1引言

水面蒸發(fā)量是我國水文水資源、氣象觀測的重要指標(biāo)。目前大多數(shù)水文站的蒸發(fā)量的測量是通過人工每天觀測的方式進(jìn)行的，環(huán)節(jié)復(fù)雜，耗時(shí)耗力，對觀測人員也有較高的要求。尤其在下暴雨時(shí)，往往需要觀測人員冒雨取水[1-2]。因此迫切需要開發(fā)一套水面蒸發(fā)量自動監(jiān)測裝置，可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的自動監(jiān)測，并且能夠解決雨間蒸發(fā)量監(jiān)測問題[3]。該蒸發(fā)量測量裝置需要滿足使用人員只需在巡檢時(shí)對蒸發(fā)皿、水位測井進(jìn)行日常清洗維護(hù)。

 

2自動水面蒸發(fā)器計(jì)算原理

根據(jù)我國“SL630-2013《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》”（以下簡稱SL630-2013）的規(guī)定，非冰期日蒸發(fā)量應(yīng)按下列方法計(jì)算：

式中：E為日蒸發(fā)量，mm；P為日降水量，mm；∑h取為前一日8時(shí)至當(dāng)日8時(shí)各次取出水量之和，mm；∑h加為前一日8時(shí)至當(dāng)日8時(shí)各次加入水量之和，mm；∑h溢為前一日8時(shí)至當(dāng)日8時(shí)各次溢流水量之和，mm；h1，h2為上次（前一日）和本次（當(dāng)日）的蒸發(fā)器水面高度，mm。

 

根據(jù)蒸發(fā)量計(jì)算公式和水面蒸發(fā)觀測規(guī)范中蒸發(fā)自動觀測規(guī)定，全自動觀測方法應(yīng)能測計(jì)蒸發(fā)的變化過程，自動完成蒸發(fā)皿桶內(nèi)水面高度變化、時(shí)段溢流量、補(bǔ)水水面高度變化值、取水水面高度變化值得觀測功能[4]。

 

3自動水面蒸發(fā)器監(jiān)測功能

3.1液面自動監(jiān)測功能

該功能要求能夠全天候的監(jiān)測出（E601）蒸發(fā)桶內(nèi)的液面變化量，即h1和h2，其監(jiān)測液位范圍為0-100mm，分辨力要求能達(dá)到0.1mm。

 

3.2自動補(bǔ)水功能

對于自動水面蒸發(fā)器而言，自動補(bǔ)水功能是必須具備的功能，即完成公式（1）中∑h加的功能，否則就不能稱為自動水面蒸發(fā)器[1]（見5.1.1，《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》SL630-2013，以下簡稱SL630-2013）。

 

自動補(bǔ)水功能就是當(dāng)E601蒸發(fā)桶內(nèi)的蒸發(fā)達(dá)到一定量值時(shí)，能夠自動向蒸發(fā)桶內(nèi)再補(bǔ)回蒸發(fā)掉的水量。具體說就是：當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)的液面由h1經(jīng)蒸發(fā)后到達(dá)h2液面時(shí)，應(yīng)該有自動補(bǔ)水裝置向蒸發(fā)桶內(nèi)補(bǔ)水，當(dāng)補(bǔ)進(jìn)蒸發(fā)桶內(nèi)的水回到h1液面時(shí)，還能夠自動停止補(bǔ)水。符合上述要求的補(bǔ)水功能才是完善的自動補(bǔ)水功能。

 

3.3降雨量監(jiān)測功能

蒸發(fā)觀測規(guī)范已經(jīng)規(guī)定，在有降雨的情況下，當(dāng)E601蒸發(fā)桶內(nèi)的降雨沒有產(chǎn)生溢流時(shí)，日降雨量是記入日蒸發(fā)量中的。因此，真正完整的蒸發(fā)量觀測儀器是應(yīng)該能夠監(jiān)測和記錄降雨量的（在此不討論冰期蒸發(fā)問題）。

 

3.4溢流量監(jiān)測功能

當(dāng)持續(xù)降雨或持續(xù)補(bǔ)水使得E601蒸發(fā)桶內(nèi)的液面超過溢流液位時(shí)，將產(chǎn)生溢流。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，溢流量是不記入蒸發(fā)量的。因此，完整的自動水面蒸發(fā)器還應(yīng)該具備溢流量監(jiān)測功能，溢流量監(jiān)測的分辨力應(yīng)要小于E601蒸發(fā)桶液面的0.1mm蒸發(fā)量（約29.98g），溢流計(jì)分辨率應(yīng)小于29.98g。

 

按照上式，自動水面蒸發(fā)器只能通過自動完成各個(gè)要素的測量才能真正實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的自動測量。而其中水位作為其中最主要的參數(shù)，且分辨率要求為0.1mm。目前市場上測量水位的水位計(jì)分辨率大多數(shù)為1CM或1MM。SL630-2013中5.1.3規(guī)定，置于蒸發(fā)皿上方的裝置宜不影響蒸發(fā)皿水體的受光和水體上方的空氣流通，因此，為了保持蒸發(fā)通的水面不受干擾，從蒸發(fā)通下部引出一管與測井相連接[3]，通過對測井中的液位測量，從而測量出蒸發(fā)通內(nèi)的液位。這樣做的好處是，測井內(nèi)部相對密封，水位穩(wěn)定，能夠減少風(fēng)浪對液位測量的影響。

 

因此，能夠滿足蒸發(fā)器的水位監(jiān)測傳感器安裝于測井內(nèi)，高精度的液位傳感器主要有稱重式、超聲波水面測量儀和磁致伸縮水位計(jì)。

 

4液位監(jiān)測傳感器類型

4.1稱重式水位計(jì)

稱重式水位計(jì)，一般采用浮子稱重式液位，采用懸臂梁方式，在懸臂梁的一端固定稱重式傳感器，另一端連接浮子，測量筒位于支架下方，浮子浮于測量筒內(nèi)液面中。當(dāng)液位升高或者降低時(shí)，通過浮力變化影響懸臂梁傳感器的讀數(shù)、由此可以根據(jù)懸臂梁傳感器推算出液位變化，達(dá)到液位的目的。

 

但水的質(zhì)量受到溫度的影響比較大，因?yàn)橐簯B(tài)水38℃至43℃密度最大，當(dāng)水溫低于38℃或者高于43℃時(shí)，60g/cm2的水柱高度差都大于0.1mm。因此稱重式需要增加溫度校正部分，才能使用，常規(guī)的稱重式水位計(jì)不能滿足蒸發(fā)量測量的要求。

 

4.2超聲波水面測量儀

超聲波水面測量儀的原理是根據(jù)超聲波傳感器根據(jù)超聲波測距原理，選用高精度超聲波探頭，對標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿內(nèi)水面高度變化進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)換成電信號輸出。超聲波水面測量儀可分為沉底型（圖1）和側(cè)壁型（圖2），超聲波測量系統(tǒng)具有不破壞蒸發(fā)環(huán)境，性能穩(wěn)定，精度高，安裝簡單等特點(diǎn)。

超聲波蒸發(fā)測量儀的優(yōu)點(diǎn)為測量精度高，反應(yīng)時(shí)間短，安裝簡便，但是超聲波受到溫度、蒸汽、盲區(qū)等影響比較大。

（1）受壓力、溫度影響

超聲波的本質(zhì)是一種聲波，是屬于機(jī)械波，因此超聲波液位計(jì)的參數(shù)匯總有最大壓力值。另外，由于溫度對超聲波傳播速度有影響，溫度越高超聲波速度越大，因此需要配置溫度校正部分，以保證在使用溫度范圍內(nèi)的測量精度。

（2）蒸汽、霧氣對超聲波液位計(jì)影響

當(dāng)工作環(huán)境溫度很高時(shí)，液體介質(zhì)容易產(chǎn)生蒸汽或霧氣，由于蒸汽比空氣要輕，所以上浮到罐頂部，形成了一層對超聲波脈沖有吸收和散射作用的蒸汽層。可以通過加裝導(dǎo)波管的辦法，可以減少或削弱蒸汽層對測量的影響。

（3）盲區(qū)對超聲波液位計(jì)影響：

超聲波液位計(jì)的盲區(qū)，就如同人的眼睛一樣，盲區(qū)是當(dāng)物體離眼睛非常近的時(shí)候，反而看不清楚，這一段距離叫作盲區(qū)。超聲波液位計(jì)的盲區(qū)，根據(jù)量程的不同而不同。量程小，則盲區(qū)小，量程大，則盲區(qū)大。所以要求測量的最高液位不得高于超聲波液位計(jì)的盲區(qū)。

 

另外超聲波液位計(jì)的價(jià)格比較高，使得水面蒸發(fā)器的成本大大增加，不適合實(shí)際使用。

 

4.3磁致伸縮液位傳感器

磁致伸縮液位傳感器，通過內(nèi)部非接觸式的測控技術(shù)精確地檢測活動磁環(huán)的絕對位置來測量被檢測產(chǎn)品的實(shí)際位移值的；

 

磁致伸縮液位傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個(gè)不一樣磁場相交生成一個(gè)應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置的。測量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測量過程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場，當(dāng)該磁場和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。由于這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測量時(shí)間，就可以高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號是一個(gè)真正的絕對值,而不是比例的或放大處理的信號,所以不存在信號漂移或變值的情況,更無需定期重標(biāo)。

磁致伸縮液位傳感器具有價(jià)格低廉，不受溫度變化影響等優(yōu)點(diǎn)。

 

4.3.1對比實(shí)驗(yàn)

通過對磁致伸縮液位傳感器的比對，具體數(shù)據(jù)如表1所示。發(fā)現(xiàn)磁致伸縮液位傳感器的重復(fù)性較好。

 

4.3.2準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

通過針筒向測量管內(nèi)注水，通過實(shí)驗(yàn)，由于測量存在一定的誤差，通過圖3中實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為磁致伸縮傳感器基本滿足蒸發(fā)器的選型要求。

5 結(jié)論

本文通過市面上幾種常用的傳感器的對比實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論是，在自動蒸發(fā)器水位計(jì)選型中，磁致伸縮傳感器更勝一籌。