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水麵蒸發量自動監測裝置液位計的選型

作時間:2018-08-11  來源:  作者:
   

 [摘要]本文涉及一種高精度的水麵蒸發自動監測裝置液位計的選型研究。液位是蒸發參數測量主要參數,液位測量傳感器的選擇尤為重要。通過對幾種滿足測驗規範量程和分辨率的液位計對比分析及實際驗證應用,選出磁致伸縮傳感器作為水麵蒸發量自動監測裝置的液位計,並對常規磁致伸縮液位計進行升級改造,野外考核表明磁致伸縮液位計能夠滿足水麵蒸發量自動監測的需要。

 
1引言
水麵蒸發量是我國水文水資源、氣象觀測的重要指標。目前大多數水文站的蒸發量的測量是通過人工每天觀測的方式進行的,環節複雜,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]。因此迫切需要開發一套水麵蒸發量自動監測裝置,可實現蒸發量的自動監測,並且能夠解決雨間蒸發量監測問題[3]。該蒸發量測量裝置需要滿足使用人員隻需在巡檢時對蒸發皿、水位測井進行日常清洗維護。
 
2自動水麵蒸發器計算原理
根據我國“SL630-2013《水麵蒸發觀測規範》”(以下簡稱SL630-2013)的規定,非冰期日蒸發量應按下列方法計算:
20180811105229.jpg
式中:E為日蒸發量,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)的蒸發器水麵高度,mm。
 
根據蒸發量計算公式和水麵蒸發觀測規範中蒸發自動觀測規定,全自動觀測方法應能測計蒸發的變化過程,自動完成蒸發皿桶內水麵高度變化、時段溢流量、補水水麵高度變化值、取水水麵高度變化值得觀測功能[4]。
 
3自動水麵蒸發器監測功能
3.1液麵自動監測功能
該功能要求能夠全天候的監測出(E601)蒸發桶內的液麵變化量,即h1和h2,其監測液位範圍為0-100mm,分辨力要求能達到0.1mm。
 
3.2自動補水功能
對於自動水麵蒸發器而言,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麵蒸發器[1](見5.1.1,《水麵蒸發觀測規範》SL630-2013,以下簡稱SL630-2013)。
 
自動補水功能就是當E601蒸發桶內的蒸發達到一定量值時,能夠自動向蒸發桶內再補回蒸發掉的水量。具體說就是:當蒸發桶內的液麵由h1經蒸發後到達h2液麵時,應該有自動補水裝置向蒸發桶內補水,當補進蒸發桶內的水回到h1液麵時,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降雨量監測功能
蒸發觀測規範已經規定,在有降雨的情況下,當E601蒸發桶內的降雨沒有產生溢流時,日降雨量是記入日蒸發量中的。因此,真正完整的蒸發量觀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問題)。
 
3.4溢流量監測功能
當持續降雨或持續補水使得E601蒸發桶內的液麵超過溢流液位時,將產生溢流。根據規範規定,溢流量是不記入蒸發量的。因此,完整的自動水麵蒸發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於E601蒸發桶液麵的0.1mm蒸發量(約29.98g),溢流計分辨率應小於29.98g。
 
按照上式,自動水麵蒸發器隻能通過自動完成各個要素的測量才能真正實現蒸發量的自動測量。而其中水位作為其中最主要的參數,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為1CM或1MM。SL630-2013中5.1.3規定,置於蒸發皿上方的裝置宜不影響蒸發皿水體的受光和水體上方的空氣流通,因此,為了保持蒸發通的水麵不受幹擾,從蒸發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,能夠減少風浪對液位測量的影響。
 
因此,能夠滿足蒸發器的水位監測傳感器安裝於測井內,高精度的液位傳感器主要有稱重式、超聲波水麵測量儀和磁致伸縮水位計。
 
4液位監測傳感器類型
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,測量筒位於支架下方,浮子浮於測量筒內液麵中。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、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。
 
但水的質量受到溫度的影響比較大,因為液態水38℃至43℃密度最大,當水溫低於38℃或者高於43℃時,60g/cm2的水柱高度差都大於0.1mm。因此稱重式需要增加溫度校正部分,才能使用,常規的稱重式水位計不能滿足蒸發量測量的要求。
 
4.2超聲波水麵測量儀
超聲波水麵測量儀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,對標準蒸發皿內水麵高度變化進行檢測,轉換成電信號輸出。超聲波水麵測量儀可分為沉底型(圖1)和側壁型(圖2),超聲波測量係統具有不破壞蒸發環境,性能穩定,精度高,安裝簡單等特點。
沉底式蒸發測量儀和側壁式蒸發測量儀
超聲波蒸發測量儀的優點為測量精度高,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,是屬於機械波,因此超聲波液位計的參數匯總有最大壓力值。另外,由於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,以保證在使用溫度範圍內的測量精度。
(2)蒸汽、霧氣對超聲波液位計影響
當工作環境溫度很高時,液體介質容易產生蒸汽或霧氣,由於蒸汽比空氣要輕,所以上浮到罐頂部,形成了一層對超聲波脈衝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。所以要求測量的最高液位不得高於超聲波液位計的盲區。
 
另外超聲波液位計的價格比較高,使得水麵蒸發器的成本大大增加,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的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值的;
 
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衝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製成的。測量過程是由傳感器的電子室內產生電流脈衝,該電流脈衝在波導管內傳輸,從而在波導管外產生一個圓周磁場,當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環產生的磁場相交時,由於磁致伸縮的作用,波導管內會產生一個應變機械波脈衝信號,這個應變機械波脈衝信號以固定的聲音速度傳輸,並很快被電子室所檢測到。由於這個應變機械波脈衝信號在波導管內的傳輸時間和活動磁環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。由於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。
20180811105342.jpg
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,具體數據如表1所示。發現磁致伸縮液位傳感器的重複性較好。
 
4.3.2準確度實驗
通過針筒向測量管內注水,通過實驗,由於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器的選型要求。
磁致伸縮傳感器準確度實驗
5 結論
本文通過市麵上幾種常用的傳感器的對比實驗,得到的結論是,在自動蒸發器水位計選型中,磁致伸縮傳感器更勝一籌。 
 
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