水面蒸发量自动监测装置液位计的选型

　　［摘要］本文涉及一种高精度的水面蒸发自动监测装置液位计的选型研究。液位是蒸发参数测量主要参数，液位测量传感器的选择尤为重要。通过对几种满足测验规范量程和分辨率的液位计对比分析及实际验证应用，选出磁致伸缩传感器作为水面蒸发量自动监测装置的液位计，并对常规磁致伸缩液位计进行升级改造，野外考核表明磁致伸缩液位计能够满足水面蒸发量自动监测的需要。

　　1引言

　　水面蒸发量是我国水文水资源、气象观测的重要指标。目前大多数水文站的蒸发量的测量是通过人工每天观测的方式进行的，环节复杂，耗时耗力，对观测人员也有较高的要求。尤其在下暴雨时，往往需要观测人员冒雨取水[1-2]。因此迫切需要开发一套水面蒸发量自动监测装置，可实现蒸发量的自动监测，并且能够解决雨间蒸发量监测问题[3]。该蒸发量测量装置需要满足使用人员只需在巡检时对蒸发皿、水位测井进行日常清洗维护。

　　2自动水面蒸发器计算原理

　　根据我国SL630-2013《水面蒸发观测规范》（以下简称SL630-2013）的规定，非冰期日蒸发量应按下列方法计算：

　　式中：E为日蒸发量，mm；P为日降水量，mm；h取为前一日8时至当日8时各次取出水量之和，mm；h加为前一日8时至当日8时各次加入水量之和，mm；h溢为前一日8时至当日8时各次溢流水量之和，mm；h1，h2为上次（前一日）和本次（当日）的蒸发器水面高度，mm。

　　根据蒸发量计算公式和水面蒸发观测规范中蒸发自动观测规定，全自动观测方法应能测计蒸发的变化过程，自动完成蒸发皿桶内水面高度变化、时段溢流量、补水水面高度变化值、取水水面高度变化值得观测功能[4]。

　　3自动水面蒸发器监测功能

　　3.1液面自动监测功能

　　该功能要求能够全天候的监测出（E601）蒸发桶内的液面变化量，即h1和h2，其监测液位范围为0-100mm，分辨力要求能达到0.1mm。

　　3.2自动补水功能

　　对于自动水面蒸发器而言，自动补水功能是必须具备的功能，即完成公式（1）中h加的功能，否则就不能称为自动水面蒸发器[1]（见5.1.1，《水面蒸发观测规范》SL630-2013，以下简称SL630-2013）。

　　自动补水功能就是当E601蒸发桶内的蒸发达到一定量值时，能够自动向蒸发桶内再补回蒸发掉的水量。具体说就是：当蒸发桶内的液面由h1经蒸发后到达h2液面时，应该有自动补水装置向蒸发桶内补水，当补进蒸发桶内的水回到h1液面时，还能够自动停止补水。符合上述要求的补水功能才是完善的自动补水功能。

　　3.3降雨量监测功能

　　蒸发观测规范已经规定，在有降雨的情况下，当E601蒸发桶内的降雨没有产生溢流时，日降雨量是记入日蒸发量中的。因此，真正完整的蒸发量观测仪器是应该能够监测和记录降雨量的（在此不讨论冰期蒸发问题）。

　　3.4溢流量监测功能

　　当持续降雨或持续补水使得E601蒸发桶内的液面超过溢流液位时，将产生溢流。根据规范规定，溢流量是不记入蒸发量的。因此，完整的自动水面蒸发器还应该具备溢流量监测功能，溢流量监测的分辨力应要小于E601蒸发桶液面的0.1mm蒸发量（约29.98g），溢流计分辨率应小于29.98g。

　　按照上式，自动水面蒸发器只能通过自动完成各个要素的测量才能真正实现蒸发量的自动测量。而其中水位作为其中非常主要的参数，且分辨率要求为0.1mm。目前市场上测量水位的水位计分辨率大多数为1CM或1MM。SL630-2013中5.1.3规定，置于蒸发皿上方的装置宜不影响蒸发皿水体的受光和水体上方的空气流通，因此，为了保持蒸发通的水面不受干扰，从蒸发通下部引出一管与测井相连接[3]，通过对测井中的液位测量，从而测量出蒸发通内的液位。这样做的好处是，测井内部相对密封，水位稳定，能够减少风浪对液位测量的影响。

　　因此，能够满足蒸发器的水位监测传感器安装于测井内，高精度的液位传感器主要有称重式、超声波水面测量仪和磁致伸缩水位计。

　　4液位监测传感器类型

　　4.1称重式水位计

　　称重式水位计，一般采用浮子称重式液位，采用悬臂梁方式，在悬臂梁的一端固定称重式传感器，另一端连接浮子，测量筒位于支架下方，浮子浮于测量筒内液面中。当液位升高或者降低时，通过浮力变化影响悬臂梁传感器的读数、由此可以根据悬臂梁传感器推算出液位变化，达到液位的目的。

　　但水的质量受到温度的影响比较大，因为液态水38℃至43℃密度非常大，当水温低于38℃或者高于43℃时，60g/cm2的水柱高度差都大于0.1mm。因此称重式需要增加温度校正部分，才能使用，常规的称重式水位计不能满足蒸发量测量的要求。

　　4.2超声波水面测量仪

　　超声波水面测量仪的原理是根据超声波传感器根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对标准蒸发皿内水面高度变化进行检测，转换成电信号输出。超声波水面测量仪可分为沉底型（图1）和侧壁型（图2），超声波测量系统具有不破坏蒸发环境，性能稳定，精度高，安装简单等特点。

　　超声波蒸发测量仪的优点为测量精度高，反应时间短，安装简便，但是超声波受到温度、蒸汽、盲区等影响比较大。

　　（1）受压力、温度影响

　　超声波的本质是一种声波，是属于机械波，因此超声波液位计的参数汇总有非常大压力值。另外，由于温度对超声波传播速度有影响，温度越高超声波速度越大，因此需要配置温度校正部分，以保证在使用温度范围内的测量精度。

　　（2）蒸汽、雾气对超声波液位计影响

　　当工作环境温度很高时，液体介质容易产生蒸汽或雾气，由于蒸汽比空气要轻，所以上浮到罐顶部，形成了一层对超声波脉冲有吸收和散射作用的蒸汽层。可以通过加装导波管的办法，可以减少或削弱蒸汽层对测量的影响。

　　（3）盲区对超声波液位计影响：

　　超声波液位计的盲区，就如同人的眼睛一样，盲区是当物体离眼睛非常近的时候，反而看不清楚，这一段距离叫作盲区。超声波液位计的盲区，根据量程的不同而不同。量程小，则盲区小，量程大，则盲区大。所以要求测量的非常高液位不得高于超声波液位计的盲区。

　　另外超声波液位计的价格比较高，使得水面蒸发器的成本大大增加，不适合实际使用。

　　4.3磁致伸缩液位传感器

　　磁致伸缩液位传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；

　　磁致伸缩液位传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不一样磁场相交生成一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。

　　磁致伸缩液位传感器具有价格低廉，不受温度变化影响等优点。

　　4.3.1对比实验

　　通过对磁致伸缩液位传感器的比对，具体数据如表1所示。发现磁致伸缩液位传感器的重复性较好。

　　4.3.2准确度实验

　　通过针筒向测量管内注水，通过实验，由于测量存在一定的误差，通过图3中实验，认为磁致伸缩传感器基本满足蒸发器的选型要求。

　　5 结论

　　本文通过市面上几种常用的传感器的对比实验，得到的结论是，在自动蒸发器水位计选型中，磁致伸缩传感器更胜一筹。