基于磁致伸縮技術(shù)的水面蒸發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

摘要：為解決在線蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套雨量計(jì)精度不足問(wèn)題，基于磁致伸縮技術(shù)的方法原理，蒸發(fā)和雨量傳感系統(tǒng)均采用磁致伸縮液位傳感器，配套減阻、防波阻尼系統(tǒng)，精準(zhǔn)測(cè)量液位;再依據(jù)容積法和水量平衡原理計(jì)算降雨量和水面蒸發(fā)量，使其蒸發(fā)系統(tǒng)和雨量系統(tǒng)精度均達(dá)到±0.1mm，解決了在線蒸發(fā)系統(tǒng)雨量與蒸發(fā)監(jiān)測(cè)精度配套問(wèn)題。系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò) GPRS 信道傳送到中心服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)錄、發(fā)布，實(shí)現(xiàn) WEB、手機(jī) APP 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水面蒸發(fā)量、降雨量、工作狀態(tài)等查詢功能。經(jīng)云南省昆明市海口水文站1 a多的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度基本滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，且系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定。該技術(shù)可為水面蒸發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

關(guān) 鍵 詞：在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 水面蒸發(fā); 磁致伸縮技術(shù); 海口水文站

水面蒸發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在野外惡劣環(huán)境下，受多種因素影響，在不同的降雨強(qiáng)度時(shí)，要使其監(jiān)測(cè)精度達(dá)到規(guī)范要求的±0.1 mm難度較大。目前，國(guó)內(nèi)外在線蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究較多，但絕大多數(shù)系統(tǒng)均配套使用翻斗式雨量計(jì)（0.1 mm或0.5 mm），存在測(cè)量精度低、難以解決連續(xù)大雨量和極小降雨量的測(cè)量精度問(wèn)題[1]，以致降雨量測(cè)量不準(zhǔn)確，水面蒸發(fā)量測(cè)量出現(xiàn)較大偏差;也有系統(tǒng)配套使用稱重式雨量計(jì)，但因稱重式雨量計(jì)的天平受野外環(huán)境因素影響，稱重不穩(wěn)定，計(jì)量精度也受影響。

本文提出的基于磁致伸縮技術(shù)的在線水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，引入了工業(yè)中應(yīng)用成熟的磁致伸縮液位測(cè)量傳感器，基于磁致伸縮技術(shù)精準(zhǔn)測(cè)量液位的方法原理，將該技術(shù)應(yīng)用到水面蒸發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的蒸發(fā)器水面液位測(cè)量和降雨儲(chǔ)雨容器水面液位測(cè)量，再通過(guò)容積法和水量平衡原理精準(zhǔn)計(jì)算水面蒸發(fā)值，使該系統(tǒng)水面蒸發(fā)在線監(jiān)測(cè)值精度達(dá)到±0.1 mm。經(jīng)云南省昆明市西山區(qū)海口水文站1 a多的運(yùn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比精度基本達(dá)到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，且在野外惡劣的環(huán)境下運(yùn)行正常穩(wěn)定，可為水面蒸發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

1 工作原理

1.1 磁致伸縮液位傳感器工作原理

磁致伸縮液位傳感器由測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的可滑動(dòng)磁環(huán)（環(huán)狀浮球）組成，如圖1所示。

測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸縮線（波導(dǎo)線），環(huán)狀浮球浮在水面，隨水面升降。電子倉(cāng)產(chǎn)生一起始脈沖，該脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在波導(dǎo)絲中傳輸，與環(huán)狀浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，根據(jù)Widemanm效應(yīng)，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，形成 一個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波，傳輸?shù)诫娮觽}(cāng)。由發(fā)射、接收兩個(gè)脈沖的時(shí)間差，可知磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度（如2 800，3 000 m/s），進(jìn)而可精確測(cè)出環(huán)狀浮球位移和液位[1-2]。

1.2 在線水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

基于磁致伸縮技術(shù)的方法原理，本文介紹的在線水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其蒸發(fā)器水面液位和降雨器儲(chǔ)雨容器水面液位均采用磁致伸縮傳感器測(cè)量，液位測(cè)量分辨率達(dá) 0.031 mm;同時(shí)，應(yīng)用定量汲水方案代替被動(dòng)溢流方案，以提高水量平衡計(jì)算精準(zhǔn)度，使該系統(tǒng)水面蒸發(fā)在線值精度達(dá)±0.1 mm，其結(jié)構(gòu)及原理見(jiàn)圖2。

注：1為E601 蒸發(fā)器，2、16、17為蒸發(fā)器液位測(cè)量傳感器，3為高精度雨量測(cè)量裝置，4為定量瓶，5為儲(chǔ)水箱，6為定量瓶汲水泵，7為雨量桶補(bǔ)水泵，8為蒸發(fā)器補(bǔ)水泵，9為控制箱及遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)，10為太陽(yáng)能電池系統(tǒng)，11為雨量桶補(bǔ)水管， 12為蒸發(fā)器補(bǔ)水管，13為定量瓶汲水及回流管，14為定量瓶排水管，15為蒸發(fā)器與蒸發(fā)器液位測(cè)量傳感器連通管，18為定量瓶水位限位開(kāi)關(guān)。

第7期? ?張麗花：基于磁致伸縮技術(shù)的水面蒸發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用? ? 人 民 長(zhǎng) 江2019年 如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由 E601 蒸發(fā)器、雨量計(jì)、蒸發(fā)傳感器、主動(dòng)汲水和補(bǔ)排水伺服測(cè)控系統(tǒng)、電源、通訊系統(tǒng)、服務(wù)器軟件系統(tǒng)等組成;其中：E601 蒸發(fā)器尺寸與人工E601 蒸發(fā)器相同，雨量計(jì)采用磁致伸縮液位傳感器高精度計(jì)量降水量值，根據(jù)連通器原理將E601 蒸發(fā)器與蒸發(fā)傳感器相連，蒸發(fā)傳感器仍采用磁致伸縮液位傳感器高精度計(jì)量E601 蒸發(fā)器液位后，再通過(guò)水量平衡原理結(jié)合雨量計(jì)計(jì)量值計(jì)算高精度水面蒸發(fā)值，主動(dòng)汲水和補(bǔ)排水伺服測(cè)控系統(tǒng)主要控制汲水和補(bǔ)排泵，以達(dá)到自動(dòng)汲水和補(bǔ)排。

依以上公式，只要精確測(cè)算出降雨量、蒸發(fā)器水位、溢流量、取（汲）水量和加（補(bǔ)）水量， 就可以計(jì)算出蒸發(fā)量[4]。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 應(yīng)用區(qū)概況

實(shí)例應(yīng)用區(qū)選取云南昆明市西山區(qū)海口水文站降蒸觀測(cè)場(chǎng)。海口水文站屬國(guó)家基本水文站、滇池出口控制站，始建于1941年，其水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)為滇池水體的蒸發(fā)計(jì)算提供科學(xué)依據(jù)。 該站降蒸觀測(cè)場(chǎng)位于海口河左岸，觀測(cè)場(chǎng)尺寸為16 m×16 m，高程為1 892.68 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）， 四周鋼筋柵欄高1.2 m;觀測(cè)場(chǎng)四周空曠、開(kāi)闊無(wú)遮擋，符合降蒸觀測(cè)環(huán)境條件[5];場(chǎng)內(nèi)按規(guī)范原布設(shè)有人工E601型蒸發(fā)器1套，翻斗式雨量計(jì)（0.5 mm）1套，人工雨量計(jì)1套。在不影響原有監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備的前提下，將基于磁致伸縮技術(shù)的在線水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全部設(shè)施設(shè)備按規(guī)范布設(shè)于該降蒸觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，在同等條件下與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以分析其監(jiān)測(cè)精度。

2.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由 E601 型蒸發(fā)器、高精度蒸發(fā)器液位測(cè)量裝置 、高精度雨量測(cè)量裝置、儲(chǔ)水箱裝置、控制箱及遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)、太陽(yáng)能電池系統(tǒng)等組成。

2.3 系統(tǒng)功能

（1） 能對(duì)實(shí)時(shí)蒸發(fā)量、降雨量、水溫等以5 min為時(shí)間間隔（可預(yù)設(shè)）進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

（2） 能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸?shù)墓δ堋?/p>

（3） 能將采集的蒸發(fā)量、降雨量、水溫等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼尽?/p>

（4） 可人工設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù)。

（5） 接受中心站管理，通過(guò)遠(yuǎn)程通信與中心站實(shí)現(xiàn)雙向通信，進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程設(shè)置與維護(hù)。

（6） 中心站可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)錄和發(fā)布。

（7） 可實(shí)現(xiàn) WEB、手機(jī) APP 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工況等查詢功能[6-9]。

2.4 性能特點(diǎn)

（1） 高精度蒸發(fā)液位測(cè)量裝置。采用磁致伸縮液位傳感器，配套減阻、防波阻尼系統(tǒng)，使蒸發(fā)量測(cè)量精度≤±0.1 mm，水位分辨率達(dá) 0.031 mm。

（2） 高精度雨量測(cè)量裝置。采用磁致伸縮液位傳感器，并在測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，以使系統(tǒng)的測(cè)量精度高于±0.1 mm ，分辨率達(dá) 0.015 mm，雨強(qiáng)測(cè)量范圍0～30 mm/min，即從極小的露水至特大暴雨全范圍覆蓋，解決了翻斗式雨量計(jì)在大暴雨時(shí)無(wú)法翻轉(zhuǎn)，及翻斗內(nèi)留存水造成的誤差問(wèn)題。

（3） 主動(dòng)定量汲水裝置。使用定量汲水方案代替被動(dòng)溢流方案，配合蒸發(fā)測(cè)量倉(cāng)內(nèi)的高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)降雨時(shí)的蒸發(fā)量穩(wěn)定測(cè)量。

（4） 高自動(dòng)化控制系統(tǒng)。蒸發(fā)裝置和降雨裝置的補(bǔ)水、排水全自動(dòng)控制，無(wú)需人工參與，設(shè)有蒸發(fā)皿清洗模式、故障調(diào)試模式、低溫保護(hù)模式。

（5） 抗風(fēng)雨濾波算法。系統(tǒng)針對(duì)大風(fēng)雨天氣設(shè)計(jì)了專門的抗風(fēng)雨濾波算法，測(cè)量數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。

（6） 可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)中使用的器件易維護(hù)，無(wú)刷直流潛水泵的使用壽命長(zhǎng)，電動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次以上，并使用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)具有可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

2.5 應(yīng)用效果

海口水文站在線水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成后，至今已運(yùn)行1 a多，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定。以 2017 年人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)參照，將在線數(shù)據(jù)與之對(duì)比，計(jì)算該系統(tǒng)水面蒸發(fā)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度。人工數(shù)據(jù)嚴(yán)格按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行監(jiān)測(cè)，水面蒸發(fā)在線數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體如下。

但同時(shí)也注意到：相對(duì)差值較大的點(diǎn)，往往對(duì)應(yīng)人工觀測(cè)的日蒸發(fā)量值較小，其中最大相對(duì)差值92.9 %對(duì)應(yīng)的人工觀測(cè)值為1.4 mm。自動(dòng)與人工觀測(cè)原理有別，高精度磁致伸縮探頭的優(yōu)點(diǎn)是能很靈敏地感應(yīng)水面高度變化，然而受外界干擾也較大，例如受蒸發(fā)池內(nèi)湍流波動(dòng)以及不明物體落入池中等許多不確定因素的影響。另外，08：00定時(shí)觀測(cè)和自動(dòng)站連續(xù)觀測(cè)的時(shí)間不一致也會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)與人工觀測(cè)的日蒸發(fā)量存在差異。另風(fēng)速引起的蒸發(fā)池內(nèi)液位波動(dòng)也會(huì)影響到液位監(jiān)測(cè)的精度[16-20]。

3 結(jié) 論

（1） 本文依據(jù)磁致伸縮技術(shù)的方法原理，采用磁致伸縮液位傳感器，配套減阻、防波阻尼系統(tǒng)，精準(zhǔn)測(cè)量液位，再依據(jù)容積法計(jì)算降雨量、水量平衡法計(jì)算水面蒸發(fā)量，有效解決了現(xiàn)有在線蒸發(fā)系統(tǒng)中雨量系統(tǒng)配套蒸發(fā)系統(tǒng)精度應(yīng)為±0.1 mm 的問(wèn)題。

（2） 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2017 年全年在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺測(cè)率為 2.5%、粗差率為 1.4%、一致率為 73.8%;其一致率接近規(guī)范規(guī)定要求。

（3） 經(jīng)分析，其日蒸發(fā)量差值不滿足正態(tài)分布，自動(dòng)監(jiān)測(cè)值比人工監(jiān)測(cè)值相對(duì)偏小15.0%，近66.7%的數(shù)據(jù)都是自動(dòng)監(jiān)測(cè)值小于人工監(jiān)測(cè)值。

（4） 經(jīng)比測(cè)，日誤差±0.1 mm占19.4%，日誤差±0.2 mm占30.2%，日誤差±0.5 mm占55.0%，日誤差±1.0 mm占77.2%;最大日值相差在-4.7～2.2 mm之間;最大日值相對(duì)誤差在-92.9%～ 92.9 %之間;日值標(biāo)準(zhǔn)差33%。

（5） 定期校準(zhǔn)自記系統(tǒng)時(shí)鐘，采用固定08：00自記水位計(jì)算蒸發(fā)量，能消除部分環(huán)境因素影響，在實(shí)際生產(chǎn)中有良好的應(yīng)用。

（6） 該系統(tǒng)經(jīng)1 a多的運(yùn)行，正常穩(wěn)定;其在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度基本滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，可為在線水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

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（編輯：劉 媛）