王毛翠 王敏 魏根寶

[摘? ? 要] AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器是氣象部門(mén)兩種典型的蒸發(fā)量自動(dòng)觀測(cè)儀器。本文從超聲波蒸發(fā)傳感器的工作原理出發(fā)，詳細(xì)介紹了AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器在技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用環(huán)境、數(shù)據(jù)采集和測(cè)量性能等方面的差異。對(duì)比了兩種超聲波蒸發(fā)傳感器在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)模塊組、檢定方法、數(shù)據(jù)處理等方面的異同。結(jié)果表明：應(yīng)用環(huán)境改變后，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測(cè)量精度相對(duì)提高。檢定過(guò)程中AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值不同，分別為72mm和10mm。數(shù)據(jù)處理時(shí)，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)水位值乘0.981系數(shù)后為實(shí)際蒸發(fā)水位。

[關(guān)鍵詞] 蒸發(fā)傳感器;超聲波;檢定方法;比對(duì)分析

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

[中圖分類號(hào)] TP315? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2019）21- 0172- 03

0? ? ? 引? ? 言

蒸發(fā)是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是地表熱量平衡的組成部分[1-3]。蒸發(fā)量是水資源評(píng)價(jià)和氣候變化研究的重要參考指標(biāo)，在水利工程設(shè)計(jì)、水資源開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境評(píng)估等方面具有重要作用[4-5]。氣象部門(mén)為了實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的自動(dòng)化觀測(cè)，2003年1月起基于E601B型蒸發(fā)器的AG1.0型蒸發(fā)傳感器在基準(zhǔn)氣候站正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，用于測(cè)量非結(jié)冰期水面蒸發(fā)量。該傳感器投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來(lái)比較精確、穩(wěn)定、故障率低，但是在強(qiáng)風(fēng)雨等惡劣天氣條件下容易出現(xiàn)野值[6]。為了減少環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，中環(huán)天儀（天津）氣象儀器有限公司研制了AG2.0型蒸發(fā)傳感器，該傳感器改變?cè)瑼G1.0型傳感器的安裝方式，通過(guò)改善應(yīng)用環(huán)境提高測(cè)量精度。AG1.0型蒸發(fā)傳感器和AG2.0型蒸發(fā)傳感器的工作原理相同，在技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用環(huán)境、檢定方法、數(shù)據(jù)處理方法方面有所變化。文中結(jié)合實(shí)際工作，分析了兩種蒸發(fā)傳感器的性能差異，對(duì)比了檢定方法的異同，對(duì)提高蒸發(fā)傳感器的測(cè)量精度和檢定質(zhì)量具有一定作用。

1? ? ? 工作原理

AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的工作頻率為40kHz，由超聲波發(fā)生器和不銹鋼圓筒組成。超聲波發(fā)生器包含發(fā)射探頭和接收探頭，具有產(chǎn)生超聲波和自動(dòng)接收回波功能。其發(fā)射探頭將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波;同時(shí)接收探頭將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量超聲波發(fā)射和經(jīng)水面反射后返回的時(shí)間間隔，根據(jù)超聲測(cè)距原理可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距水面的距離。蒸發(fā)量是一個(gè)相對(duì)量，只需獲得在某時(shí)間段內(nèi)兩次水面高度，進(jìn)行算術(shù)計(jì)算即可得到在這段時(shí)間內(nèi)的蒸發(fā)量。

超聲波傳播速度與空氣溫度、濕度等參數(shù)有關(guān)。濕度對(duì)超聲波傳播速度影響相對(duì)較小，溫度對(duì)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(duì)超聲波傳播速度的影響，兩種超聲波蒸發(fā)傳感器配置了PT-100溫度校正部分，通過(guò)修正傳播速度提高測(cè)量精度。

2? ? ? 性能比對(duì)

2.1? ?技術(shù)參數(shù)

AG2.0型和AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。由于AG2.0型蒸發(fā)傳感器是AG1.0型蒸發(fā)傳感器的升級(jí)產(chǎn)品，其分辨力、線性、供電電源、最大允差、工作溫度等技術(shù)指標(biāo)相同，測(cè)量范圍和信號(hào)輸出方式發(fā)生改變。AG1.0型和AG2.0型蒸發(fā)傳感器的測(cè)量范圍分別為（0～100）mm和（0～98.1）mm，信號(hào)輸出分別為（0～5）V的電壓信號(hào)輸出和（4～20）mA的電流信號(hào)輸出。

2.2? ?應(yīng)用環(huán)境

AG1.0型蒸發(fā)傳感器使用時(shí)直接架設(shè)在E601B蒸發(fā)器內(nèi)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(fā)器溢孔。AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器改變?cè)惭b方式，其安裝示意圖如圖1所示。AG2.0型蒸發(fā)傳感器安裝在E601B蒸發(fā)器外部，并固定在百葉箱內(nèi)。傳感器與蒸發(fā)器通過(guò)鋁塑管相連，在壓力平衡作用下，蒸發(fā)傳感器不銹鋼圓筒與蒸發(fā)器水面高度一致，超聲波蒸發(fā)傳感器測(cè)得結(jié)果即為蒸發(fā)器內(nèi)水面高度。

2.3? ?數(shù)據(jù)采集

AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器（0～5）V的電壓信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)（0～100）mm的蒸發(fā)水位。綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件數(shù)據(jù)處理時(shí)，計(jì)算某段時(shí)間內(nèi)兩次蒸發(fā)水位的差值即為該時(shí)間內(nèi)水面的蒸發(fā)量。相比而言，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器（4～20）mA的電流信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)（0～98.1）mm的蒸發(fā)水位。由于AG2.0型傳感器安裝在E601B蒸發(fā)器的外部，對(duì)于蒸發(fā)器而然，池內(nèi)的水產(chǎn)生約2%的分流，即隨著蒸發(fā)器內(nèi)水的蒸發(fā)，不銹鋼圓筒內(nèi)的水不斷補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，使測(cè)量結(jié)果小于實(shí)際蒸發(fā)量。廠家技術(shù)人員研究表明，改善測(cè)量環(huán)境后，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器測(cè)得的蒸發(fā)水位比實(shí)際值偏小，需將蒸發(fā)水位訂正1.019的系數(shù)，即AG2.0型蒸發(fā)傳感器測(cè)得蒸發(fā)水位為98.1mm時(shí)，實(shí)際的蒸發(fā)水位為100mm。

2.4? ?測(cè)量性能

超聲波蒸發(fā)傳感器的測(cè)量精度受測(cè)量環(huán)境影響較大。AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器直接架設(shè)在蒸發(fā)器上方，水面濕度和空氣溫度波動(dòng)較大，降低了測(cè)量精度。在強(qiáng)風(fēng)雨等惡劣天氣條件下水面容易發(fā)生波動(dòng)，可能出現(xiàn)野值[6]。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間陽(yáng)光照射使超聲波發(fā)生器的外殼容易變形，導(dǎo)致零位偏移。AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器安裝在百葉箱內(nèi)，這樣減少了溫度和濕度對(duì)測(cè)量精度的影響，也可避免惡劣天氣下液面波動(dòng)出現(xiàn)野值。通過(guò)比較可以看出，由于應(yīng)用環(huán)境的改善，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測(cè)量精度得到較大提高。

3? ? ? 檢定方法

3.1? ?檢定技術(shù)要求

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

（2）標(biāo)準(zhǔn)模塊組：測(cè)量范圍為（0～100）mm，最大允差0.04mm。

（3）蒸發(fā)檢定點(diǎn)：共6個(gè)檢定點(diǎn)，分別為零位值、20mm、40mm、60mm、80mm、90mm。

（4）數(shù)據(jù)處理：蒸發(fā)傳感器在各檢定點(diǎn)的相對(duì)誤差值Δh可由下公式表示：

Δh=■×100%

式中：h為蒸發(fā)傳感器測(cè)得蒸發(fā)水位值，單位為mm;h0為零位值，單位為mm;hs為對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)模塊標(biāo)稱值，單位為mm。

（5）合格判據(jù)：蒸發(fā)傳感器在各蒸發(fā)檢定點(diǎn)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(duì)

AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器檢定均依據(jù)JJG（氣象）006-2011《自動(dòng)氣象站蒸發(fā)傳感器》規(guī)程。由于AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器不銹鋼圓筒高度比AG1.0型降低，零點(diǎn)位置發(fā)生變化，《自動(dòng)氣象站蒸發(fā)傳感器》的部分內(nèi)容不適用于AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器。同時(shí)，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測(cè)量范圍發(fā)生改變，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)模塊組需增加一個(gè)98.1mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊。下面分別從標(biāo)準(zhǔn)模塊組、檢定流程、數(shù)據(jù)處理等方面比對(duì)兩種蒸發(fā)傳感器的差異。

3.2.1? ?標(biāo)準(zhǔn)模塊組

AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)模塊組共有7個(gè)，分別為10mm、20mm、40mm、60mm、72mm、80mm、100mm。與AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器相比，AG2.0型蒸發(fā)傳感器的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)模塊組增加一個(gè)98.1mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊。因?yàn)锳G2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測(cè)量上限為98.1mm，此標(biāo)準(zhǔn)模塊用于滿量程校驗(yàn)。

3.2.2? ?檢定流程

AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值為72mm，檢定前先將72mm標(biāo)準(zhǔn)模塊放入不銹鋼圓筒內(nèi)，從地面觀測(cè)軟件讀取蒸發(fā)零位值。然后將72mm標(biāo)準(zhǔn)模塊分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，依次放入不銹鋼圓筒內(nèi)，分別讀取蒸發(fā)傳感器的當(dāng)前分鐘蒸發(fā)水位值。AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值為10mm，檢定時(shí)將10mm標(biāo)準(zhǔn)模塊放入不銹鋼圓筒內(nèi)，這與規(guī)程規(guī)定的內(nèi)容有所不同。讀取蒸發(fā)零位值后，分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，檢定流程同AG1.0型傳感器。

3.2.3? ?數(shù)據(jù)處理

AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測(cè)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(fā)傳感器測(cè)得蒸發(fā)水位為98.1mm時(shí)，實(shí)際的蒸發(fā)水位為100mm，并將訂正系數(shù)固化在業(yè)務(wù)軟件中。檢定與實(shí)際應(yīng)用不同，由于沒(méi)有不銹鋼圓筒分流影響，標(biāo)準(zhǔn)模塊模擬實(shí)際蒸發(fā)量時(shí)，無(wú)水的補(bǔ)償作用，CAWS600業(yè)務(wù)采集軟件讀取的蒸發(fā)水位值偏大，需將蒸發(fā)水位乘0.981的系數(shù)后為實(shí)際蒸發(fā)水位值。由公式（1）計(jì)算得到各蒸發(fā)檢定點(diǎn)相對(duì)誤差值Δh。在各蒸發(fā)檢定點(diǎn)，兩種型號(hào)超聲波蒸發(fā)傳感器的相對(duì)誤差Δh不超過(guò)±1.5%時(shí)為合格。

4? ? ? 結(jié)? ? 論

為了減少應(yīng)用環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的安裝方式發(fā)生變化，導(dǎo)致其業(yè)務(wù)應(yīng)用和計(jì)量檢定方法與AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器發(fā)生變化，主要結(jié)論如下：

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

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

（3）在數(shù)據(jù)采集方面：AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器直接安裝在蒸發(fā)器內(nèi)，其測(cè)量蒸發(fā)水位為實(shí)際觀測(cè)值。相比而言，AG2.0型傳感器安裝在E601B蒸發(fā)器的外部，池內(nèi)的水產(chǎn)生約2%的分流，使測(cè)量結(jié)果小于實(shí)際蒸發(fā)量。因此，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器測(cè)得的蒸發(fā)水位比實(shí)際值偏小，需將蒸發(fā)水位訂正1.019的系數(shù)，即AG2.0型蒸發(fā)傳感器測(cè)得蒸發(fā)水位為98.1mm時(shí)，實(shí)際的蒸發(fā)水位為100mm。

（4）在計(jì)量檢定方面：AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值分別為72mm和10mm。檢定時(shí)兩者的零位標(biāo)準(zhǔn)模塊分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，完成各蒸發(fā)檢定點(diǎn)檢定。數(shù)據(jù)處理時(shí)，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)水位示值乘0.981的系數(shù)后為實(shí)際蒸發(fā)水位值，否則可能導(dǎo)致檢定結(jié)論錯(cuò)誤。

主要參考文獻(xiàn)

[1]吳必文，溫華洋，葉朗明，等. 安徽地區(qū)近45年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化特征及影響因素初探[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2009，18（7）：620-624.

[2]吳文娟，王剛，黃丕新，等. 近50a?？谑薪邓颗c蒸發(fā)量變化[J].氣象研究與應(yīng)用，2009，30（1）：19-22.

[3]顧欣，康為民，龍先菊，等. 黔東南氣溫變化對(duì)蒸發(fā)皿蒸發(fā)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(lái)渭河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及原因分析[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，27（1）：77-82.

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

[6]宋樹(shù)禮，王柏林. 蒸發(fā)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(ài)國(guó)，高榮貴. 聲速的溫濕度修正研究[J].壓電與聲光，2010，33（1）：27-29.