CN108490504A - 水面蒸发量自动测量控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水面蒸发无线自动测量技术领域，是一种水面蒸发量自动测量控制装置，包括自动补水装置、雷达水位传感器、蒸发桶、GPS授时定位模块、数据采集电路、通信模块、数据中心服务器、控制电路、第一开关电路和第二开关电路，自动补水装置的进水口上连接有第一管线，在第一管线上固定安装有第一电磁阀，在自动补水装置的出水口与蒸发桶进水口连接有第二管线，在第二管线上固定安装有第二电磁阀等。本发明通过数据采集电路接收的水压数据和计算的水位数据发送至控制电路，控制电路控制第一开关电路自动启闭第一电磁阀或控制第二开关电路自动启闭第二电磁阀，实现自动补水，有效提高了水位数据测量的准确度，更进一步提高了蒸发量计算的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及水面蒸发无线自动测量技术领域，是一种水面蒸发量自动测量控制装置。
背景技术
目前，气象观测中的蒸发量指一定口径容器内的水，经过一段时间因蒸发而消耗的水层深度，以mm为单位，精确到0.1mm。气象台站用由以蒸发皿为主的小型蒸发器来测量蒸发量，蒸发量的观测在每天20时进行，一般是前一日20时以量杯量20mm（原量）清水倒入蒸发皿，经24小时蒸发后测量蒸发皿内水量，减少水量即为蒸发量（姜世中主编，气象学与气候学，P129）。蒸发量=前一日水面高度+降水量(以雨量器观测值为准)-测量时水面高度（地面气象观测规范第10部分：蒸发，P5）。这些方式以人工观测为主，观测间隔时间长，难以准确分析和研究复杂气候变化条件下的蒸发量。近年随着电子技术、自动控制技术、单片机技术和无线通信技术发展而出现的基于称重方式的自动蒸发测量仪，没有自动给蒸发器供水的补水装置，测量误差较大，补水过程无法自动完成，加上单片机无并行功能，采用串行方式接受和发送数据，使得较人工方式有所进步的自动蒸发测量仪在实际气象观测中处理速度无法高速测量和采集数据，存在较大的局限性。因此气象台站蒸发测量迫切需要一种从观测到补水完全自动化、不需人工干预、且测量精度高、测量频率高、同时准确记录测量时间和空间位置信息的自动水面蒸发观测***。
中国西北干旱区干旱少雨，在沙漠和荒漠地区潜在蒸发量往往大于降水量。因此观测和研究西北干旱区的潜在蒸发量对于研究气候变化背景下干旱风险提供实验依据。而已有的现场测量仪器技术落后和测量方式传统，包含机械探针部件，易磨损和氧化，维护成本高，很少具备自动数据传输和数据自动计算和处理功能。本发明采用雷达波非接触式测量，没有机械装置，避免了长期高频测量时的磨损和误差，整个测量过程和数据记录和计算处理过程自动化。水面蒸发量测量精度精确到0.1mm，达到国家SD256-88《水面蒸发观测规范》0.1mm 的规范要求。
发明内容
本发明提供了一种适用于中国西北干旱区的水面蒸发量自动测量控制装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有的适用于气象台站的蒸发量测量装置因没有设置自动向蒸发器供水的补水装置，采用人工补水的方式存在测量误差较大、测量精度低的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种水面蒸发量自动测量控制装置，包括自动补水装置、雷达水位传感器、蒸发桶、GPS授时定位模块、数据采集电路、通信模块、数据中心服务器、控制电路、第一开关电路和第二开关电路，自动补水装置的进水口上连接有第一管线，在第一管线上固定安装有第一电磁阀，在自动补水装置的出水口与蒸发桶进水口之间连接有第二管线，在第二管线上固定安装有第二电磁阀，在自动补水装置内侧壁上安装有测量自动补水装置内部水压的水压传感器，雷达水位传感器用于测量蒸发桶内水面的高度，所述水压传感器测量的水压数据、雷达水位传感器测量的水面高度以及GPS授时定位模块测量的经纬度和时间数据均发送至数据采集电路，经数据采集电路计算得到蒸发桶内的实时水位数据，数据采集电路通过通信模块与数据中心服务器通信连接、数据采集电路和控制电路连接，数据中心服务器用于接收数据采集电路传输的蒸发桶的水位数据并计算蒸发桶的水面蒸发量，控制电路接收数据采集电路发送的蒸发桶的实时水位数据和自动补水装置的实时水压数据，向第一开关电路和第二开关电路发送控制信号，所述第一开关电路接收控制电路发送的控制信号并控制开启/关闭第一电磁阀，第二开关电路接收控制电路发送的控制信号并控制开启/关闭第二电磁阀。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述还包括温湿度传感器和翻斗式雨量计，所述温湿度传感器和翻斗式雨量计均与数据采集电路连接。
上述雷达水位传感器采用非接触式测量雷达水位传感器。
上述还包括储水桶，所述储水桶的出水口与第一管线的进水口相连通。
上述还包括存储器，数据采集电路将蒸发桶的实时水位数据发送至存储器内存储。
上述通信模块为GPRS无线通信模块，所述数据采集电路通过GPRS无线通信模块与数据中心服务器的远程无线数据传输。
本发明通过数据采集电路将接收的水压数据和计算出的蒸发桶内的水位数据发送至控制电路，控制电路接收水压数据和水位数据，进而通过对比之后控制第一开关电路自动启闭第一电磁阀或控制第二开关电路自动启闭第二电磁阀，实现向蒸发桶和自动补水装置内自动补水，有效提高了测量水位数据的准确度，数据采集电路通过通信模块向数据中心服务器实时发送蒸发桶的水位数据，通过数据中心服务器计算蒸发桶各个时段的蒸发量，更进一步提高了蒸发量计算的精准度。通过增加储水桶有效解决自来水不稳定问题，储水桶容量大小视当地自来水供水状况而定，如果自来水供水愈不稳定，储水桶的容量需要愈大。采用GPRS无线通信模块在数据采集电路和数据中心服务器之间远程无线传输数据，有效确保了数据传输的稳定性。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
附图中的编号分别为:1为自动补水装置，2为第一管线，3为蒸发桶，4为第二管线，5为水压传感器，6为雷达水位传感器，7为储水桶，K1为第一电磁阀，K2为第二电磁阀。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
如附图1所示，该水面蒸发量自动测量控制装置，包括自动补水装置1、雷达水位传感器、蒸发桶3、GPS授时定位模块、数据采集电路、通信模块、数据中心服务器、控制电路、第一开关电路和第二开关电路，自动补水装置1的进水口上连接有第一管线2，在第一管线2上固定安装有第一电磁阀K1，在自动补水装置1的出水口与蒸发桶3进水口之间连接有第二管线4，在第二管线4上固定安装有第二电磁阀K2，在自动补水装置1内侧壁上安装有测量自动补水装置1内部水压的水压传感器5，雷达水位传感器用于测量蒸发桶内水面的高度，所述水压传感器5测量的水压数据、雷达水位传感器测量的水面高度以及GPS授时定位模块测量的经纬度和时间数据均发送至数据采集电路，经数据采集电路计算得到蒸发桶3内的实时水位数据，数据采集电路通过通信模块与数据中心服务器、数据采集电路与控制电路连接，数据中心服务器用于接收数据采集电路发送的蒸发桶3的水位数据并计算蒸发桶3的水面蒸发量，控制电路接收数据采集电路发送的蒸发桶3的实时水位数据和自动补水装置1的实时水压数据，向第一开关电路和第二开关电路发送控制信号，所述第一开关电路接收控制电路发送的控制信号并控制开启/关闭第一电磁阀K1，第二开关电路接收控制电路发送的控制信号并控制开启/关闭第二电磁阀K2。
自动补水装置1的进水口连接在自来水供水端上，自动补水装置1和自来水供水端之间通过第一电磁阀K1实现通断，蒸发桶3与自动补水装置1之间通过第二电磁阀K2实现通断，由此自动补水和水位测量组成一个反馈***，控制电路中设置有蒸发桶3的水位上限值H1、下限值L1以及自动补水装置1的水压上限值H2和下限值L2，控制电路根据雷达水位传感器测量的水位数据判断是否给蒸发桶3补水，当蒸发桶3水位低于水位下限（启动补水水位线）L1时，控制电路通过控制第二开关电路开启第二电磁阀K2，自动补水装置1向蒸发桶3补水，当达到蒸发桶3补水水位上限值H1时（停止补水水位线），控制电路通过控制第二开关电路关闭第二电磁阀K2，自动补水装置停止向蒸发桶3补水。同理，控制电路根据水压传感器5测量的自动补水装置1的水压数据判断是否给自动补水装置1补水，当自动补水装置1的水压低于水压下限L2（启动补水水压）时，控制电路通过控制第一开关电路开启第一电磁阀K1，自来水供水端自动向自动补水装置1补水，当达到自动补水装置1的补水水压上限值H2（停止补水水压）时，控制电路通过控制第一开关电路关闭第一电磁阀K1，自动补水装置1停止补水。
第一开关电路可包括第一继电器，第二开关电路可包括第二继电器，第一继电器输入端和第二继电器的输入端均与控制电路连接，第一继电器的输出端与第一电磁阀K1连接，第二继电器的输出端与第二电磁阀K2连接。当自动补水装置1内的水压传感器5测量的水压小于下限值L2时，则自动补水装置1内的水过少，已经不能满足向蒸发桶3补水，控制电路控制第一继电器上电，开启第一电磁阀K1，向自动补水装置1内补水。上述自动补水过程在短时间内完成，蒸发桶3水位快速达到上限H1，补水过程中雷达水位传感器测量水位数据持续快速增加，在补水过程中不计算蒸发桶的水面蒸发量。
本发明中控制电路可采用ARM CortexA9芯片。
本发明的水面蒸发量测量过程中，数据采集电路实时采集雷达水位传感器测量的雷达水位传感器探头到蒸发桶3水面距离DT和从GPS授时电路得到的时间TIME（时间单位为秒）、经度LON、纬度LAT和高程ALT（高程单位为米），通过运行于数据采集电路的嵌入式***中的数据预处理程序计算得到蒸发桶3水位数据DW并生成包含完整观测信息的格式化文本格式水位数据Water_Level_Txt（注：Txt代表文本数据），每一行完整的格式化水位数据Water_Level包括观测站编号SITE_NO、经度LON、纬度LAT、观测时间TIME、水位DW，为防止数据传输和存储过程中产生误码，数据采集电路上的嵌入式***的数据预处理程序将格式化水位数据Water_Level_Txt生成16进制编码带CRC校验位蒸发桶水位数据Water_Level_Hex（注：Hex代表16进制数据）。数据中心服务器接收16进制编码的格式化水位数据Water_Level_Hex后转换为文本格式水位数据Water_Level_Txt存储在数据中心服务器内的水位数据库Data_Water_Level中，运行于数据中心服务器的蒸发量计算程序定时每分钟自动运行，从水位数据库Data_Water_Level中读取水位数据和测量时间，根据水位数据和测量时间计算观测点蒸发桶3的水面蒸发量，并将计算结果保存在水面蒸发量数据库Data_Evaporation中。
可根据实际需要，对上述水面蒸发量自动测量控制装置作进一步优化或/和改进：
如附图1所示，还包括温湿度传感器和翻斗式雨量计，所述温湿度传感器和翻斗式雨量计均与数据采集电路连接。实际在进行蒸发桶水面蒸发测量中，需要考虑气温和降雨对水面蒸发量的影响。当气温低于0摄氏度时，水面结冰，***不测量和计算水面蒸发量。带RS485输出的翻斗式雨量计可准确观测并通过RS485数据总线输出降雨量，数据采集电路与翻斗式雨量计通过RS485数据总线连接，降雨过程中，数据采集电路采集翻斗式雨量计降雨量，并通过通信模块传输至数据中心服务器，数据中心服务器采用和记录水位相近的格式存储观测点降雨量数据并根据降雨量判断是否计算水面蒸发量，当降雨量小于等于0.1毫米/分钟时，数据中心服务器计算蒸发量时自动从对应时间段水位数据差值中减去降雨量得到准确水面蒸发量，当降雨量大于0.1毫米/分钟时，为中雨或大雨、暴雨，此时因空气中水汽接近饱和，不计算水面蒸发量。
在自动补水过程、天降中大暴雨期间和气温低于0摄氏度情况下，不测量水面蒸发量，三种状态分别用自动补水状态Water_Supply、降雨中雨或大雨状态Rain_Fall、结冰状态Freeze表示，当水面蒸发量自动观测***处于其中一种状态时，数据采集电路自动将观测站编号SITE_NO、经度LON、纬度LAT、观测时间TIME和***状态信息生成格式化文本格式状态数据System_Status_Txt，自动向数据中心服务器传输16进制编码带CRC校验位***状态数据System_Status_Hex。数据中心服务器接收16进制编码带CRC校验位***状态数据System_Status_Hex后转换为文本格式状态数据System_Status_Txt，存储在服务器观测***数据库Data_System_Status中，数据中心服务器不进行蒸发量计算。
如附图1所示，雷达水位传感器6采用非接触式测量雷达水位传感器。
上述的雷达水位传感器采用发射—反射—接收的工作模式。雷达水位传感器的喇叭状天线发射出电磁波，这些波经水面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比，关系式如下：D=CT/2；
式中：D—雷达液位计到液面的距离，C—光速，T—电磁波运行时间。
如附图1所示，还包括储水桶7，所述储水桶7的出水口与第一管线2的进水口相连通。
实际使用时，因野外供水不如城市稳定，自来水可能经常中断，通过增加储水桶7，有效解决自来水不稳定问题。储水桶7容量大小视当地自来水供水状况而定，如果自来水供水愈不稳定，储水桶7的容量需要愈大。
如图1所示，还包括存储器，数据采集电路将蒸发桶的实时水位数据发送至存储器内存储。
上述的存储器可为SD卡；数据采集电路通过通信模块向数据中心服务器远程无线传输，无线数据传输的同时在数据采集电路的SD卡存储水位数据Water_Level_Hex。
如图1所示，通信模块为GPRS无线通信模块，所述数据采集电路通过GPRS无线通信模块与数据中心服务器的远程无线数据传输。
上述采用GPRS无线通信模块在数据采集电路和数据中心服务器之间远程无线传输数据，有效确保了数据传输的稳定性。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
Claims (10)
1.一种水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于包括自动补水装置、雷达水位传感器、蒸发桶、GPS授时定位模块、数据采集电路、通信模块、数据中心服务器、控制电路、第一开关电路和第二开关电路，自动补水装置的进水口上连接有第一管线，在第一管线上固定安装有第一电磁阀，在自动补水装置的出水口与蒸发桶进水口之间连接有第二管线，在第二管线上固定安装有第二电磁阀，在自动补水装置内侧壁上安装有测量自动补水装置内部水压的水压传感器，雷达水位传感器用于测量蒸发桶内水面的高度，所述水压传感器测量的水压数据、雷达水位传感器测量的水面高度以及GPS授时定位模块测量的经纬度和时间数据均发送至数据采集电路，经数据采集电路计算得到蒸发桶内的实时水位数据，数据采集电路通过通信模块与数据中心服务器通信连接、数据采集电路和控制电路连接，数据中心服务器用于接收数据采集电路传输的蒸发桶的水位数据并计算蒸发桶的水面蒸发量，控制电路接收数据采集电路发送的蒸发桶的实时水位数据和自动补水装置的实时水压数据，向第一开关电路和第二开关电路发送控制信号，所述第一开关电路接收控制电路发送的控制信号并控制开启/关闭第一电磁阀，第二开关电路接收控制电路发送的控制信号并控制开启/关闭第二电磁阀。
2.根据权利要求1所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于还包括温湿度传感器和翻斗式雨量计，所述温湿度传感器和翻斗式雨量计均与数据采集电路连接。
3.根据权利要求1或2所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于雷达水位传感器采用非接触式测量雷达水位传感器。
4.根据权利要求1或2所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于还包括储水桶，所述储水桶的出水口与第一管线的进水口相连通。
5.根据权利要求3所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于还包括储水桶，所述储水桶的出水口与第一管线的进水口相连通。
6.根据权利要求1或2所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于还包括存储器，数据采集电路将蒸发桶的实时水位数据发送至存储器内存储。
7.根据权利要求3所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于还包括存储器，数据采集电路将蒸发桶的实时水位数据发送至存储器内存储。
8.根据权利要求4所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于还包括存储器，数据采集电路将蒸发桶的实时水位数据发送至存储器内存储。
9.根据权利要求5所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于还包括存储器，数据采集电路将蒸发桶的实时水位数据发送至存储器内存储。
10.根据权利要求1或2或5或7或8或9所述的水面蒸发量自动测量控制装置，其特征在于通信模块为GPRS无线通信模块，所述数据采集电路通过GPRS无线通信模块与数据中心服务器的远程无线数据传输。
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