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。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行的，環(huán)節(jié)復雜，耗時耗力，對觀測人員也有較高的要求。尤其在下暴雨時，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對蒸發(fā)皿、水位測井進行日常清洗維護。

 

2自動水面蒸發(fā)器計算原理

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時至當日8時各次取出水量之和，mm；∑h加為前一日8時至當日8時各次加入水量之和，mm；∑h溢為前一日8時至當日8時各次溢流水量之和，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(jù)蒸發(fā)量計算公式和水面蒸發(fā)觀測規(guī)范中蒸發(fā)自動觀測規(guī)定，全自動觀測方法應能測計蒸發(fā)的變化過程，自動完成蒸發(fā)皿桶內水面高度變化、時段溢流量、補水水面高度變化值、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，分辨力要求能達到0.1mm。

 

3.2自動補水功能

對于自動水面蒸發(fā)器而言，自動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）。

 

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

 

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E601蒸發(fā)桶內的降雨沒有產(chǎn)生溢流時，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

當持續(xù)降雨或持續(xù)補水使得E601蒸發(fā)桶內的液面超過溢流液位時，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)器還應該具備溢流量監(jiān)測功能，溢流量監(jiān)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，自動水面蒸發(fā)器只能通過自動完成各個要素的測量才能真正實現(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)通內的液位。這樣做的好處是，測井內部相對密封，水位穩(wěn)定，能夠減少風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，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。

 

4液位監(jiān)測傳感器類型

4.1稱重式水位計

稱重式水位計，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，浮子浮于測量筒內液面中。當液位升高或者降低時，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，達到液位的目的。

 

但水的質量受到溫度的影響比較大，因為液態(tài)水38℃至43℃密度最大，當水溫低于38℃或者高于43℃時，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，對標準蒸發(fā)皿內水面高度變化進行檢測，轉換成電信號輸出。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。

超聲波蒸發(fā)測量儀的優(yōu)點為測量精度高，反應時間短，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

超聲波的本質是一種聲波，是屬于機械波，因此超聲波液位計的參數(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，液體介質容易產(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)對超聲波液位計影響：

超聲波液位計的盲區(qū)，就如同人的眼睛一樣，盲區(qū)是當物體離眼睛非常近的時候，反而看不清楚，這一段距離叫作盲區(qū)。超聲波液位計的盲區(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的盲區(qū)。

 

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

 

4.3磁致伸縮液位傳感器

磁致伸縮液位傳感器，通過內部非接觸式的測控技術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、通過兩個不一樣磁場相交生成一個應變脈沖信號來準確地測量位置的。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)生一個圓周磁場，當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導管內會產(chǎn)生一個應變機械波脈沖信號，這個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。由于這個應變機械波脈沖信號在波導管內的傳輸時間和活動磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。由于輸出信號是一個真正的絕對值,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。

磁致伸縮液位傳感器具有價格低廉，不受溫度變化影響等優(yōu)點。

 

4.3.1對比實驗

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性較好。

 

4.3.2準確度實驗

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

5 結論

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