专利名称：多筒补偿式水面蒸散仪及其使用方法
技术领域：
本发明属于植物生理、生态监测及湿地气象水文量测技术领域，涉及到一 种多筒补偿式水面蒸散仪，特别涉及到湿地环境下挺水植物蒸散量和自由水面蒸 发量自动观测、对比研究。
背景技术：
植被蒸散和土壤(水面)蒸发在土壤一植物一大气系统(SPAC)中占有极 为重要的地位，它既是水量平衡、能量平衡的重要组成部分，又与植物的生理 活动有着密切的关系。因此，蒸散问题的研究一直是农学、气象、水文、自然 地理以及生态学等相关学科共同关注的重要课题。国内外关于蒸散的研究己有 200多年的历史，得出了许多有价值的研究成果。
目前，对于蒸散研究的方法有估算法和实测法。常用的估算法有波文比法、 能量平衡一空气动力学综合法、SPAC法以及遥感方法等。常用的实测法有气孔 计法、涡动相关法、热脉冲法以及同位素示踪法等。
估算方法多是通过对各种气象参数的观测，利用经验公式间接推求蒸散发 量。由于缺乏足够的实际测定资料，致使大多蒸发计算结果没有经受实际的充 分检验。就实践目的而言，人们更加关心实际蒸散发，因此，蒸散实测方法研究 受到越来越多的重视。而目前的实测方法仍然存在很多的问题。首先，目前的 蒸散研究大多集中在农田作物领域，湿地领域蒸散研究技术相当匮乏。其次， 目前的研究方法大多是对植物的蒸散总量进行测量，缺乏对植物散发量和水面 蒸发量进行分离研宄的技术手段。另外，现有研究方法大多不能反映植物不同生长状态的蒸散差异，从而在尺度扩展方面存在较大误差。
在湿地环境中，挺水植物种类多样且分布情况复杂，不同种类或同一种类不同状态的植物分布面广，导致在监测过程中需要布设的监测点非常多且非常分散。考虑到湿地这种特殊的环境，发明在湿地环境中适用的高精度、能够对多物种、多状态的水生植物蒸散量以及水面蒸发量同时直接测量的方法技术成为湿地水循环研究及湿地工程应用研究的关键技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在湿地环境中,能够连续、自动、同时采集不同种类和状态的湿地水生植物的蒸散发量和自由水面蒸发量数据，并实现测量数据远端无线传输的装置。该装置可用于处理多物种、多状态的水生植物蒸散量同时监测问题，从而为湿地水生植物蒸散量监测提供一种经济、便利、有力的实验装置。
本发明的技术方案是
多筒补偿式水面蒸散仪由一组蒸(散)发监测筒、连通管、三通管和一个数据中央处理系统组成。
各测筒规格相同，筒高120cm，壁厚1.5-2mm，筒口面积3000cm2，直径61.8
cm，等同于标准E-601蒸发皿的面积和直径。根据测筒所起的作用不同，可将测筒划分为两种类型内部具有不同种类、不同状态植物的蒸散监测筒和将内部植物处理后只有净水面的蒸发补偿监测筒。蒸散监测筒内分布有不同种类、不同状态的挺水植物，其测筒数量可根据研究区域挺水植物的分布状态自行扩展，从而可用于处理多种类、多状态的挺水植物蒸散监测问题。蒸散监测筒蒸散发量包括植物的散发量和棵间水面的蒸发量两部分，而蒸发补偿监测筒蒸散发只有棵间水面的蒸发量。通过测量以上两种状态蒸散体的蒸散(发)量，根据其间的补偿关系，便可得出植物自身的散发量，从而将植物散发量从蒸散总量中分离开来。
在筒壁距上端筒口 50cm处，开有一个直径20mm的小孔，用于安装连通管。
利用连通器原理，通过连通管将各监测筒与数据中央处理系统相连，将各测筒内部的水位集中反映到数据中央处理系统。
数据中央处理系统由数据采集箱、双向转动电动机、光电开关、超声波传感器和水槽构成，实现数据定时自动采集及无线发布功能。数据采集箱由自动控制模块、继电器和GPRS模块构成。实现控制电动机的正反向转动、计时、读数及数据存储等功能，并可通过GPRS模块方便的远程无线操作仪器和读取数据。水槽呈圆柱形，高70cm，底面直径llcm，等间距环形分布。在环形中心安置双向转动电动机，电动机旋臂末端安置超声波传感器，在旋臂下方每个水槽的对应位置安置光电开关。通过电动机驱动超声波传感器做正反圆周运动，实现对各水槽内水位同步观测。
各个连通管中段分别加有三通管，三通管的另外一端分别连接一段1.5m左右的橡胶管。仪器正常运行时橡胶管的自由端置于外部自由水面之上，以保证监测筒、连通管及水槽形成的连通器内水体与外部水体隔绝。在进行水位初始化操作时，将橡胶管的自由端浸没在自由水面以下，使各测筒内水体与外部水体相连，待测筒内水位恢复至与外部自由水体一致时，初始化结束。初始化操作可保持监测筒内水位与外部水位几乎一致，使筒内植物与原生植物具有相似的生境条件，从而提高筒内植物的代表性。
为了减小多筒补偿式水面蒸散仪的系统误差，同时为了降低装置的制作费用，利用双向电动机、光电幵关以及PLC程序设计了利用一个超声波传感器测量多个测筒水位，并且控制仪器定时自动采集、存储数据的运行方式。
多筒补偿式蒸散仪的具体运行过程如下-
当采集箱内自动控制模块内置时钟到达整点时，自动控制模块接收到信号，将继电器电路接通，控制电动机顺时针转动。当电动机悬臂到达该电动机悬臂对应的光电开关时，自动控制模块接收到该光电开关的信号，断开继电器电路，此时位于悬臂末端的超声波传感器正好位于水槽的正上方，电动机停止转动，自动控制模块开始计时。稳定5秒后，将超声波传感器的测量数据存到缓存区，至此该水槽的数据采集工作结束。
此时再次控制电动机顺时针转动，当接收到下一个光电开关信号时，重复执行与上述相同的采集程序，依次类推。至最后一个水槽的数据采集工作结束时，接通继电器，控制电动机逆时针转动。直至电动机转动到起始位置处，断开继电器电路，电动机停止转动。此时，将存放于缓存区的数据保存起来，至此完成该小时的数据采集过程。
本设计发明的特点是直接对不同种类或不同状态的水生植物同时进行测量；水位测量传感器精度高，能够满足蒸散发测量的要求；具有无线传输功能，方便数据的采集及整理；采集器被密封在仪器箱中，适合潮湿的野外环境。
本发明的有益效果是本发明利用连通器原理将湿地环境中多而分散的监测点的水位情况集中反映到蒸散仪中，从而实现了湿地特殊环境下各测筒水位的同时采集，并且大大降低了监测费用。多筒补偿式蒸散仪蒸(散)发监测筒的数量可以根据植物的分布情况自行扩展，从而可对多物种、多状态的水生植物蒸散量以及水面蒸发量同时进行测量。另外，为了方便在湿地特殊环境中进行数据监视、收取及分析工作，该装置添加了 GPRS无线数据传输模块，结合无线网络和互联网两个通讯渠道，实现了数据的远程无线传输功能，从而大大简化了装置的维护及操作过程。
本套系统操作维护简单、占地面积小，性价比高。可广泛用于戸等、莎草等水生植物及水稻等农作物蒸散监测领域，为该领域的水资源利用研究提供了一种经济、有力的手段。该作品从运行方式设计入手，大大降低了装置的制作及维护费用，与以往的监测方法相比，该装置具有很高的经济、社会效益。
附图1是多筒补偿式蒸散仪结构示意图。
图中l数据中央处理系统；2连通管；3蒸(散)发监测筒；4数据采集箱;5电动机悬臂；6双向转动电动机；7超声波传感器；8轴承；9悬臂轨道；IO光电幵关；ll水槽夹；12水槽。
附图2是内部具有不同种类、不同状态植物的蒸散监测筒示意图。图中13自由水面；14淤泥表面；15监测筒扶手；16自然状态水生植物附图3是将内部植物处理后只有净水面的蒸发补偿监测筒示意图。图中17处理后水生植物。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例。实施例
利用多筒补偿式蒸散仪测量白洋淀湿地^苇蒸散发量过程的方法和具体实
施步骤如下
步骤l:安装蒸(散)发监测筒3。根据白洋淀湿地挺水植物的分布情况，在湿地内安装6个监测筒。其中5个监测筒为植物蒸散发监测筒(如附图2所示)，其内分布有不同状态的芦苇和香蒲，另外1个监测筒为蒸发补偿监测筒(如附图3所示)，其内分布有去除植物后的净水面。
步骤2:安装数据中央处理系统1 (如附图1所示)。将数据中央处理器固定到支架上。固定各水槽12、超声波传感器7、光电开关IO、双向转动电动机6以及采集箱4，连接超声波传感器、光电开关数据线及电动机、采集箱电源线。
步骤3:将各测筒的连通管2以及各水槽的连通管全部对应连接到三通管上，
8打开三通管与自由水体相连的一端，使各测筒及水槽内的水位与湿地自由水位一致。
步骤4:查看存储器目前的状态，检查存储器内部时间与实际时间是否对应，若不对应，通过数据采集界面的时间调整端口对其进行设置。
步骤5:清除存储器内以前的存储数据。
步骤6:选用实时数据采集功能进行水位值实时采集，检査设备能够正常运行，查看连线是否正确。同时查看超声波传感器与水槽内水位的距离是否在超声波传感器监测范围内，如不满足该范围，进行设备调整。
步骤7:对采集箱GPRS模块参数进行设置，对数据采集使用的电脑IP地址及服务端口进行设置。
步骤8: —切正常之后，关闭三通管与自由水体相连的一端。启动数据自动采集功能，进行正式数据采集工作。
步骤9:采集一段时间之后，在指定IP地址的电脑上打开数据采集程序，进行数据无线传输。确认数据传输成功后，清除存储器中的数据以释放存储空间。
权利要求
1. 多筒补偿式水面蒸散仪，包括一组蒸(散)发监测筒(3)、连通管(2)和一个数据中央处理系统(1)，其特征在于各个测筒(3)规格相同，筒高120cm，壁厚1.5-2mm，筒口面积3000cm2，直径61.8cm，等同于标准E-601蒸发器的面积和直径；测筒(3)数量根据实际情况自行扩展，其内分布有不同种类、不同状态的蒸散体(16)、(17)；在测筒(3)筒壁距上端筒口50cm处，开有一个直径20mm的小孔，用于连接连通管(2)；数据中央处理系统(1)包括数据采集箱(4)、双向转动电动机(6)、光电开关(10)、超声波传感器(7)和水槽(12)；数据采集箱(4)由自动控制模块、继电器和GPRS模块构成；水槽(12)呈圆柱形，高70cm，底面直径11cm，等间距环形分布；在环形中心安置双向转动电动机(6)，电动机(6)旋臂(5)末端安置超声波传感器(7)，每个水槽(12)的对应位置安置光电开关(10)；通过电动机(6)驱动超声波传感器(7)沿轨道(9)做正反圆周运动，实现对各水槽(12)内水位同步观测。
2.权利要求1所述多筒补偿式水面蒸散仪的使用方法，其特征在于以下步骤: 利用PLC程序设计了利用一个超声波传感器(7)测量多个测筒(3)水位，并 控制装置定时自动采集、存储数据的运行方式，其运行过程如下当采集箱(4)内自动控制模块内置时钟到达整点时，自动控制模块接收到 信号，将继电器电路接通，控制电动机(6)顺时针转动；当电动机(6)悬臂 到达该电动机悬臂对应的光电开关(10)时，自动控制模块接收到该光电开关 (10)的信号，断开继电器电路，此时位于悬臂(5)末端的超声波传感器(7) 正好位于水槽(12)的正上方，电动机(6)停止转动，自动控制模块开始计时; 稳定5秒后，将超声波传感器(7)的测量数据存到缓存区，至此该水槽的数据采集工作结束；此时再次控制电动机(6)顺时针转动，当接收到下一个光电开关(10)信 号时，重复执行与上述相同的采集程序，依次类推；至最后一个水槽(12)的 数据采集工作结束时，接通继电器，控制电动机(6)逆时针转动；直至电动机 转动到起始位置处，断开继电器电路，电动机(6)停止转动；此时，将存放于缓存区的数据保存起来，至此完成该小时的数据采集过程。
全文摘要
本发明公开了多筒补偿式水面蒸散仪及使用方法，属于植物生理、生态监测及湿地气象水文量测技术领域。该装置由一组蒸(散)发监测筒、连通管和一个数据中央处理系统组成。各测筒规格相同，其内分布有不同的蒸散体，测筒数量可根据实际情况自行扩展。数据中央处理系统由数据采集箱、双向转动电动机、光电开关、超声波传感器和水槽构成，实现数据定时自动采集及无线发布功能。利用PLC程序设计了利用一个超声波传感器测量多个测筒水位，并控制仪器定时自动采集、存储数据的运行方式。本发明的有益效果是该蒸散仪可用于处理多物种、多状态的挺水植物蒸散量同时监测问题，具有造价底、精度高、易维护、数据发布方便等特点。
文档编号G01F19/00GK101482428SQ200910010130
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月15日 优先权日2009年1月15日
发明者刘盈斐, 昊 王, 许士国, 涛 马 申请人:大连理工大学