CN106970433B - 双筒互补型全自动降水蒸发测量***及测量方法 - Google Patents

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李�雨
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鲁青
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韩松
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Abstract

本发明提供一种双筒互补型全自动降水蒸发测量***及测量方法，包括承雨口、量水筒以及蒸发器，承雨口下端与量水筒连通，在量水筒的下端设置有第一电动排水阀，在量水筒内设置有第一传感器，所述蒸发器的底部设置有第二电动排水阀，蒸发器与蒸发测量筒通过水管连通，在蒸发测量筒内设置有第二传感器，蒸发器通过管道还连接有补水泵，所述第一电动排水阀、第一传感器、第二电动排水阀、第二传感器以及补水泵均通过导线连接到采集控制器。量水筒排水时，***通过巧妙设计，利用安装在蒸发测量筒内的传感器计量排水时段内的降水量，彻底的解决了排水期间降水量少计量的问题，减小了测量误差；测量精度不受降雨强度的影响，实用范围宽泛。

Description

双筒互补型全自动降水蒸发测量***及测量方法
技术领域
本发明涉及一种降水蒸发测量***，具体是一种双筒互补型全自动降水蒸发测量***及测量方法。
背景技术
水面蒸发量是水文、气象、环保等行业的重要观测参数，过去依靠人工用螺旋式蒸发测针观测，随着电子信息技术和传感器技术的发展，通过仪器实现水面蒸发量的观测是大势所趋。
水面蒸发量的计算公式为：日蒸发量(E)＝日降雨量(P)-蒸发器日水面高度变化量(H),即
E＝P-H…………………………………………式(1)
从日蒸发量计算公式可以看出，日蒸发量的测量归根于蒸发器日水面高度变化的测量和日降雨量的测量。《水面蒸发观测规范》(SL630-2013)要求,“蒸发量观测记载至0.1mm”，如此高的测量精度对测量方式方法提出了较高要求。最近10年来，国内外一些仪器厂家着手了全自动降水蒸发测量***的研制，测量误差普遍较大，误差因素是多方面的,有的是传感器自身测量精度所致,有的是测量方法不够合理所致。
常用降雨量测量方法存在的问题
常用的雨量测量传感器有翻斗式雨量计、虹吸式雨量计、容栅式雨量计等，但实用中要么测量误差很大，要么结构复杂不宜推广使用。
1)分辨力为0.1mm的雨量计，在理论上满足测量要求，但是测量误差随降雨强度变化而变化，降雨强度较大的时候，累计测量误差会很大，导致不能满足测量要求。
2)虹吸式雨量计，用于雨量自动测量，还需要加装液位传感器，结构比较复杂，特别是发生虹吸的时候，往往也是降雨强度较大的时候。由于虹吸雨量计忽略了虹吸时段的降雨量，虹吸时间过长和虹吸次数过多，往往产生较大的测量误差。
3)容栅式雨量计测量精度可以满足要求，但是结构复杂，功耗大，不利于推广。
发明内容
本发明根据现有技术的不足提供一种双筒互补型全自动降水蒸发测量***，彻底的解决了降水量少计量的问题，减小了测量误差。
本发明的技术方案：一种双筒互补型全自动降水蒸发测量***，包括承雨口、量水筒以及蒸发器，承雨口下端与量水筒连通，在量水筒的下端设置有第一电动排水阀用于通过排水口将量水筒内的水排出，在量水筒内设置有第一传感器，所述蒸发器的底部设置有第二电动排水阀用于通过排水口将蒸发器内的水排出，蒸发器与蒸发测量筒通过连通管连通，在蒸发测量筒内设置有第二传感器，蒸发器通过管道还连接有补水泵，所述第一电动排水阀、第一传感器、第二电动排水阀、第二传感器以及补水泵均通过导线连接到采集控制器，所述量水筒、蒸发测量筒、第一传感器、第二传感器以及采集控制器均设置在仪器柜内。
所述承雨口安装在仪器柜的顶部。
所述量水筒和蒸发测量筒为内径相同的透明亚克力管，在量水筒和蒸发测量筒的底部分别开设有用于使第一传感器和第二传感器垂直的第一定位孔和第二定位孔。
所述量水筒上开口与承雨口的导管连接,其它位置密闭。
所述第一传感器和第二传感器为相同型号的磁致伸缩传感器，安装在同一个仪器柜内确保温度环境一样，第一传感器和第二传感器信号处理单元设置在量水筒和蒸发测量筒外部，感应部件设置在量水筒和蒸发测量筒内部。
所述第一传感器和第二传感器感应部件的感应浮球的吃水线处于球体的正中部。
所述蒸发器与补水泵连通的一侧在侧壁上端开有方便管道连接的补水口，补水口高度在蒸发器最高允许液位以上避免停止补水时回流。
所述蒸发器和蒸发测量筒相对的侧壁的下端相同高度处开设有方便连通管连接的连通口，所述连通管为水平设置的直管，所述连通管的长度为3-5米，内径为12-16毫米。
一种利用双筒互补型全自动降水蒸发测量***进行测量的方法，包括以下步骤：
启动双筒互补型全自动降水蒸发测量***，关闭第一电动排水阀和第二电动排水阀，承雨口收集降雨，采集控制器周期巡查量水筒的液面高度；
当第一传感器采集到量水筒内的水位正常，第二传感器测量蒸发测量筒内的水面高度正常时，采集控制器通过第一传感器测量量水筒内的起始水面高度P1，经过T时段观测后，随着降雨的持续，量水筒内水面高度上升到P2，那么该时段内的降雨量用深度表示为
P＝k1(P2-P1)…………………………………式(2)
k1是量水筒横截面积与承雨口截面换算系数，K1＝w1/w2，其中w1是量水筒横截面积，w2是承雨口横截面积；
采集控制器通过第二传感器测量蒸发测量筒内的水面高度，蒸发器水量变化为
H＝k2(H2-H1)…………………………·……………·式(3)
H1是观测起始时刻蒸发器的水面高度，
H2是观测结束时刻蒸发器的水面高度，
K2是水面高度换算系数，K2＝(S1+S2)/S1，其中S1是蒸发器的横截面积，S2是蒸发测量筒的横截面积，
蒸发量为
E＝P-H＝k1(P2-P1)-k2(H2-H1)………………………………式(4)
当第一传感器采集到量水筒内的水位超高，第二传感器测量蒸发测量筒内的水面高度正常时，采集控制器控制第一电动排水阀打开，对量水筒进行排水操作，同时采集控制器记录下排水前第一传感器和第二传感器分别采集的量水筒液面高度P3和蒸发测量筒的液面高度H4；
排水结束后采集控制器控制第一电动排水阀关闭，第一传感器和第二传感器再分别采集量水筒液面高度P4和蒸发测量筒的液面高度H5；
排水期间的降水量为k2(H5-H4)，从排水结束时刻到观测结束时刻的时段，水文行业观测结束时刻一般为早上8点整，降水量为k1(P2-P4)，式中P2表示观测时段结束时刻量水筒内的水面高度；
所以观测期间量水筒有排水事件发生时，观测时段的累计降水量
P＝k1(P3-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)……………………式(5)
观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝k1(P3-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)-k2(H2-H1)……式(6)
当第二传感器采集到蒸发测量筒内的水位超高，采集控制器控制第二电动排水阀打开，设第二电动排水阀开启和关闭时刻蒸发器的水面高度分别为H6、H7,观测时段的蒸发器液位累计变化量
H＝k2(H6-H1)+k2(H2-H7)………………………………·式(7)
观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝k1(P2-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)式(8)
排水期间的蒸发量忽略不计；(8)式是观测时段量水筒和蒸发器都有排水情况的计算公式，量水筒和蒸发器同时需要排水时则分时执行排水操作确保计量准确；如果只有蒸发器排水则观测时段雨量用(2)式，观测时段的蒸发器液位累计变化量用(7)式，观测时段内的累计蒸发量
E＝k1(P2-P1)-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)…………………………··式(9)
当天晴时间过长蒸发器液位过低补水泵自动给蒸发器补水，观测时段的蒸发器液位累计变化量计算方法与(7)相同，观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)………………………··式(10)。
所述采集控制器根据每次巡查的水面高度测量结果发出给、排水指令，控制第一电动排水阀、第二电动排水阀和补水泵给***给排水，确保***能正常工作。
本发明的技术效果：
1)磁致伸缩传感器的温度系数很小，对测量结果不需要进行任何温度补偿，测量误差小；
2)量水筒排水时，***通过巧妙设计，利用安装在蒸发测量筒内的传感器计量排水时段内的降水量，解决了降水量少计量的问题，减小了测量误差；
3)采用此原理设计的测量***测量精度不受降雨强度的影响，实用范围宽泛；
4)磁致伸缩传感器技术发展成熟，有很高的分辨力，能识别0.01mm大小的微小位移，满足观测规范技术要求，和当前同功能仪器相比技术优势明显；
5)磁致伸缩传感器结构简单、体积小、安装维护方便，只需要在容器顶部开一个小孔，***感应轴，然后用一个螺母柄紧即可使用。和同功能传感器相比有很高的性价比优势，具有很好的市场推广价值。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明量水筒结构示意图；
图3是本发明蒸发测量筒结构示意图。
图中标号分别表示：1-承雨口、2-量水筒、3-第一电动排水阀、4-第一传感器、5-蒸发测量筒、6-第二传感器、7-蒸发器、8-第二电动排水阀、9-补水泵、10-采集控制器、11-仪器柜、12-连通管、13-感应浮球、21-第一定位孔、51-第二定位孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如图1所示，如图1所示，一种双筒互补型全自动降水蒸发测量***，包括承雨口1、量水筒2以及蒸发器7，承雨口1下端与量水筒2连通，在量水筒2的下端设置有第一电动排水阀3，在量水筒2内设置有第一传感器4，所述蒸发器7的底部设置有第二电动排水阀8，蒸发器7与蒸发测量筒通5过连通管12连通，在蒸发测量筒5内设置有第二传感器6，蒸发器7通过管道还连接有补水泵9，所述第一电动排水阀3、第一传感器4、第二电动排水阀8、第二传感器6以及补水泵9均通过导线连接到采集控制器10，所述量水筒2、蒸发测量筒5、第一传感器4、第二传感器6以及采集控制器10均设置在仪器柜11内。蒸发器7置于空旷的观测场。
为了更好的承接雨水，承雨口1安装在仪器柜11的顶部。
为了保证测量的精确性，量水筒2和蒸发测量筒5为内径相同的透明亚克力管，在量水筒2和蒸发测量筒5的底部分别开设有用于使第一传感器4和第二传感器6垂直的第一定位孔21和第二定位孔51。
为防止量水筒内的水产生蒸发，影响测量精度，量水筒2上开口与承雨口1的导管连接,其它位置密闭。
所述第一传感器4和第二传感器6为相同型号的磁致伸缩传感器，第一传感器4和第二传感器信号6处理单元设置在量水筒2和蒸发测量筒5外部，感应部件设置在量水筒2和蒸发测量筒5内部。
第一传感器4和第二传感器6感应部件的感应浮球13的吃水线处于球体的正中部。
蒸发器7上端开口，与补水泵9连通的一侧在侧壁上端开设有方便管道连接的补水口。
蒸发器7和蒸发测量筒5相对的侧壁的下端相同高度处开设有方便连通管12连接的连通口，所述连通管12为水平设置的直管，长度为3-5米，内径为12-16毫米。
承雨口用于收集降雨，雨水通过承雨口下方的导管汇集到量水筒内，量水筒底部有第一电动排水阀。***启动工作时第一电动排水阀是关闭的，采集控制器先测量量水筒内的起始水面高度P1，一段时间后，随着降雨的持续水面高度上升到P2，那么该时段内的降雨量用深度表示为
P＝k1(P2-P1)………………………………………式(2)
由于承雨口的横截面通常和量水筒的横截面不一样，需要换算，k1是量水筒横截面积与承雨口截面换算系数，k1＝w1/w2，其中w1是量水筒横截面积，w2是承雨口横截面积。
蒸发器水面高度测量原理和降雨量测量原理类似。蒸发测量筒置于仪器柜内,从蒸发测量筒内蒸发的水量也很小。蒸发测量筒内盛装的水不能忽略不计,因此需要对测量结果进行换算，得出蒸发连通器的实际水量变化量(用水面高度表示)。
H＝k2(H2-H1)……………………………………………………………式(3)
H1是观测起始时刻蒸发器的水面高度，
H2是观测结束时刻蒸发器的水面高度，
K2是水面高度换算系数，K2＝(S1+S2)/S1，其中S1是蒸发器的横截面积，S2是蒸发测量筒的横截面积。
蒸发量为
E＝P-H＝k1(P2-P1)-k2(H2-H1)………………………………………式(4)
量水筒收集的雨量达到一定量时就会装满量水筒，需要排出量水筒内的水才能计量新的降水量。正常工作时采集控制器周期巡查量水筒的液面高度，发现水位超高就会打开电动排水阀门。通常排水和降水是同时发生的，强降雨时排水次数多，累计排水时间长排水期间的降雨量不可忽略，必须将排水期间的降水量计量在内。本***采用了如下采集计量办法。
排水启动前记录量水筒和蒸发器的水面高度P3、H4,排水，排水结束关闭第一电动排水阀后，记录量水筒和蒸发器的水面高度P4、H5(备注：第一电动排水阀处于开启状态时，第二电动排水阀应处于关闭状态)，那么排水期间的降水量为k2(H5-H4)，从排水结束时刻到观测结束时刻的时段降水量为k1(P2-P4)(式中P2表示观测时段结束时刻量水筒内的水面高度)。
所以观测期间量水筒有排水事件发生时观测时段的累计降水量
P＝k1(P3-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)………………………式(5)
观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝k1(P3-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)-k2(H2-H1)………………式(6)
当第二传感器采集到蒸发测量筒内的水位超高，采集控制器控制第二电动排水阀打开，设第二电动排水阀开启和关闭时刻蒸发器的水面高度分别为H6、H7,观测时段的蒸发器液位累计变化量
H＝k2(H6-H1)+k2(H2-H7)………………………………·式(7)
观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝k1(P2-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)式(8)
排水期间的蒸发量忽略不计；(8)式是观测时段量水筒和蒸发器都有排水情况的计算公式，量水筒和蒸发器同时需要排水时则分时执行排水操作确保计量准确；如果只有蒸发器排水则观测时段雨量用(2)式，观测时段的蒸发器液位累计变化量用(7)式，观测时段内的累计蒸发量
E＝k1(P2-P1)-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)…………………………··式(9)
当天晴时间过长蒸发器液位过低补水泵自动给蒸发器补水，观测时段的蒸发器液位累计变化量计算方法与(7)相同，观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)…………………………··式(10)。
随着降水和蒸发事件的发生蒸发器内的水面高度会出现过高或者过低的情况，采集控制器可以根据每次巡查的水面高度测量结果发出给排水指令，启动第一、第二电动排水阀和补水泵给***给排水，确保***能正常工作。执行给排水时采集器只要记录了蒸发器排水前后的水面高度就能方便的计算出观测时段内的蒸发量。

Claims (9)

1.一种利用双筒互补型全自动降水蒸发测量***进行测量的方法，其特征在于：所述双筒互补型全自动降水蒸发测量***包括承雨口、量水筒以及蒸发器，承雨口下端与量水筒连通，在量水筒的下端设置有第一电动排水阀用于通过排水口将量水筒内的水排出，在量水筒内设置有第一传感器，所述蒸发器的底部设置有第二电动排水阀用于通过排水口将蒸发器内的水排出，蒸发器与蒸发测量筒通过连通管连通，在蒸发测量筒内设置有第二传感器，蒸发器通过管道还连接有补水泵，所述第一电动排水阀、第一传感器、第二电动排水阀、第二传感器以及补水泵均通过导线连接到采集控制器，所述量水筒、蒸发测量筒、第一传感器、第二传感器以及采集控制器均设置在仪器柜内，方法包括以下步骤：
启动双筒互补型全自动降水蒸发测量***，关闭第一电动排水阀和第二电动排水阀，承雨口收集降雨，采集控制器周期巡查量水筒的液面高度；
当第一传感器采集到量水筒内的水位正常，第二传感器测量蒸发测量筒内的水面高度正常时，采集控制器通过第一传感器测量量水筒内的起始水面高度P1，经过T时段观测后，随着降雨的持续，量水筒内水面高度上升到P2，那么该时段内的降雨量用深度表示为
P＝k1(P2-P1)…………………………………式(2)
k1是量水筒横截面积与承雨口截面换算系数，k1＝w1/w2，其中w1是量水筒横截面积，w2是承雨口横截面积；
采集控制器通过第二传感器测量蒸发测量筒内的水面高度，蒸发器水量变化为
H＝k2(H2-H1)………………………………………式(3)
H1是观测起始时刻蒸发器的水面高度，
H2是观测结束时刻蒸发器的水面高度，
k2是水面高度换算系数，k2＝(S1+S2)/S1，其中S1是蒸发器的横截面积，S2是蒸发测量筒的横截面积，
蒸发量为
E＝P-H＝k1(P2-P1)-k2(H2-H1)………………………………式(4)
当第一传感器采集到量水筒内的水位超高，第二传感器测量蒸发测量筒内的水面高度正常时，采集控制器控制第一电动排水阀打开，对量水筒进行排水操作，同时采集控制器记录下排水前第一传感器和第二传感器分别采集的量水筒液面高度P3和蒸发测量筒的液面高度H4；
排水结束后采集控制器控制第一电动排水阀关闭，第一传感器和第二传感器再分别采集量水筒液面高度P4和蒸发测量筒的液面高度H5；
排水期间的降水量为k2(H5-H4)，从排水结束时刻到观测结束时刻的时段，水文行业观测结束时刻一般为早上8点整，降水量为k1(P2-P4)，式中P2表示观测时段结束时刻量水筒内的水面高度；
所以观测期间量水筒有排水事件发生时，观测时段的累计降水量
P＝k1(P3-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)……………………式(5)
观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝k1(P3-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)-k2(H2-H1)……式(6)
当第二传感器采集到蒸发测量筒内的水位超高，采集控制器控制第二电动排水阀打开，设第二电动排水阀开启和关闭时刻蒸发器的水面高度分别为H6、H7,观测时段的蒸发器液位累计变化量
H＝k2(H6-H1)+k2(H2-H7)………………………………式(7)
观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝k1(P2-P1)+k1(P2-P4)+k2(H5-H4)-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)式(8)
排水期间的蒸发量忽略不计；(8)式是观测时段量水筒和蒸发器都有排水情况的计算公式，量水筒和蒸发器同时需要排水时则分时执行排水操作确保计量准确；如果观测时段只有蒸发器排水则观测时段雨量用(2)式，观测时段的蒸发器液位累计变化量用(7)式，观测时段内的累计蒸发量
E＝k1(P2-P1)-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)…………………………式(9)
当天晴时间过长蒸发器液位过低补水泵自动给蒸发器补水，观测时段的蒸发器液位累计变化量计算方法与(7)相同，观测时段内的累计蒸发量
E＝P-H＝-k2(H6-H1)-k2(H2-H7)………………………………式(10)。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述采集控制器根据每次巡查的水面高度测量结果发出给、排水指令，控制第一电动排水阀、第二电动排水阀和补水泵给***给排水，确保***能正常工作。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述承雨口安装在仪器柜的顶部。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述量水筒和蒸发测量筒为内径相同的透明亚克力管，在量水筒和蒸发测量筒的底部分别开设有用于使第一传感器和第二传感器垂直的第一定位孔和第二定位孔。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述量水筒上开口与承雨口的导管连接,其它位置密闭。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述第一传感器和第二传感器为相同型号的磁致伸缩传感器，安装在同一个仪器柜内确保温度环境一样，第一传感器和第二传感器信号处理单元设置在量水筒和蒸发测量筒外部，感应部件设置在量水筒和蒸发测量筒内部。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述第一传感器和第二传感器感应部件的感应浮球的吃水线处于球体的正中部。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述蒸发器与补水泵连通的一侧在侧壁上端开有方便管道连接的补水口，补水口高度在蒸发器最高允许液位以上避免停止补水时回流。
9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述蒸发器和蒸发测量筒相对的侧壁的下端相同高度处开设有方便连通管连接的连通口，所述连通管为水平设置的直管，所述连通管的长度为3-5米，内径为12-16毫米。
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