專利名稱：多筒補(bǔ)償式水面蒸散儀及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于植物生理、生態(tài)監(jiān)測(cè)及濕地氣象水文量測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一 種多筒補(bǔ)償式水面蒸散儀，特別涉及到濕地環(huán)境下挺水植物蒸散量和自由水面蒸 發(fā)量自動(dòng)觀測(cè)、對(duì)比研究。
背景技術(shù)：
植被蒸散和土壤(水面)蒸發(fā)在土壤一植物一大氣系統(tǒng)(SPAC)中占有極 為重要的地位，它既是水量平衡、能量平衡的重要組成部分，又與植物的生理 活動(dòng)有著密切的關(guān)系。因此，蒸散問(wèn)題的研究一直是農(nóng)學(xué)、氣象、水文、自然 地理以及生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科共同關(guān)注的重要課題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于蒸散的研究己有 200多年的歷史，得出了許多有價(jià)值的研究成果。
目前，對(duì)于蒸散研究的方法有估算法和實(shí)測(cè)法。常用的估算法有波文比法、 能量平衡一空氣動(dòng)力學(xué)綜合法、SPAC法以及遙感方法等。常用的實(shí)測(cè)法有氣孔 計(jì)法、渦動(dòng)相關(guān)法、熱脈沖法以及同位素示蹤法等。
估算方法多是通過(guò)對(duì)各種氣象參數(shù)的觀測(cè)，利用經(jīng)驗(yàn)公式間接推求蒸散發(fā) 量。由于缺乏足夠的實(shí)際測(cè)定資料，致使大多蒸發(fā)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有經(jīng)受實(shí)際的充 分檢驗(yàn)。就實(shí)踐目的而言，人們更加關(guān)心實(shí)際蒸散發(fā)，因此，蒸散實(shí)測(cè)方法研究 受到越來(lái)越多的重視。而目前的實(shí)測(cè)方法仍然存在很多的問(wèn)題。首先，目前的 蒸散研究大多集中在農(nóng)田作物領(lǐng)域，濕地領(lǐng)域蒸散研究技術(shù)相當(dāng)匱乏。其次， 目前的研究方法大多是對(duì)植物的蒸散總量進(jìn)行測(cè)量，缺乏對(duì)植物散發(fā)量和水面 蒸發(fā)量進(jìn)行分離研宄的技術(shù)手段。另外，現(xiàn)有研究方法大多不能反映植物不同生長(zhǎng)狀態(tài)的蒸散差異，從而在尺度擴(kuò)展方面存在較大誤差。
在濕地環(huán)境中，挺水植物種類多樣且分布情況復(fù)雜，不同種類或同一種類不同狀態(tài)的植物分布面廣，導(dǎo)致在監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)非常多且非常分散。考慮到濕地這種特殊的環(huán)境，發(fā)明在濕地環(huán)境中適用的高精度、能夠?qū)Χ辔锓N、多狀態(tài)的水生植物蒸散量以及水面蒸發(fā)量同時(shí)直接測(cè)量的方法技術(shù)成為濕地水循環(huán)研究及濕地工程應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種在濕地環(huán)境中,能夠連續(xù)、自動(dòng)、同時(shí)采集不同種類和狀態(tài)的濕地水生植物的蒸散發(fā)量和自由水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端無(wú)線傳輸?shù)难b置。該裝置可用于處理多物種、多狀態(tài)的水生植物蒸散量同時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，從而為濕地水生植物蒸散量監(jiān)測(cè)提供一種經(jīng)濟(jì)、便利、有力的實(shí)驗(yàn)裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
多筒補(bǔ)償式水面蒸散儀由一組蒸(散)發(fā)監(jiān)測(cè)筒、連通管、三通管和一個(gè)數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)組成。
各測(cè)筒規(guī)格相同，筒高120cm，壁厚1.5-2mm，筒口面積3000cm2，直徑61.8
cm，等同于標(biāo)準(zhǔn)E-601蒸發(fā)皿的面積和直徑。根據(jù)測(cè)筒所起的作用不同，可將測(cè)筒劃分為兩種類型內(nèi)部具有不同種類、不同狀態(tài)植物的蒸散監(jiān)測(cè)筒和將內(nèi)部植物處理后只有凈水面的蒸發(fā)補(bǔ)償監(jiān)測(cè)筒。蒸散監(jiān)測(cè)筒內(nèi)分布有不同種類、不同狀態(tài)的挺水植物，其測(cè)筒數(shù)量可根據(jù)研究區(qū)域挺水植物的分布狀態(tài)自行擴(kuò)展，從而可用于處理多種類、多狀態(tài)的挺水植物蒸散監(jiān)測(cè)問(wèn)題。蒸散監(jiān)測(cè)筒蒸散發(fā)量包括植物的散發(fā)量和棵間水面的蒸發(fā)量?jī)刹糠郑舭l(fā)補(bǔ)償監(jiān)測(cè)筒蒸散發(fā)只有棵間水面的蒸發(fā)量。通過(guò)測(cè)量以上兩種狀態(tài)蒸散體的蒸散(發(fā))量，根據(jù)其間的補(bǔ)償關(guān)系，便可得出植物自身的散發(fā)量，從而將植物散發(fā)量從蒸散總量中分離開(kāi)來(lái)。
在筒壁距上端筒口 50cm處，開(kāi)有一個(gè)直徑20mm的小孔，用于安裝連通管。
利用連通器原理，通過(guò)連通管將各監(jiān)測(cè)筒與數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)相連，將各測(cè)筒內(nèi)部的水位集中反映到數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、光電開(kāi)關(guān)、超聲波傳感器和水槽構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)自動(dòng)采集及無(wú)線發(fā)布功能。數(shù)據(jù)采集箱由自動(dòng)控制模塊、繼電器和GPRS模塊構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)、計(jì)時(shí)、讀數(shù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，并可通過(guò)GPRS模塊方便的遠(yuǎn)程無(wú)線操作儀器和讀取數(shù)據(jù)。水槽呈圓柱形，高70cm，底面直徑llcm，等間距環(huán)形分布。在環(huán)形中心安置雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)旋臂末端安置超聲波傳感器，在旋臂下方每個(gè)水槽的對(duì)應(yīng)位置安置光電開(kāi)關(guān)。通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器做正反圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各水槽內(nèi)水位同步觀測(cè)。
各個(gè)連通管中段分別加有三通管，三通管的另外一端分別連接一段1.5m左右的橡膠管。儀器正常運(yùn)行時(shí)橡膠管的自由端置于外部自由水面之上，以保證監(jiān)測(cè)筒、連通管及水槽形成的連通器內(nèi)水體與外部水體隔絕。在進(jìn)行水位初始化操作時(shí)，將橡膠管的自由端浸沒(méi)在自由水面以下，使各測(cè)筒內(nèi)水體與外部水體相連，待測(cè)筒內(nèi)水位恢復(fù)至與外部自由水體一致時(shí)，初始化結(jié)束。初始化操作可保持監(jiān)測(cè)筒內(nèi)水位與外部水位幾乎一致，使筒內(nèi)植物與原生植物具有相似的生境條件，從而提高筒內(nèi)植物的代表性。
為了減小多筒補(bǔ)償式水面蒸散儀的系統(tǒng)誤差，同時(shí)為了降低裝置的制作費(fèi)用，利用雙向電動(dòng)機(jī)、光電幵關(guān)以及PLC程序設(shè)計(jì)了利用一個(gè)超聲波傳感器測(cè)量多個(gè)測(cè)筒水位，并且控制儀器定時(shí)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的運(yùn)行方式。
多筒補(bǔ)償式蒸散儀的具體運(yùn)行過(guò)程如下-
當(dāng)采集箱內(nèi)自動(dòng)控制模塊內(nèi)置時(shí)鐘到達(dá)整點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)控制模塊接收到信號(hào)，將繼電器電路接通，控制電動(dòng)機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)懸臂到達(dá)該電動(dòng)機(jī)懸臂對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)時(shí)，自動(dòng)控制模塊接收到該光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)，斷開(kāi)繼電器電路，此時(shí)位于懸臂末端的超聲波傳感器正好位于水槽的正上方，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)控制模塊開(kāi)始計(jì)時(shí)。穩(wěn)定5秒后，將超聲波傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)存到緩存區(qū)，至此該水槽的數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束。
此時(shí)再次控制電動(dòng)機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)接收到下一個(gè)光電開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，重復(fù)執(zhí)行與上述相同的采集程序，依次類推。至最后一個(gè)水槽的數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束時(shí)，接通繼電器，控制電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。直至電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到起始位置處，斷開(kāi)繼電器電路，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，將存放于緩存區(qū)的數(shù)據(jù)保存起來(lái)，至此完成該小時(shí)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。
本設(shè)計(jì)發(fā)明的特點(diǎn)是直接對(duì)不同種類或不同狀態(tài)的水生植物同時(shí)進(jìn)行測(cè)量；水位測(cè)量傳感器精度高，能夠滿足蒸散發(fā)測(cè)量的要求；具有無(wú)線傳輸功能，方便數(shù)據(jù)的采集及整理；采集器被密封在儀器箱中，適合潮濕的野外環(huán)境。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用連通器原理將濕地環(huán)境中多而分散的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位情況集中反映到蒸散儀中，從而實(shí)現(xiàn)了濕地特殊環(huán)境下各測(cè)筒水位的同時(shí)采集，并且大大降低了監(jiān)測(cè)費(fèi)用。多筒補(bǔ)償式蒸散儀蒸(散)發(fā)監(jiān)測(cè)筒的數(shù)量可以根據(jù)植物的分布情況自行擴(kuò)展，從而可對(duì)多物種、多狀態(tài)的水生植物蒸散量以及水面蒸發(fā)量同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。另外，為了方便在濕地特殊環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視、收取及分析工作，該裝置添加了 GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)通訊渠道，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸功能，從而大大簡(jiǎn)化了裝置的維護(hù)及操作過(guò)程。
本套系統(tǒng)操作維護(hù)簡(jiǎn)單、占地面積小，性價(jià)比高?？蓮V泛用于戸等、莎草等水生植物及水稻等農(nóng)作物蒸散監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，為該領(lǐng)域的水資源利用研究提供了一種經(jīng)濟(jì)、有力的手段。該作品從運(yùn)行方式設(shè)計(jì)入手，大大降低了裝置的制作及維護(hù)費(fèi)用，與以往的監(jiān)測(cè)方法相比，該裝置具有很高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。


附圖1是多筒補(bǔ)償式蒸散儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)；2連通管；3蒸(散)發(fā)監(jiān)測(cè)筒；4數(shù)據(jù)采集箱;5電動(dòng)機(jī)懸臂；6雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；7超聲波傳感器；8軸承；9懸臂軌道；IO光電幵關(guān)；ll水槽夾；12水槽。
附圖2是內(nèi)部具有不同種類、不同狀態(tài)植物的蒸散監(jiān)測(cè)筒示意圖。圖中13自由水面；14淤泥表面；15監(jiān)測(cè)筒扶手；16自然狀態(tài)水生植物附圖3是將內(nèi)部植物處理后只有凈水面的蒸發(fā)補(bǔ)償監(jiān)測(cè)筒示意圖。圖中17處理后水生植物。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。實(shí)施例
利用多筒補(bǔ)償式蒸散儀測(cè)量白洋淀濕地^葦蒸散發(fā)量過(guò)程的方法和具體實(shí)
施步驟如下
步驟l:安裝蒸(散)發(fā)監(jiān)測(cè)筒3。根據(jù)白洋淀濕地挺水植物的分布情況，在濕地內(nèi)安裝6個(gè)監(jiān)測(cè)筒。其中5個(gè)監(jiān)測(cè)筒為植物蒸散發(fā)監(jiān)測(cè)筒(如附圖2所示)，其內(nèi)分布有不同狀態(tài)的蘆葦和香蒲，另外1個(gè)監(jiān)測(cè)筒為蒸發(fā)補(bǔ)償監(jiān)測(cè)筒(如附圖3所示)，其內(nèi)分布有去除植物后的凈水面。
步驟2:安裝數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)1 (如附圖1所示)。將數(shù)據(jù)中央處理器固定到支架上。固定各水槽12、超聲波傳感器7、光電開(kāi)關(guān)IO、雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)6以及采集箱4，連接超聲波傳感器、光電開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)線及電動(dòng)機(jī)、采集箱電源線。
步驟3:將各測(cè)筒的連通管2以及各水槽的連通管全部對(duì)應(yīng)連接到三通管上，
8打開(kāi)三通管與自由水體相連的一端，使各測(cè)筒及水槽內(nèi)的水位與濕地自由水位一致。
步驟4:查看存儲(chǔ)器目前的狀態(tài)，檢查存儲(chǔ)器內(nèi)部時(shí)間與實(shí)際時(shí)間是否對(duì)應(yīng)，若不對(duì)應(yīng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集界面的時(shí)間調(diào)整端口對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。
步驟5:清除存儲(chǔ)器內(nèi)以前的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
步驟6:選用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行水位值實(shí)時(shí)采集，檢査設(shè)備能夠正常運(yùn)行，查看連線是否正確。同時(shí)查看超聲波傳感器與水槽內(nèi)水位的距離是否在超聲波傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，如不滿足該范圍，進(jìn)行設(shè)備調(diào)整。
步驟7:對(duì)采集箱GPRS模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)數(shù)據(jù)采集使用的電腦IP地址及服務(wù)端口進(jìn)行設(shè)置。
步驟8: —切正常之后，關(guān)閉三通管與自由水體相連的一端。啟動(dòng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能，進(jìn)行正式數(shù)據(jù)采集工作。
步驟9:采集一段時(shí)間之后，在指定IP地址的電腦上打開(kāi)數(shù)據(jù)采集程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸成功后，清除存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)以釋放存儲(chǔ)空間。
權(quán)利要求
1. 多筒補(bǔ)償式水面蒸散儀，包括一組蒸(散)發(fā)監(jiān)測(cè)筒(3)、連通管(2)和一個(gè)數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)(1)，其特征在于各個(gè)測(cè)筒(3)規(guī)格相同，筒高120cm，壁厚1.5-2mm，筒口面積3000cm2，直徑61.8cm，等同于標(biāo)準(zhǔn)E-601蒸發(fā)器的面積和直徑；測(cè)筒(3)數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況自行擴(kuò)展，其內(nèi)分布有不同種類、不同狀態(tài)的蒸散體(16)、(17)；在測(cè)筒(3)筒壁距上端筒口50cm處，開(kāi)有一個(gè)直徑20mm的小孔，用于連接連通管(2)；數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)(1)包括數(shù)據(jù)采集箱(4)、雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(6)、光電開(kāi)關(guān)(10)、超聲波傳感器(7)和水槽(12)；數(shù)據(jù)采集箱(4)由自動(dòng)控制模塊、繼電器和GPRS模塊構(gòu)成；水槽(12)呈圓柱形，高70cm，底面直徑11cm，等間距環(huán)形分布；在環(huán)形中心安置雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(6)，電動(dòng)機(jī)(6)旋臂(5)末端安置超聲波傳感器(7)，每個(gè)水槽(12)的對(duì)應(yīng)位置安置光電開(kāi)關(guān)(10)；通過(guò)電動(dòng)機(jī)(6)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器(7)沿軌道(9)做正反圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各水槽(12)內(nèi)水位同步觀測(cè)。
2.權(quán)利要求1所述多筒補(bǔ)償式水面蒸散儀的使用方法，其特征在于以下步驟: 利用PLC程序設(shè)計(jì)了利用一個(gè)超聲波傳感器(7)測(cè)量多個(gè)測(cè)筒(3)水位，并 控制裝置定時(shí)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的運(yùn)行方式，其運(yùn)行過(guò)程如下當(dāng)采集箱(4)內(nèi)自動(dòng)控制模塊內(nèi)置時(shí)鐘到達(dá)整點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)控制模塊接收到 信號(hào)，將繼電器電路接通，控制電動(dòng)機(jī)(6)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)(6)懸臂 到達(dá)該電動(dòng)機(jī)懸臂對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)(10)時(shí)，自動(dòng)控制模塊接收到該光電開(kāi)關(guān) (10)的信號(hào)，斷開(kāi)繼電器電路，此時(shí)位于懸臂(5)末端的超聲波傳感器(7) 正好位于水槽(12)的正上方，電動(dòng)機(jī)(6)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)控制模塊開(kāi)始計(jì)時(shí); 穩(wěn)定5秒后，將超聲波傳感器(7)的測(cè)量數(shù)據(jù)存到緩存區(qū)，至此該水槽的數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束；此時(shí)再次控制電動(dòng)機(jī)(6)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)接收到下一個(gè)光電開(kāi)關(guān)(10)信 號(hào)時(shí)，重復(fù)執(zhí)行與上述相同的采集程序，依次類推；至最后一個(gè)水槽(12)的 數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束時(shí)，接通繼電器，控制電動(dòng)機(jī)(6)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；直至電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)到起始位置處，斷開(kāi)繼電器電路，電動(dòng)機(jī)(6)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；此時(shí)，將存放于緩存區(qū)的數(shù)據(jù)保存起來(lái)，至此完成該小時(shí)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了多筒補(bǔ)償式水面蒸散儀及使用方法，屬于植物生理、生態(tài)監(jiān)測(cè)及濕地氣象水文量測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。該裝置由一組蒸(散)發(fā)監(jiān)測(cè)筒、連通管和一個(gè)數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)組成。各測(cè)筒規(guī)格相同，其內(nèi)分布有不同的蒸散體，測(cè)筒數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況自行擴(kuò)展。數(shù)據(jù)中央處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、光電開(kāi)關(guān)、超聲波傳感器和水槽構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)自動(dòng)采集及無(wú)線發(fā)布功能。利用PLC程序設(shè)計(jì)了利用一個(gè)超聲波傳感器測(cè)量多個(gè)測(cè)筒水位，并控制儀器定時(shí)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的運(yùn)行方式。本發(fā)明的有益效果是該蒸散儀可用于處理多物種、多狀態(tài)的挺水植物蒸散量同時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，具有造價(jià)底、精度高、易維護(hù)、數(shù)據(jù)發(fā)布方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01F19/00GK101482428SQ200910010130
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者劉盈斐, 昊 王, 許士國(guó), 濤 馬 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)