李俊亭，張彥輝，申圓圓，劉尚杰，王 帥

(1.長安大學(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)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

試驗(yàn)場地的數(shù)據(jù)采集包括：3 m高主桿氣象站測試系統(tǒng)，太陽全輻射、太陽凈輻射、太陽直射觀測儀，E—601蒸發(fā)儀，5 TM含水率、溫度傳感器，自動補(bǔ)水儀，負(fù)壓測量儀。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)施觀測數(shù)據(jù)的自動化采集完全可以借助于市場上已經(jīng)成熟的設(shè)備，再根據(jù)需要組合。5 TM含水率、溫度測量探頭是美國的專利產(chǎn)品，有其單獨(dú)的自動化采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)下載接口[1-8]。只有最后兩項(xiàng)是專門為鄭州地下水均衡試驗(yàn)場量身定做的。本文重點(diǎn)介紹自動補(bǔ)水儀與負(fù)壓測量儀的設(shè)計(jì)原理及其數(shù)據(jù)采集，最后介紹總體的數(shù)據(jù)自動化采集構(gòu)成。

1 測定試驗(yàn)柱下界面改變的自動補(bǔ)排水儀

設(shè)計(jì)的自動補(bǔ)水儀有兩個功能：在試驗(yàn)柱中設(shè)置固定水位，當(dāng)此水位被外界因素擾動(比如蒸發(fā))時，可以通過計(jì)量補(bǔ)水以保持預(yù)設(shè)水位，并自動記錄其補(bǔ)給量；同樣，當(dāng)有外界因素使其升高(比如降水)時，可以通過計(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(簡稱馬氏瓶)的補(bǔ)水原理設(shè)計(jì)的[9](圖1)。當(dāng)K1、K2、K3、K4四個開關(guān)都關(guān)閉時，馬斯瓶是封閉的，且與平衡杯也是隔離的。開啟K3、K4，由K3向馬氏瓶供水水面超過AA面時，多余的水由平衡杯中間的玻璃管C端排出，此時關(guān)閉K4。開啟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，關(guān)閉K2、K3。當(dāng)K4開啟時，由于K1開啟是通大氣的，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?，為了AA面的平衡，空氣必從已開啟的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K4補(bǔ)充平衡杯水的缺失。只要馬斯瓶中有一定水位，這個過程就是連續(xù)的，在一定程度上就實(shí)現(xiàn)了自動向平衡杯供水。由于某種原因?qū)е缕胶獗械乃簧仙龝r，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 自動補(bǔ)水儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of automatic water supplying instrumen

首先，開啟開關(guān)K1、K2，由自來水向試驗(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，關(guān)閉K1、K2。 緊接著，開啟K2，關(guān)閉2K1。由試驗(yàn)場特設(shè)的供水房向補(bǔ)水柱供水，當(dāng)水面升至AA面時，正壓傳感器啟動，其壓力信號的輸出使2S1與2S2(常閉電磁閥)自動開啟，2K1與2K2(常開電磁閥)自動關(guān)閉，同時關(guān)閉K3。此時補(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，按照事先對正壓傳感器的設(shè)定，輸出信號使2S1與2S2關(guān)閉，2K1與2K2開啟，正壓傳感器自動切斷，同時使負(fù)壓傳感器加電處于零狀態(tài)。開啟K2，此時補(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。如果是下降，此時補(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面時正壓傳感器再一次被啟動，這就實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)水柱通過平衡杯向試驗(yàn)柱的不斷補(bǔ)水。照此設(shè)計(jì)裝配的自動補(bǔ)水儀全貌見圖3。自動補(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。

這種自動補(bǔ)水儀能否滿足一定的精度要求呢？現(xiàn)予以分析。

假定自動補(bǔ)水柱的內(nèi)直徑為d，試驗(yàn)柱的內(nèi)徑為D。試驗(yàn)柱由于客觀原因在瞬時水面下降了Δy，此時自動補(bǔ)水柱中的水面下降Δx，補(bǔ)給的水量為：π(d/2)2Δx，同時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，自動補(bǔ)水柱的水面下降2.5 mm，就可以滿足試驗(yàn)柱中水位下降0.1 mm(對蒸發(fā)試驗(yàn)來講，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(這樣的分析會更保守一些)，可見補(bǔ)水柱自動補(bǔ)水可達(dá)到對Δy=0.004 mm(即1/250)的補(bǔ)水要求。由此可見，設(shè)計(jì)的自動補(bǔ)水儀完全可以滿足均衡試驗(yàn)場的要求。

自動補(bǔ)水儀的控制電路框圖見圖4。

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

圖4 自動補(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)動黏度大約是水的運(yùn)動黏度的15倍(在20 ℃、1個大氣壓的條件下，空氣與水的動力黏度分別為：17.9×10-6Pa·s與1.01×10-3Pa·s；其運(yùn)動黏度分別為：14.8×10-6m2/s與1.01×10-6m2/s)，這就是說當(dāng)多孔瓷頭孔隙剛能通過水時，空氣則不能通過。據(jù)此以設(shè)計(jì)在包氣帶中能測定負(fù)壓的傳感器，此傳感器包括四個部分(圖5)，即多孔瓷頭(又稱阻氣瓷頭)、連接管、抽氣腔與壓力變送器。阻氣瓷頭是用黏土燒制而成，在不超過一個大氣壓下允許水可通過而氣體則不能通過。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)可以儲水。抽氣腔是通過抽氣嘴對負(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，裝有測定負(fù)壓值的芯片、自動采集數(shù)據(jù)的控制線路與數(shù)據(jù)信號的傳輸線路。

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

將四個部分連接組成負(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，垂直置于無氣水中(燒沸5 min，且在封閉容器中冷卻24 h后的水)，通過抽氣嘴抽氣(圖6)，隨著抽氣，水通過瓷頭進(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，用抽氣嘴上的特殊裝置關(guān)閉抽氣嘴，此時壓力變送器設(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”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，此壓對金屬片1形成吸力，導(dǎo)致其變形。其變形的大小又通過傳導(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。通過控制線路的調(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量包氣帶負(fù)壓值的信號。

組裝成型的負(fù)壓傳感器實(shí)體見圖7。組裝成型的負(fù)壓傳感器在正式使用前(圖8)通過真空瓶瓶塞上的兩個玻璃管分別與真空泵及盛有無氣水中負(fù)壓傳感器的抽氣嘴連接。啟動真空泵，無氣水從阻氣瓷頭進(jìn)入負(fù)壓傳感器，當(dāng)負(fù)壓傳感器的連接管、抽氣腔已被無氣水充滿時，真空瓶連接抽氣嘴的玻璃管則向真空瓶滴水，此時關(guān)閉真空泵，同時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)壓傳感器要在無氣水中至少浸泡兩周(鄭州地下水均衡試驗(yàn)場在使用前均浸泡兩個月以上)，檢驗(yàn)其封閉性。當(dāng)達(dá)到測量的相對誤差小于要求的5%時方可投入使用。

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

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

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

用于測定試驗(yàn)介質(zhì)含水率與溫度的傳感器為美國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)。它的測量原理是：通過一個頻率為70 MHz的振蕩器測量介質(zhì)的介電常數(shù)以確定介質(zhì)的體積含水量；通過其探針上的熱敏電阻測定介質(zhì)的溫度。

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

4 逐級集成的數(shù)據(jù)采集自動化系統(tǒng)

對于信息采集來講，鄭州地下水均衡試驗(yàn)場的一個試驗(yàn)柱至少有2個采集位置，多者有11個采集位置。一個采集位置上同時設(shè)置有負(fù)壓傳感器、含水率、溫度傳感器及一臺自動補(bǔ)水儀，對每一個設(shè)備來講，需要同時布設(shè)供給電源與采集信息的線路，可見線路之多。對一個試驗(yàn)柱來講，需要布設(shè)的線路就更多了。如果將同一深度的試驗(yàn)柱需要布設(shè)的供給電源線與信號采集線統(tǒng)一集成，其難度也就可想而知。為了克服這一困難，采用了逐級集成的辦法。各級集成關(guān)系見圖10。第一級按試驗(yàn)柱集成，即一個試驗(yàn)柱的所有負(fù)壓與自動補(bǔ)水儀的信息集成在一個控制箱(B—1820)中，這樣就形成了25個控制箱；第二級采用將一個試驗(yàn)區(qū)(即同一高度的試驗(yàn)柱)的5個控制箱再集成至分區(qū)采集箱(YT—BS25)；第三級也即最后一級，包括降水、蒸發(fā)對比試驗(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)可以通過電腦或觸屏顯示。歷時采集的數(shù)據(jù)按一定的格式存儲，亦可通過下載設(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