耐用度、韌勁較高的合金鋼材料來加工刀口，這樣就保證了設(shè)計(jì)杠桿比的穩(wěn)定性以及整體結(jié)構(gòu)的平衡性，也就對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性就有所保障。

三級(jí)杠桿平衡系統(tǒng)