郑州地下水均衡试验场的改建工程——主要测试设施与数据自动化采集

李俊亭，张彦辉，申圆圆，刘尚杰，王 帅

(1.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.干旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.西安永泰传感器科技有限公司，陕西 西安 710018；4.西安文理学院生物与环境工程学院，陕西 西安 710065；5. 河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053)

试验场地的数据采集包括：3 m高主杆气象站测试系统，太阳全辐射、太阳净辐射、太阳直射观测仪，E—601蒸发仪，5 TM含水率、温度传感器，自动补水仪，负压测量仪。除了后两项外，其它设施的数据输出口都是标准的4～20 mA，因此这些设施观测数据的自动化采集完全可以借助于市场上已经成熟的设备，再根据需要组合。5 TM含水率、温度测量探头是美国的专利产品，有其单独的自动化采集系统与数据下载接口[1-8]。只有最后两项是专门为郑州地下水均衡试验场量身定做的。本文重点介绍自动补水仪与负压测量仪的设计原理及其数据采集，最后介绍总体的数据自动化采集构成。

1 测定试验柱下界面改变的自动补排水仪

设计的自动补水仪有两个功能：在试验柱中设置固定水位，当此水位被外界因素扰动(比如蒸发)时，可以通过计量补水以保持预设水位，并自动记录其补给量；同样，当有外界因素使其升高(比如降水)时，可以通过计量排水以保持预设水位，并记录其排出的水量。自动补水仪是按水文地质学中双环试验常用的马利奥特瓶(简称马氏瓶)的补水原理设计的[9](图1)。当K1、K2、K3、K4四个开关都关闭时，马斯瓶是封闭的，且与平衡杯也是隔离的。开启K3、K4，由K3向马氏瓶供水水面超过AA面时，多余的水由平衡杯中间的玻璃管C端排出，此时关闭K4。开启K1、K2，继续由K3向马斯瓶供水，当马斯瓶中的水达到某一高度时，关闭K2、K3。当K4开启时，由于K1开启是通大气的，所以马氏瓶连同平衡杯中的水是平衡在AA面的。

图1 马氏瓶自动补水原理示意图Fig.1 Schematic diagram of automatic water supply for Mas bottle

如果由于某种原因导致平衡杯中的水位下降，为了AA面的平衡，空气必从已开启的K1进入马斯瓶补充到马斯瓶的上部，马氏瓶中的水通过K4补充平衡杯水的缺失。只要马斯瓶中有一定水位，这个过程就是连续的，在一定程度上就实现了自动向平衡杯供水。由于某种原因导致平衡杯中的水位上升时，高于AA面的水就由C端排出，以保持水面的平衡。安装于试验桩上的自动补水仪就是按照上述原理设计的(图2)。运转程序如下：

图2 自动补水仪示意图Fig.2 Schematic diagram of automatic water supplying instrumen

首先，开启开关K1、K2，由自来水向试验柱与平衡杯供水至预先设计的高度AA面(平衡杯的高度是可调的)，当平衡杯中间的管子有水流出时，关闭K1、K2。 紧接着，开启K2，关闭2K1。由试验场特设的供水房向补水柱供水，当水面升至AA面时，正压传感器启动，其压力信号的输出使2S1与2S2(常闭电磁阀)自动开启，2K1与2K2(常开电磁阀)自动关闭，同时关闭K3。此时补水柱中的水位继续上升，当补水柱中的水面升至BB面时，按照事先对正压传感器的设定，输出信号使2S1与2S2关闭，2K1与2K2开启，正压传感器自动切断，同时使负压传感器加电处于零状态。开启K2，此时补水系统处于稳定状态。如蒸发或降水入渗，试验柱中的水面必然导致平衡杯的水面波动。如果是下降，此时补水柱向平衡杯补水，补水柱中的水面下降，其下降值被负压传感器采集(采集间隔可至秒)。而由于平衡杯水面升高的水将由平衡杯中间的水管排泄至雨量计计量(采样间隔也可至秒)。由于补水柱不断补水，当水面降至AA面时正压传感器再一次被启动，这就实现了补水柱通过平衡杯向试验柱的不断补水。照此设计装配的自动补水仪全貌见图3。自动补水仪通常悬挂在墙上或立在墙根，尽量使补水仪离控制与数据采集箱近一些。

这种自动补水仪能否满足一定的精度要求呢？现予以分析。

假定自动补水柱的内直径为d，试验柱的内径为D。试验柱由于客观原因在瞬时水面下降了Δy，此时自动补水柱中的水面下降Δx，补给的水量为：π(d/2)2Δx，同时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，计算可得Δx=2.5 mm。这就是说，自动补水柱的水面下降2.5 mm，就可以满足试验柱中水位下降0.1 mm(对蒸发试验来讲，这已是很高的精度了)的补水要求。近似假定10 kPa≈1 000 mm水柱，即1 Pa≈0.1 mm水柱。而给补水柱提供的-10～0 kPa压力变送器可直读0.1 Pa，假定其精度为1 Pa(这样的分析会更保守一些)，可见补水柱自动补水可达到对Δy=0.004 mm(即1/250)的补水要求。由此可见，设计的自动补水仪完全可以满足均衡试验场的要求。

自动补水仪的控制电路框图见图4。

图3 自动补水仪Fig.3 automatic water supplying instrument

图4 自动补水仪控制电路框图Fig.4 Control circuit block diagram of automatic water supplying instrument

2 试验柱中试验介质负压的传感器

依据包气带中水与空气二者物理性质的差异，即空气的运动黏度大约是水的运动黏度的15倍(在20 ℃、1个大气压的条件下，空气与水的动力黏度分别为：17.9×10-6Pa·s与1.01×10-3Pa·s；其运动黏度分别为：14.8×10-6m2/s与1.01×10-6m2/s)，这就是说当多孔瓷头孔隙刚能通过水时，空气则不能通过。据此以设计在包气带中能测定负压的传感器，此传感器包括四个部分(图5)，即多孔瓷头(又称阻气瓷头)、连接管、抽气腔与压力变送器。阻气瓷头是用黏土烧制而成，在不超过一个大气压下允许水可通过而气体则不能通过。连接管的作用：(1)可以调剂负压计插入试验介质中的深度；(2)可以储水。抽气腔是通过抽气嘴对负压传感器进行抽气以创造负压传感器的真空状态。压力变送器是负压传感器的核心，装有测定负压值的芯片、自动采集数据的控制线路与数据信号的传输线路。

图5 负压传感器四个部分Fig.5 Four parts of negative pressure sensor

将四个部分连接组成负压传感器，连接处均要严密封闭。装配好传感器的阻气瓷头一端，垂直置于无气水中(烧沸5 min，且在封闭容器中冷却24 h后的水)，通过抽气嘴抽气(图6)，随着抽气，水通过瓷头进入传感器的空腔。当抽气嘴有水流出且保证抽出的水不再含有空气时，用抽气嘴上的特殊装置关闭抽气嘴，此时压力变送器设定为零状态，金属片1上所受压力为1个大气压。

图6 负压计传感器的装配示意图Fig.6 Diagram of assembled negative pressure gauge

现设想将负压传感器的阻气瓷头垂直的插入包气带中(只允许从水平到垂向的任一角度的正向插入，不允许反向插入)。由于包气带是非饱和的，负压传感器中水可认为是饱和的(系指已充满水的情形)，两者在界面处的压力是不平衡的。要使从不平衡达到平衡，则负压计中的水就要在包气带“势”的作用下，将负压计中的水吸入包气带中以达到平衡。负压计中的水被吸出之后，在负压计中形成负压，此压对金属片1形成吸力，导致其变形。其变形的大小又通过传导油传递给金属片2，使金属片2也跟着变形。预先设置在金属片上的惠斯登电桥的平衡也被打破。通过控制线路的调整使其惠斯登电桥再次平衡，这种补偿平衡的形成正是测量包气带负压值的信号。

组装成型的负压传感器实体见图7。组装成型的负压传感器在正式使用前(图8)通过真空瓶瓶塞上的两个玻璃管分别与真空泵及盛有无气水中负压传感器的抽气嘴连接。启动真空泵，无气水从阻气瓷头进入负压传感器，当负压传感器的连接管、抽气腔已被无气水充满时，真空瓶连接抽气嘴的玻璃管则向真空瓶滴水，此时关闭真空泵，同时用抽气嘴上的特殊装置切断抽气嘴与大气相通。利用数据采集箱测量并调整负压传感器的零位，其误差范围控制在±0.1 Pa。做好的负压传感器要在无气水中至少浸泡两周(郑州地下水均衡试验场在使用前均浸泡两个月以上)，检验其封闭性。当达到测量的相对误差小于要求的5%时方可投入使用。

图7 负压传感器实体Fig.7 Suction sensor entity

图8 负压传感器抽气时的连接Fig.8 Connection of suction sensor when pumping

3 测定试验柱中试验介质的5 TM水分与温度传感器

用于测定试验介质含水率与温度的传感器为美国Decagon公司生产的5 TM土壤水分、温度传感器，其外形如图9所示。

图9 5 TM土壤水分、温度传感器Fig.9 5 TM soil moisture and temperature sensors

此传感器集成度很高，它有自身的数据采集系统。它的测量原理是：通过一个频率为70 MHz的振荡器测量介质的介电常数以确定介质的体积含水量；通过其探针上的热敏电阻测定介质的温度。

5 TM土壤水分、温度传感器在使用前，必须在现场选择一个大致均匀的小场地，对其测量数据的一致性和稳定性进行率定(图10)。测量数据的相对误差要小于5%。

4 逐级集成的数据采集自动化系统

对于信息采集来讲，郑州地下水均衡试验场的一个试验柱至少有2个采集位置，多者有11个采集位置。一个采集位置上同时设置有负压传感器、含水率、温度传感器及一台自动补水仪，对每一个设备来讲，需要同时布设供给电源与采集信息的线路，可见线路之多。对一个试验柱来讲，需要布设的线路就更多了。如果将同一深度的试验柱需要布设的供给电源线与信号采集线统一集成，其难度也就可想而知。为了克服这一困难，采用了逐级集成的办法。各级集成关系见图10。第一级按试验柱集成，即一个试验柱的所有负压与自动补水仪的信息集成在一个控制箱(B—1820)中，这样就形成了25个控制箱；第二级采用将一个试验区(即同一高度的试验柱)的5个控制箱再集成至分区采集箱(YT—BS25)；第三级也即最后一级，包括降水、蒸发对比试验区的集成控制箱都一起集成至综合采集箱(YT—S20B)。综合采集箱所采集的数据可以通过电脑或触屏显示。历时采集的数据按一定的格式存储，亦可通过下载设备而获得。

图10 鉴定5 TM土壤水分、温度传感器Fig.10 Identification of 5 TM soil moisture and temperature sensors

图11 采集数据的集成Fig.11 Integration of collected data