1引言

水面蒸發(fā)量是我國水文水資源、氣象觀(guān)測的重要指標。目前大多數水文站的蒸發(fā)量的測量是通過(guò)人工每天觀(guān)測的方式進(jìn)行的，環(huán)節復雜，耗時(shí)耗力，對觀(guān)測人員也有較高的要求。尤其在下暴雨時(shí)，往往需要觀(guān)測人員冒雨取水[1-2]。因此迫切需要開(kāi)發(fā)一套水面蒸發(fā)量自動(dòng)監測裝置，可實(shí)現蒸發(fā)量的自動(dòng)監測，并且能夠解決雨間蒸發(fā)量監測問(wèn)題[3]。該蒸發(fā)量測量裝置需要滿(mǎn)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。

 

2自動(dòng)水面蒸發(fā)器計算原理

根據我國“SL630-2013《水面蒸發(fā)觀(guān)測規范》”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SL630-2013）的規定，非冰期日蒸發(fā)量應按下列方法計算：

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)至當日8時(shí)各次取出水量之和，mm；∑h加為前一日8時(shí)至當日8時(shí)各次加入水量之和，mm；∑h溢為前一日8時(shí)至當日8時(shí)各次溢流水量之和，mm；h1，h2為上次（前一日）和本次（當日）的蒸發(fā)器水面高度，mm。

 

根據蒸發(fā)量計算公式和水面蒸發(fā)觀(guān)測規范中蒸發(fā)自動(dòng)觀(guān)測規定，全自動(dòng)觀(guān)測方法應能測計蒸發(fā)的變化過(guò)程，自動(dòng)完成蒸發(fā)皿桶內水面高度變化、時(shí)段溢流量、補水水面高度變化值、取水水面高度變化值得觀(guān)測功能[4]。

 

3自動(dòng)水面蒸發(fā)器監測功能

3.1液面自動(dòng)監測功能

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

 

3.2自動(dòng)補水功能

對于自動(dòng)水面蒸發(fā)器而言，自動(dòng)補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(chēng)為自動(dòng)水面蒸發(fā)器[1]（見(jiàn)5.1.1，《水面蒸發(fā)觀(guān)測規范》SL630-2013，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SL630-2013）。

 

自動(dòng)補水功能就是當E601蒸發(fā)桶內的蒸發(fā)達到一定量值時(shí)，能夠自動(dòng)向蒸發(fā)桶內再補回蒸發(fā)掉的水量。具體說(shuō)就是：當蒸發(fā)桶內的液面由h1經(jīng)蒸發(fā)后到達h2液面時(shí)，應該有自動(dòng)補水裝置向蒸發(fā)桶內補水，當補進(jìn)蒸發(fā)桶內的水回到h1液面時(shí)，還能夠自動(dòng)停止補水。符合上述要求的補水功能才是完善的自動(dòng)補水功能。

 

3.3降雨量監測功能

蒸發(fā)觀(guān)測規范已經(jīng)規定，在有降雨的情況下，當E601蒸發(fā)桶內的降雨沒(méi)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(guān)測儀器是應該能夠監測和記錄降雨量的（在此不討論冰期蒸發(fā)問(wèn)題）。

 

3.4溢流量監測功能

當持續降雨或持續補水使得E601蒸發(fā)桶內的液面超過(guò)溢流液位時(shí)，將產(chǎn)生溢流。根據規范規定，溢流量是不記入蒸發(fā)量的。因此，完整的自動(dòng)水面蒸發(fā)器還應該具備溢流量監測功能，溢流量監測的分辨力應要小于E601蒸發(fā)桶液面的0.1mm蒸發(fā)量（約29.98g），溢流計分辨率應小于29.98g。

 

按照上式，自動(dòng)水面蒸發(fā)器只能通過(guò)自動(dòng)完成各個(gè)要素的測量才能真正實(shí)現蒸發(fā)量的自動(dòng)測量。而其中水位作為其中#主要的參數，且分辨率要求為0.1mm。目前市場(chǎng)上測量水位的水位計分辨率大多數為1CM或1MM。SL630-2013中5.1.3規定，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(guò)對測井中的液位測量，從而測量出蒸發(fā)通內的液位。這樣做的好處是，測井內部相對密封，水位穩定，能夠減少風(fēng)浪對液位測量的影響。

 

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

 

4液位監測傳感器類(lèi)型

4.1稱(chēng)重式水位計

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

 

但水的質(zhì)量受到溫度的影響比較大，因為液態(tài)水38℃至43℃密度#大，當水溫低于38℃或者高于43℃時(shí)，60g/cm2的水柱高度差都大于0.1mm。因此稱(chēng)重式需要增加溫度校正部分，才能使用，常規的稱(chēng)重式水位計不能滿(mǎn)足蒸發(fā)量測量的要求。

 

4.2超聲波水面測量?jì)x

超聲波水面測量?jì)x的原理是根據超聲波傳感器根據超聲波測距原理，選用高精度超聲波探頭，對標準蒸發(fā)皿內水面高度變化進(jìn)行檢測，轉換成電信號輸出。超聲波水面測量?jì)x可分為沉底型（圖1）和側壁型（圖2），超聲波測量系統具有不破壞蒸發(fā)環(huán)境，性能穩定，精度高，安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

超聲波蒸發(fā)測量?jì)x的優(yōu)點(diǎn)為測量精度高，反應時(shí)間短，安裝簡(jiǎn)便，但是超聲波受到溫度、蒸汽、盲區等影響比較大。

（1）受壓力、溫度影響

超聲波的本質(zhì)是一種聲波，是屬于機械波，因此超聲波液位計的參數匯總有#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的測量精度。

（2）蒸汽、霧氣對超聲波液位計影響

當工作環(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�？梢酝ㄟ^(guò)加裝導波管的辦法，可以減少或削弱蒸汽層對測量的影響。

（3）盲區對超聲波液位計影響：

超聲波液位計的盲區，就如同人的眼睛一樣，盲區是當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。超聲波液位計的盲區，根據量程的不同而不同。量程小，則盲區小，量程大，則盲區大。所以要求測量的#高液位不得高于超聲波液位計的盲區。

 

另外超聲波液位計的價(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(guò)內部非接觸式的測控技術(shù)精que地檢測活動(dòng)磁環(huán)的覺(jué)對位置來(lái)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(guò)兩個(gè)不一樣磁場(chǎng)相交生成一個(gè)應變脈沖信號來(lái)準確地測量位置的。測量元件是一根波導管，波導管內的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測量過(guò)程是由傳感器的電子室內產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導管內傳輸，從而在波導管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當該磁場(chǎng)和套在波導管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導管內會(huì )產(chǎn)生一個(gè)應變機械波脈沖信號，這個(gè)應變機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)應變機械波脈沖信號在波導管內的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過(guò)測量時(shí)間，就可以高度精que地確定這個(gè)距離。由于輸出信號是一個(gè)真正的覺(jué)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wuxu定期重標。

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

通過(guò)對磁致伸縮液位傳感器的比對，具體數據如表1所示。發(fā)現磁致伸縮液位傳感器的重復性較好。

 

4.3.2準確度實(shí)驗

通過(guò)針筒向測量管內注水，通過(guò)實(shí)驗，由于測量存在一定的誤差，通過(guò)圖3中實(shí)驗，認為磁致伸縮傳感器基本滿(mǎn)足蒸發(fā)器的選型要求。

5 結論

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