[摘要]本文涉及一種高精度的水面蒸發(fā)自動監(jiān)測裝置液位計的選型研究。液位是蒸發(fā)參數(shù)測量主要參數(shù),液位測量傳感器的選擇尤為重要。通過對幾種滿足測驗規(guī)范量程和分辨率的液位計對比分析及實際驗證應(yīng)用,選出磁致伸縮傳感器作為水面蒸發(fā)量自動監(jiān)測裝置的液位計,并對常規(guī)磁致伸縮液位計進(jìn)行升級改造,野外考核表明磁致伸縮液位計能夠滿足水面蒸發(fā)量自動監(jiān)測的需要。kKc壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
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(jìn)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(yīng)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(dāng)日8時各次取出水量之和,mm;∑h加為前一日8時至當(dāng)日8時各次加入水量之和,mm;∑h溢為前一日8時至當(dāng)日8時各次溢流水量之和,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(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(dāng)E601蒸發(fā)桶內(nèi)的蒸發(fā)達(dá)到一定量值時,能夠自動向蒸發(fā)桶內(nèi)再補回蒸發(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,應(yīng)該有自動補水裝置向蒸發(fā)桶內(nèi)補水,當(dāng)補進(jìn)蒸發(fā)桶內(nèi)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(dāng)E601蒸發(fā)桶內(nèi)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(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)補水使得E601蒸發(fā)桶內(nèi)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(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#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(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。
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(nèi)液面中。當(dāng)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(dá)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(dāng)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(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。
超聲波蒸發(fā)測量儀的優(yōu)點為測量精度高,反應(yīng)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(zhì)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#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影響
當(dāng)工作環(huán)境溫度很高時,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^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(dāng)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#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(nèi)部非接觸式的測控技術(shù)精que地檢測活動磁環(huán)的覺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(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,由于磁致伸縮的作用,波導(dǎo)管內(nèi)會產(chǎn)生一個應(yīng)變機械波脈沖信號,這個應(yīng)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(yīng)變機械波脈沖信號在波導(dǎo)管內(nèi)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que地確定這個距離。由于輸出信號是一個真正的覺對值,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(biāo)。
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(fù)性較好。
4.3.2準(zhǔn)確度實驗
通過針筒向測量管內(nèi)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(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驗,得到的結(jié)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。
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