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土壤水分温度剖面在线监测系统

BY-TSWP型土壤水分温度剖面在线监测系统

时间:2016-03-26 11:47来源:未知 作者:admin 点击:

土壤水分温度剖面在线监测系统

一、 概述

     BY-TSWP型土壤水分温度剖面在线监测系统是一种新颖的多功能土壤检测仪,可直接测量土壤中的温度、水分以及土壤盐分,并推算相对肥力变化。基于公司独有的专利技术,HR系列能够同时测量不同深度的相关土壤参数并通过GPRS网络或RS232\CAN接口上传至数据中心。该系列产品可以广泛的应用于土壤科学研究、水文研究、农业生产和牧业生产。对节约水资源、合理使用肥料、指导农业生产具有重大意义。

二、特点

     1.  免率定技术
     2.  全密封结构,适用于野外严酷的自然环境
     3.  外壳采用防老化材料,可长期植入土地中进行不间断测量
     4.  不同深度土壤参数同时监测,监测深度最深达1.5米
     5.  GPRS无线通讯方式或RS232\CAN接口可选配
     6.  低功耗设计和独特的电池防护设计,保证电池长寿命
     7.  5AH3.2V可充电电池供电,低电压提示充电
     8.  校准简便:一灯指示,后台自动校准
     9.   安装简单:可直接采用推荐的工具进行安装,10分钟能安装就位

三、主要功能

    1、测量功能:测量土壤中水分含量和温度。
    2、通讯功能:具有GPRS无线通讯和RS232/CAN串行通讯功能,上传测量数据到计算机中。

四、技术特性

     1. 温度测量范围:-20℃~70℃,测量精度±0.5℃
     2. 土壤水分(体积含水量)测量范围:干土~水分饱和土,
                     测量精度:±3%(在提供本地土壤样品校准前提下)
     3. 通讯方式:GPRS 无线通讯
             RS232通讯,通讯距离:5米
             CAN通讯,通讯距离:大于500米
     4. 供电方式:磷酸铁锂电池供电(+3.3VDC)(GPRS通讯模式)或外部+12VDC供电(串口通讯)
     5. 外形尺寸:63mm,长度随传感器的数量而不同。
     6. 运行环境:-20℃~85℃;
     7. 外壳防护等级:地面部分:IP67;地面以下:IP68
     8. 执行标准:Q/HDIST 001-2012

五、 结构特征与工作原理

    5.1 结构特征
  土壤水分监测仪为柱状结构。图示传感器的总长度800mm,内含三个传感器—--分别在地面以下10cm、20cm以及40cm的位置。
土壤水分监测仪
 
图1外形示意图
说明:
    顶部侧面有一个按键,一个充电口,分布在两侧,如图2所示。
               图2 顶部示意图
5.2 工作原理
        原理框图如图3所示。
                           图3 系统硬件框图
       系统根据设定启动监测仪,信号经过调理后送微控制器。通讯模块将测得的信号进行远传。电源管理模块对整个监测仪的电源进行管理。

六、安装位置选择与安装方法

6.1 安装位置选择
      安装位置的确定需要进行宏观选择和微观选择。
   1.宏观选址
      宏观选址考虑的因数有以下几方面:地型地貌、土壤类型、种植植物类型等。
   2.微观选址
      微观选址的依据是灌溉系统和植物长势。尽量将监测仪布设到得到平均水量的区域。应选择植物长势具有代表性的位置,避免将监测仪安装在长势特别好的植株旁,或者在长势差、病态的植株旁。
6.2 安装方法
安装步骤如下:
1.用专用荷兰钻在土壤的表层慢慢地往下旋转,进入土中20cm左右后,将钻从土中拨出,并将泥土从管里慢慢取出。重复操作数次,直到钻孔深度满足要求并深2-3cm。如图4所示。
图4打孔示意图
        将监测仪插入已经打出的孔位上,用力下插。如果下插不能到位,可以使用橡皮锤轻击传感器顶部(注意一定要用一块木板支撑,以防破坏顶部结构),如图5所示,或者两人一起按压木板的两端,直到安装深度满足要求。
2.为了使测试精度满足要求,应进行土样收集并回寄到本公司。采用本公司提供的专用取土袋,将土壤装满后,密封,并寄回。

七、使用

        安装INSENTEK客户端软件,运行该软件,可以查看所有的数据和信息。具体界面及功能请参看《INSENTEKT PC机使用手册》。

八、故障分析与排除

常见故障与排除方法如表1所示。
        表1 常见故障与排除方法
     *我们推荐用户在安装土壤水分监测仪之前,用配备的专用电源适配器对传感器进行一次5-6小时的充电。如果不进行充电,直接安装太阳能板充电器,充电电池可能电量不足,造成的后果是:白天太阳充足的时候,能够有不连惯的几个数据,晚上就没有数据发送出来。但是检查传感器是有电的(按下按键开关,红色环状指示灯会亮,也能听到传感器内部继电器的切换声音)。


 
   

九、产品优势特点

1.  导管式水分仪

   ①  优点
         导管式土壤水分仪设计精巧、安装要求高、精度和稳定性能够达到长期科学研究的要求。在国内仅在气象系统有规模性应用。
   ②  缺点
         安装复杂,耗时耗力。为了追求最小的土壤扰动,导管式采取钉管、管中掏土、内壁清理、现场校准、现场密封的操作流程。基本上属于现场组装类产品。在我国幅员辽阔、受训技术人员不足、农村和野外劳动力缺乏、自然环境复杂等情况下,大规模应用导管式的可能性是没有的。   
         没有温度校准(同插针式土壤水分传感器)。

2.   免率定土壤水分、温度监测仪

      在重新审视土壤水分的应用要求和社会环境基础上,借助互联网的颠覆性创新理念,结合现代工业设计中用户体验的分析技术,以及大数据和物联网的平台,重新设计的产品,它继承了导管式和插针式的各项优势,又弥补了他们的不足,开发了面向大规模、更广泛的应用场景的号称“中国管”的新一代土壤含水率测量设备。此产品在最近公布的水利部《第一批土壤水分监测仪器检测合格产品目录》上轻松夺冠,排在第一位。
第一代“中国管”的产品已经具备如下特性:
   ①  免率定
         免率定是指在测量目标土壤的水分含量时,不再需要获取现场土样进行烘干法校对,也不需要做出水分仪原始输出数据与现场土壤水分含量之前的函数关系(土壤率定)的土壤水分含量测量技术。
         免率定技术是土壤水分测量领域的根本性变革,由此大量缩减了一对一的率定水分仪与现场土壤水分仪之间的函数关系曲线所需要的大量人力、物力、财力及时间成本,从根本上提高了水分仪的适用性,也使规模化安装部署使用土壤水分仪成为可能,进而为实现网络状、动态监测目标区域的土壤水分变化情况打下了坚实的基础。
    ②  低能耗、集成一体化
          即物联网通讯终端、数据存储和处理单元、多深度水分及温度传感器、高性能电池在一个管中集成;低能耗,可用太阳能电池供电,无外部供电工作时间超过30天;
    ③  精度和稳定性
          精度达到正负2%以下,含同位温度校准;稳定性达到0.05%;
   ④  安装及实施
          15分钟现场操作,无土壤扰动,无需现场校准,智能启停,极大降低人力需求;
    ⑤  环境保护
           工作期间对环境无污染;设备撤场后对环境无残留污染;
    ⑥  大数据支持
           产品生命期数据完整记录及备份,支持大数据分析及移动设备访问;
     ⑦  知识产权
           跟国外产品在知识产权上无现实的和潜在的冲突,能够对核心特性的知识产权进行保护。

(一)  数据的准确性

   ①  数据的代表性
         典型的插针式传感器感应的土壤范围是直径5cm、高为8cm的圆柱体,而“中国管”的感应范围是外径25.5cm、壁厚10cm、高为10cm的管柱体。经过简单计算即可得出导管式感应范围是插针式的31倍,自然代表性就提高了30倍。再考虑到土壤水分的不一致性,导管式的测量方式显得“靠谱”多了。
   ② 最低的土壤扰动
         土壤扰动及人为因素影响。插针式的特征是外露的钢针,导管式是指传感器全封闭于一个管中的墒情仪。钢针长期使用会变形、表面会有腐蚀或者污染,而且当插针式要成组多点应用的时候就涉及复杂的连线,实施时需要在土壤中挖一个深坑掩埋,安装时如此维护时也需要同样的工作。由此产生的是设备的不可靠、安装和维护时对被测对象的彻底干扰,工作量和人员因素影响大。而导管式水分仪,打一个洞在地上,插入设备,无论单点还是多组,程序都是一样的,土壤扰动降到最低,设备长期使用中传感器件不会受到腐蚀或者污染,基本无人员因素干扰。
    ③  数据的精度及稳定性
          插针式是半数字化的,导管式是全数字化设计的。插针式从传感探针到数模转换模块之间传输的是十分微弱的模拟量,这一段就十分容易受到外界信号干扰,影响分辨率、可靠性和准确性。而对于导管式的水分传感器,传感器出来的频率信号直接转数字化,这使得受干扰的机会就没有了,所以导管式既能保证高分辨率又能保证高可靠性和100%传输准确性。因而导管式可以彻底消除困扰插针式用户多年的“数据突跳”及“变湿不变数”问题。

3. 数据的准确性及稳定性案例示例

      下表为河北保定冉庄水文试验站在2013年底用烘干法做的与传感器对比数据。数据对比了20厘米,50厘米和80厘米三个土层的结果显示,传感器的输出数值在稳定的有规律的变化,而烘干法数值则由于实验误差引起毫无规律的波动。

(二)  使用寿命

        “中国管”土壤水分、温度检测仪采用全封闭结构,整体设备在插入土壤部分满足IP68防护级别,地上部分满足IP67防护级别。传感器的电子元器件内置于高强度的防护材料之中,与土壤不发生直接接触。内置可反复充电的磷酸铁锂电池,电池具有独特的电池防护设计。
       在防雷方面,由于传统的RTU支架高出于地面数米,且大部分金属构件直接暴露在空气中,有众多被雷击的案例。

(三)  防盗

       当把土壤水分仪长期固定安装在田间后,在没有围栏、农场保安等外部保护的情况下,在有被盗的潜在风险时,“中国管”主要从以下几个方面考虑防盗问题。
靠一个人的力量并不能将“中国管”土壤水分、温度检测仪从地面拔出来。尤其是在土壤湿度较大、壤土、粘性土的情况下。只有在两个或以上的人数,通过使用绳子,抬杠,垂直往上的用力,才能将“中国管”从土壤中拔出来。
       在有农作物正常生长的地块,当农作物高于18厘米时,农作物都会把水分仪遮盖,植物长得茂密时,传感器更不容易被发现。
无开关的设计模式,实时的智能数据监控,当设备由土壤中拔出地面后,设备仍然正常发送数据,但采集到的含水量数据均为0。当设备数据采集间隔为1小时时,可以在一小时以内发现设备被盗。
       另外,可以采用伪装,保护色的方式将设备地上部分涂刷成与环境一致的颜色进行防盗。但这种做法需要留心记住传感器所在的位置,避免发生传感器的主人也找不到传感器的情况发生。

(四)  个性化设计

    ①  现场安装时间小于15分钟
         现场部署安装时间小于15分钟,极大降低人力需求。“中国管”的安装现场,客户仅需要做两件事情:使用“中国管”配套的取土钻钻孔取土;将“中国管”插入土壤中。
    ②  免现场校准模式
       “中国管”土壤水分、温度监测仪都过出厂校准的模式,使各支传感器的性能参数保持高度的一致性,进而在客户提出做土壤参数率定需求时,Insentek 通过使用其他通规格的传感器就能完成土壤参数率定工作。
    ③  无开关设计
        无开关的产品设计,把现场安装人员的操作环节及对人员的素质需求降到了最低,通过远程模式智能控制“中国管”土壤水分、温度监测仪的工作和停止。
    ④  智能检测灯
      “中国管”土壤水分、温度监测仪上安装有一智能按钮检测灯,当现场安装人员按按钮检测灯时,如果灯亮,说明设备状态正常,同时进行一次数据测量发送工作。
    ⑤  内外结合的供电方式
      磷酸铁锂电池内部供电(+3.3VDC)(GPRS通讯模式)或外部+12VDC供电(串口通讯)。
    ⑥  多样化数据通讯方式
     “中国管”土壤水分、温度监测仪有以下3大类通讯方式可供选择:
     A.  全网支持移动、联通、电信GPRS 无线通讯;
     B.   RS232通讯,通讯距离:5米;
      C.  CAN通讯,通讯距离:大于500米
    ⑦   可持续性
        插针式组成的系统往往结构复杂、大量的连线及连结装置、耗能较高(电源一般采用铅酸电池)。导管式是低能耗环保设计的,所有材料都集中于一管中。从环境影响角度看,导管式本身的重量往往是插针式系统的几十分之一,无论从生产环节、材料来源等角度看对环境的影响要小很多。特别是大规模野外实施时,一旦需要回收,插针式系统即使地面上的电池以及太阳能板和无线发射单元拆卸收回,人们往往不会再将其地下部件挖出,势必会有大量传感器探头、金属连线留在土壤中造成长期重金属、塑料等污染。然而导管式的回收就是一次将产品抽出土壤,厂家经过更换外壳或者部件、重新标定后再次投入市场,除了在地里留下一个几十毫米直径的洞之外什么都不会留下。

(五) 客户数据获取方式

   1.  手机端软件

         “中国管”土壤水分、温度监测仪配套手机端app,目前手机端app支持安卓4.0及以上系统。通过手机app或者微信二维码扫描可以完成实时数据列表浏览、数据图表浏览、设备定位。

   2. PC端软件界面

          本文章中黑色背景的土壤水分曲线图,均为“中国管”PC端软件界面截图。

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