兩種超聲波蒸發傳感器性能與檢定方法比對分析

王毛翠 王敏 魏根寶

[摘? ? 要] AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發傳感器是氣象部門兩種典型的蒸發量自動觀測儀器。本文從超聲波蒸發傳感器的工作原理出發，詳細介紹了AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發傳感器在技術參數、應用環境、數據采集和測量性能等方面的差異。對比了兩種超聲波蒸發傳感器在計量標準模塊組、檢定方法、數據處理等方面的異同。結果表明：應用環境改變后，AG2.0型超聲波蒸發傳感器的測量精度相對提高。檢定過程中AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發傳感器的蒸發零位值不同，分別為72mm和10mm。數據處理時，AG2.0型超聲波蒸發傳感器的蒸發水位值乘0.981系數后為實際蒸發水位。

[關鍵詞] 蒸發傳感器;超聲波;檢定方法;比對分析

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 21. 068

[中圖分類號] TP315? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）21- 0172- 03

0? ? ? 引? ? 言

蒸發是水文循環的重要環節，是地表熱量平衡的組成部分[1-3]。蒸發量是水資源評價和氣候變化研究的重要參考指標，在水利工程設計、水資源開發利用、生態環境評估等方面具有重要作用[4-5]。氣象部門為了實現蒸發量的自動化觀測，2003年1月起基于E601B型蒸發器的AG1.0型蒸發傳感器在基準氣候站正式投入業務運行，用于測量非結冰期水面蒸發量。該傳感器投入業務運行以來比較精確、穩定、故障率低，但是在強風雨等惡劣天氣條件下容易出現野值[6]。為了減少環境對測量結果的影響，中環天儀（天津）氣象儀器有限公司研制了AG2.0型蒸發傳感器，該傳感器改變原AG1.0型傳感器的安裝方式，通過改善應用環境提高測量精度。AG1.0型蒸發傳感器和AG2.0型蒸發傳感器的工作原理相同，在技術參數、應用環境、檢定方法、數據處理方法方面有所變化。文中結合實際工作，分析了兩種蒸發傳感器的性能差異，對比了檢定方法的異同，對提高蒸發傳感器的測量精度和檢定質量具有一定作用。

1? ? ? 工作原理

AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發傳感器的工作頻率為40kHz，由超聲波發生器和不銹鋼圓筒組成。超聲波發生器包含發射探頭和接收探頭，具有產生超聲波和自動接收回波功能。其發射探頭將高頻電振動轉換成高頻機械振動，產生超聲波;同時接收探頭將超聲振動波轉換成電信號。信號檢測系統通過測量超聲波發射和經水面反射后返回的時間間隔，根據超聲測距原理可計算出發射點距水面的距離。蒸發量是一個相對量，只需獲得在某時間段內兩次水面高度，進行算術計算即可得到在這段時間內的蒸發量。

超聲波傳播速度與空氣溫度、濕度等參數有關。濕度對超聲波傳播速度影響相對較小，溫度對超聲波傳播速度影響較大[1]。溫度每升高1℃，傳播速度增加0.61m/s。為了減少溫度對超聲波傳播速度的影響，兩種超聲波蒸發傳感器配置了PT-100溫度校正部分，通過修正傳播速度提高測量精度。

2? ? ? 性能比對

2.1? ?技術參數

AG2.0型和AG1.0型超聲波蒸發傳感器的技術參數如表1所示。由于AG2.0型蒸發傳感器是AG1.0型蒸發傳感器的升級產品，其分辨力、線性、供電電源、最大允差、工作溫度等技術指標相同，測量范圍和信號輸出方式發生改變。AG1.0型和AG2.0型蒸發傳感器的測量范圍分別為（0～100）mm和（0～98.1）mm，信號輸出分別為（0～5）V的電壓信號輸出和（4～20）mA的電流信號輸出。

2.2? ?應用環境

AG1.0型蒸發傳感器使用時直接架設在E601B蒸發器內專用三腳架上，保持不銹鋼圓筒最高水位刻度線稍高于蒸發器溢孔。AG2.0型超聲波蒸發傳感器改變原安裝方式，其安裝示意圖如圖1所示。AG2.0型蒸發傳感器安裝在E601B蒸發器外部，并固定在百葉箱內。傳感器與蒸發器通過鋁塑管相連，在壓力平衡作用下，蒸發傳感器不銹鋼圓筒與蒸發器水面高度一致，超聲波蒸發傳感器測得結果即為蒸發器內水面高度。

2.3? ?數據采集

AG1.0型超聲波蒸發傳感器（0～5）V的電壓信號輸出對應（0～100）mm的蒸發水位。綜合觀測業務軟件數據處理時，計算某段時間內兩次蒸發水位的差值即為該時間內水面的蒸發量。相比而言，AG2.0型超聲波蒸發傳感器（4～20）mA的電流信號輸出對應（0～98.1）mm的蒸發水位。由于AG2.0型傳感器安裝在E601B蒸發器的外部，對于蒸發器而然，池內的水產生約2%的分流，即隨著蒸發器內水的蒸發，不銹鋼圓筒內的水不斷補充進來，使測量結果小于實際蒸發量。廠家技術人員研究表明，改善測量環境后，AG2.0型超聲波蒸發傳感器測得的蒸發水位比實際值偏小，需將蒸發水位訂正1.019的系數，即AG2.0型蒸發傳感器測得蒸發水位為98.1mm時，實際的蒸發水位為100mm。

2.4? ?測量性能

超聲波蒸發傳感器的測量精度受測量環境影響較大。AG1.0型超聲波蒸發傳感器直接架設在蒸發器上方，水面濕度和空氣溫度波動較大，降低了測量精度。在強風雨等惡劣天氣條件下水面容易發生波動，可能出現野值[6]。同時，長時間陽光照射使超聲波發生器的外殼容易變形，導致零位偏移。AG2.0型超聲波蒸發傳感器安裝在百葉箱內，這樣減少了溫度和濕度對測量精度的影響，也可避免惡劣天氣下液面波動出現野值。通過比較可以看出，由于應用環境的改善，AG2.0型超聲波蒸發傳感器的測量精度得到較大提高。

3? ? ? 檢定方法

3.1? ?檢定技術要求

（1）檢定依據：超聲波蒸發傳感器檢定依據JJG（氣象）006-2011《自動氣象站蒸發傳感器》。

（2）標準模塊組：測量范圍為（0～100）mm，最大允差0.04mm。

（3）蒸發檢定點：共6個檢定點，分別為零位值、20mm、40mm、60mm、80mm、90mm。

（4）數據處理：蒸發傳感器在各檢定點的相對誤差值Δh可由下公式表示：

Δh=■×100%

式中：h為蒸發傳感器測得蒸發水位值，單位為mm;h0為零位值，單位為mm;hs為對應標準模塊標稱值，單位為mm。

（5）合格判據：蒸發傳感器在各蒸發檢定點的最大允許誤差為±1.5%。

（6）檢定周期：2年。

3.2? ?檢定方法比對

AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發傳感器檢定均依據JJG（氣象）006-2011《自動氣象站蒸發傳感器》規程。由于AG2.0型超聲波蒸發傳感器不銹鋼圓筒高度比AG1.0型降低，零點位置發生變化，《自動氣象站蒸發傳感器》的部分內容不適用于AG2.0型超聲波蒸發傳感器。同時，AG2.0型超聲波蒸發傳感器的測量范圍發生改變，計量標準模塊組需增加一個98.1mm的標準模塊。下面分別從標準模塊組、檢定流程、數據處理等方面比對兩種蒸發傳感器的差異。

3.2.1? ?標準模塊組

AG1.0型超聲波蒸發傳感器的計量標準模塊組共有7個，分別為10mm、20mm、40mm、60mm、72mm、80mm、100mm。與AG1.0型超聲波蒸發傳感器相比，AG2.0型蒸發傳感器的計量標準模塊組增加一個98.1mm的標準模塊。因為AG2.0型超聲波蒸發傳感器的測量上限為98.1mm，此標準模塊用于滿量程校驗。

3.2.2? ?檢定流程

AG1.0型超聲波蒸發傳感器的蒸發零位值為72mm，檢定前先將72mm標準模塊放入不銹鋼圓筒內，從地面觀測軟件讀取蒸發零位值。然后將72mm標準模塊分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標準模塊組合，依次放入不銹鋼圓筒內，分別讀取蒸發傳感器的當前分鐘蒸發水位值。AG2.0型超聲波蒸發傳感器的蒸發零位值為10mm，檢定時將10mm標準模塊放入不銹鋼圓筒內，這與規程規定的內容有所不同。讀取蒸發零位值后，分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標準模塊組合，檢定流程同AG1.0型傳感器。

3.2.3? ?數據處理

AG2.0型超聲波蒸發傳感器的測量范圍為0～98.1mm，由于不銹鋼圓筒的分流作用，即AG2.0型蒸發傳感器測得蒸發水位為98.1mm時，實際的蒸發水位為100mm，并將訂正系數固化在業務軟件中。檢定與實際應用不同，由于沒有不銹鋼圓筒分流影響，標準模塊模擬實際蒸發量時，無水的補償作用，CAWS600業務采集軟件讀取的蒸發水位值偏大，需將蒸發水位乘0.981的系數后為實際蒸發水位值。由公式（1）計算得到各蒸發檢定點相對誤差值Δh。在各蒸發檢定點，兩種型號超聲波蒸發傳感器的相對誤差Δh不超過±1.5%時為合格。

4? ? ? 結? ? 論

為了減少應用環境對測量精度的影響，AG2.0型超聲波蒸發傳感器的安裝方式發生變化，導致其業務應用和計量檢定方法與AG1.0型超聲波蒸發傳感器發生變化，主要結論如下：

（1）在技術參數方面：AG1.0型和AG2.0型蒸發傳感器的測量范圍和信號輸出方式發生改變，其測量范圍分別為（0～100）mm和（0～98.1）mm，信號輸出分別為（0～5）V的電壓信號輸出和（4～20）mA的電流信號輸出。

（2）在測量精度方面：AG1.0型蒸發傳感器使用時直接架設在E601B蒸發器內，傳感器主體暴露在自然環境中，測量結果受環境條件影響較大。AG2.0型超聲波蒸發傳感器固定在百葉箱內，這種安裝方式減少了水面溫度、濕度對超聲波傳播速度的影響，避免惡劣天氣下液面波動出現野值，其測量精度相對提高。

（3）在數據采集方面：AG1.0型超聲波蒸發傳感器直接安裝在蒸發器內，其測量蒸發水位為實際觀測值。相比而言，AG2.0型傳感器安裝在E601B蒸發器的外部，池內的水產生約2%的分流，使測量結果小于實際蒸發量。因此，AG2.0型超聲波蒸發傳感器測得的蒸發水位比實際值偏小，需將蒸發水位訂正1.019的系數，即AG2.0型蒸發傳感器測得蒸發水位為98.1mm時，實際的蒸發水位為100mm。

（4）在計量檢定方面：AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發傳感器的蒸發零位值分別為72mm和10mm。檢定時兩者的零位標準模塊分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標準模塊組合，完成各蒸發檢定點檢定。數據處理時，AG2.0型超聲波蒸發傳感器的蒸發水位示值乘0.981的系數后為實際蒸發水位值，否則可能導致檢定結論錯誤。

主要參考文獻

[1]吳必文，溫華洋，葉朗明，等. 安徽地區近45年蒸發皿蒸發量變化特征及影響因素初探[J]. 長江流域資源與環境，2009，18（7）：620-624.

[2]吳文娟，王剛，黃丕新，等. 近50a海口市降水量與蒸發量變化[J].氣象研究與應用，2009，30（1）：19-22.

[3]顧欣，康為民，龍先菊，等. 黔東南氣溫變化對蒸發皿蒸發量的影響分析[J].高原氣象，2012，31（6）：1761-1766.

[4]高蓓，范建忠，景毅剛，等. 近33年來渭河流域蒸發皿蒸發量的變化特征及原因分析[J].成都信息工程學院學報，2012，27（1）：77-82.

[5]任國玉，郭軍. 中國水面蒸發量的變化[J].2006，21（1）：31-44.

[6]宋樹禮，王柏林. 蒸發傳感器工作原理及性能比較[J].氣象科技，2010，38（1）：111-113.

[7]張艷，陳愛國，高榮貴. 聲速的溫濕度修正研究[J].壓電與聲光，2010，33（1）：27-29.