本發(fā)明涉及一種降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，具體是一種雙筒互補(bǔ)型全自動(dòng)降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

水面蒸發(fā)量是水文、氣象、環(huán)保等行業(yè)的重要觀測(cè)參數(shù)，過(guò)去依靠人工用螺旋式蒸發(fā)測(cè)針觀測(cè)，隨著電子信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)儀器實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)量的觀測(cè)是大勢(shì)所趨。

水面蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：日蒸發(fā)量(e)＝日降雨量(p)-蒸發(fā)器日水面高度變化量(h),即

e＝p-h…………………………………………式(1)

從日蒸發(fā)量計(jì)算公式可以看出，日蒸發(fā)量的測(cè)量歸根于蒸發(fā)器日水面高度變化的測(cè)量和日降雨量的測(cè)量。《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(sl630-2013)要求,“蒸發(fā)量觀測(cè)記載至0.1mm”，如此高的測(cè)量精度對(duì)測(cè)量方式方法提出了較高要求。最近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些儀器廠家著手了全自動(dòng)降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)的研制，測(cè)量誤差普遍較大，誤差因素是多方面的,有的是傳感器自身測(cè)量精度所致,有的是測(cè)量方法不夠合理所致。

常用降雨量測(cè)量方法存在的問(wèn)題

常用的雨量測(cè)量傳感器有翻斗式雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)、容柵式雨量計(jì)等，但實(shí)用中要么測(cè)量誤差很大，要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜不宜推廣使用。

1)分辨力為0.1mm的雨量計(jì)，在理論上滿足測(cè)量要求，但是測(cè)量誤差隨降雨強(qiáng)度變化而變化，降雨強(qiáng)度較大的時(shí)候，累計(jì)測(cè)量誤差會(huì)很大，導(dǎo)致不能滿足測(cè)量要求。

2)虹吸式雨量計(jì)，用于雨量自動(dòng)測(cè)量，還需要加裝液位傳感器，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，特別是發(fā)生虹吸的時(shí)候，往往也是降雨強(qiáng)度較大的時(shí)候。由于虹吸雨量計(jì)忽略了虹吸時(shí)段的降雨量，虹吸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和虹吸次數(shù)過(guò)多，往往產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

3)容柵式雨量計(jì)測(cè)量精度可以滿足要求，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大，不利于推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種雙筒互補(bǔ)型全自動(dòng)降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，徹底的解決了降水量少計(jì)量的問(wèn)題，減小了測(cè)量誤差。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種雙筒互補(bǔ)型全自動(dòng)降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，包括承雨口、量水筒以及蒸發(fā)器，承雨口下端與量水筒連通，在量水筒的下端設(shè)置有第一電動(dòng)排水閥用于通過(guò)排水口將量水筒內(nèi)的水排出，在量水筒內(nèi)設(shè)置有第一傳感器，所述蒸發(fā)器的底部設(shè)置有第二電動(dòng)排水閥用于通過(guò)排水口將蒸發(fā)器內(nèi)的水排出，蒸發(fā)器與蒸發(fā)測(cè)量筒通過(guò)連通管連通，在蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)設(shè)置有第二傳感器，蒸發(fā)器通過(guò)管道還連接有補(bǔ)水泵，所述第一電動(dòng)排水閥、第一傳感器、第二電動(dòng)排水閥、第二傳感器以及補(bǔ)水泵均通過(guò)導(dǎo)線連接到采集控制器，所述量水筒、蒸發(fā)測(cè)量筒、第一傳感器、第二傳感器以及采集控制器均設(shè)置在儀器柜內(nèi)。

所述承雨口安裝在儀器柜的頂部。

所述量水筒和蒸發(fā)測(cè)量筒為內(nèi)徑相同的透明亞克力管，在量水筒和蒸發(fā)測(cè)量筒的底部分別開(kāi)設(shè)有用于使第一傳感器和第二傳感器垂直的第一定位孔和第二定位孔。

所述量水筒上開(kāi)口與承雨口的導(dǎo)管連接,其它位置密閉。

所述第一傳感器和第二傳感器為相同型號(hào)的磁致伸縮傳感器，安裝在同一個(gè)儀器柜內(nèi)確保溫度環(huán)境一樣，第一傳感器和第二傳感器信號(hào)處理單元設(shè)置在量水筒和蒸發(fā)測(cè)量筒外部，感應(yīng)部件設(shè)置在量水筒和蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)部。

所述第一傳感器和第二傳感器感應(yīng)部件的感應(yīng)浮球的吃水線處于球體的正中部。

所述蒸發(fā)器與補(bǔ)水泵連通的一側(cè)在側(cè)壁上端開(kāi)有方便管道連接的補(bǔ)水口，補(bǔ)水口高度在蒸發(fā)器最高允許液位以上避免停止補(bǔ)水時(shí)回流。

所述蒸發(fā)器和蒸發(fā)測(cè)量筒相對(duì)的側(cè)壁的下端相同高度處開(kāi)設(shè)有方便連通管連接的連通口，所述連通管為水平設(shè)置的直管，所述連通管的長(zhǎng)度為3-5米，內(nèi)徑為12-16毫米。

一種利用雙筒互補(bǔ)型全自動(dòng)降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的方法，包括以下步驟：

啟動(dòng)雙筒互補(bǔ)型全自動(dòng)降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，關(guān)閉第一電動(dòng)排水閥和第二電動(dòng)排水閥，承雨口收集降雨，采集控制器周期巡查量水筒的液面高度；

當(dāng)?shù)谝粋鞲衅鞑杉搅克矁?nèi)的水位正常，第二傳感器測(cè)量蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)的水面高度正常時(shí)，采集控制器通過(guò)第一傳感器測(cè)量量水筒內(nèi)的起始水面高度p1，經(jīng)過(guò)t時(shí)段觀測(cè)后，隨著降雨的持續(xù)，量水筒內(nèi)水面高度上升到p2，那么該時(shí)段內(nèi)的降雨量用深度表示為

p＝k1(p2-p1)…………………………………式(2)

k1是量水筒橫截面積與承雨口截面換算系數(shù)，k1＝w1/w2，其中w1是量水筒橫截面積，w2是承雨口橫截面積；

采集控制器通過(guò)第二傳感器測(cè)量蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)的水面高度，蒸發(fā)器水量變化為

h＝k2(h2-h1)…………………………·……………·式(3)

h1是觀測(cè)起始時(shí)刻蒸發(fā)器的水面高度，

h2是觀測(cè)結(jié)束時(shí)刻蒸發(fā)器的水面高度，

k2是水面高度換算系數(shù)，k2＝(s1+s2)/s1，其中s1是蒸發(fā)器的橫截面積，s2是蒸發(fā)測(cè)量筒的橫截面積，

蒸發(fā)量為

e＝p-h＝k1(p2-p1)-k2(h2-h1)………………………………式(4)

當(dāng)?shù)谝粋鞲衅鞑杉搅克矁?nèi)的水位超高，第二傳感器測(cè)量蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)的水面高度正常時(shí)，采集控制器控制第一電動(dòng)排水閥打開(kāi)，對(duì)量水筒進(jìn)行排水操作，同時(shí)采集控制器記錄下排水前第一傳感器和第二傳感器分別采集的量水筒液面高度p3和蒸發(fā)測(cè)量筒的液面高度h4；

排水結(jié)束后采集控制器控制第一電動(dòng)排水閥關(guān)閉，第一傳感器和第二傳感器再分別采集量水筒液面高度p4和蒸發(fā)測(cè)量筒的液面高度h5；

排水期間的降水量為k2(h5-h4)，從排水結(jié)束時(shí)刻到觀測(cè)結(jié)束時(shí)刻的時(shí)段，水文行業(yè)觀測(cè)結(jié)束時(shí)刻一般為早上8點(diǎn)整，降水量為k1(p2-p4)，式中p2表示觀測(cè)時(shí)段結(jié)束時(shí)刻量水筒內(nèi)的水面高度；

所以觀測(cè)期間量水筒有排水事件發(fā)生時(shí)，觀測(cè)時(shí)段的累計(jì)降水量

p＝k1(p3-p1)+k1(p2-p4)+k2(h5-h4)……………………式(5)

觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝p-h＝k1(p3-p1)+k1(p2-p4)+k2(h5-h4)-k2(h2-h1)……式(6)

當(dāng)?shù)诙鞲衅鞑杉秸舭l(fā)測(cè)量筒內(nèi)的水位超高，采集控制器控制第二電動(dòng)排水閥打開(kāi)，設(shè)第二電動(dòng)排水閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻蒸發(fā)器的水面高度分別為h6、h7,觀測(cè)時(shí)段的蒸發(fā)器液位累計(jì)變化量

h＝k2(h6-h1)+k2(h2-h7)………………………………·式(7)

觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝p-h＝k1(p2-p1)+k1(p2-p4)+k2(h5-h4)-k2(h6-h1)-k2(h2-h7)式(8)

排水期間的蒸發(fā)量忽略不計(jì)；(8)式是觀測(cè)時(shí)段量水筒和蒸發(fā)器都有排水情況的計(jì)算公式，量水筒和蒸發(fā)器同時(shí)需要排水時(shí)則分時(shí)執(zhí)行排水操作確保計(jì)量準(zhǔn)確；如果只有蒸發(fā)器排水則觀測(cè)時(shí)段雨量用(2)式，觀測(cè)時(shí)段的蒸發(fā)器液位累計(jì)變化量用(7)式，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝k1(p2-p1)-k2(h6-h1)-k2(h2-h7)…………………………··式(9)

當(dāng)天晴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)蒸發(fā)器液位過(guò)低補(bǔ)水泵自動(dòng)給蒸發(fā)器補(bǔ)水，觀測(cè)時(shí)段的蒸發(fā)器液位累計(jì)變化量計(jì)算方法與(7)相同，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝p-h＝-k2(h6-h1)-k2(h2-h7)………………………··式(10)。

所述采集控制器根據(jù)每次巡查的水面高度測(cè)量結(jié)果發(fā)出給、排水指令，控制第一電動(dòng)排水閥、第二電動(dòng)排水閥和補(bǔ)水泵給系統(tǒng)給排水，確保系統(tǒng)能正常工作。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

1)磁致伸縮傳感器的溫度系數(shù)很小，對(duì)測(cè)量結(jié)果不需要進(jìn)行任何溫度補(bǔ)償，測(cè)量誤差??；

2)量水筒排水時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，利用安裝在蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)的傳感器計(jì)量排水時(shí)段內(nèi)的降水量，解決了降水量少計(jì)量的問(wèn)題，減小了測(cè)量誤差；

3)采用此原理設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度不受降雨強(qiáng)度的影響，實(shí)用范圍寬泛；

4)磁致伸縮傳感器技術(shù)發(fā)展成熟，有很高的分辨力，能識(shí)別0.01mm大小的微小位移，滿足觀測(cè)規(guī)范技術(shù)要求，和當(dāng)前同功能儀器相比技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯；

5)磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝維護(hù)方便，只需要在容器頂部開(kāi)一個(gè)小孔，插入感應(yīng)軸，然后用一個(gè)螺母柄緊即可使用。和同功能傳感器相比有很高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明量水筒結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明蒸發(fā)測(cè)量筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)分別表示：1-承雨口、2-量水筒、3-第一電動(dòng)排水閥、4-第一傳感器、5-蒸發(fā)測(cè)量筒、6-第二傳感器、7-蒸發(fā)器、8-第二電動(dòng)排水閥、9-補(bǔ)水泵、10-采集控制器、11-儀器柜、12-連通管、13-感應(yīng)浮球、21-第一定位孔、51-第二定位孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，如圖1所示，一種雙筒互補(bǔ)型全自動(dòng)降水蒸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，包括承雨口1、量水筒2以及蒸發(fā)器7，承雨口1下端與量水筒2連通，在量水筒2的下端設(shè)置有第一電動(dòng)排水閥3，在量水筒2內(nèi)設(shè)置有第一傳感器4，所述蒸發(fā)器7的底部設(shè)置有第二電動(dòng)排水閥8，蒸發(fā)器7與蒸發(fā)測(cè)量筒通5過(guò)連通管12連通，在蒸發(fā)測(cè)量筒5內(nèi)設(shè)置有第二傳感器6，蒸發(fā)器7通過(guò)管道還連接有補(bǔ)水泵9，所述第一電動(dòng)排水閥3、第一傳感器4、第二電動(dòng)排水閥8、第二傳感器6以及補(bǔ)水泵9均通過(guò)導(dǎo)線連接到采集控制器10，所述量水筒2、蒸發(fā)測(cè)量筒5、第一傳感器4、第二傳感器6以及采集控制器10均設(shè)置在儀器柜11內(nèi)。蒸發(fā)器7置于空曠的觀測(cè)場(chǎng)。

為了更好的承接雨水，承雨口1安裝在儀器柜11的頂部。

為了保證測(cè)量的精確性，量水筒2和蒸發(fā)測(cè)量筒5為內(nèi)徑相同的透明亞克力管，在量水筒2和蒸發(fā)測(cè)量筒5的底部分別開(kāi)設(shè)有用于使第一傳感器4和第二傳感器6垂直的第一定位孔21和第二定位孔51。

為防止量水筒內(nèi)的水產(chǎn)生蒸發(fā)，影響測(cè)量精度，量水筒2上開(kāi)口與承雨口1的導(dǎo)管連接,其它位置密閉。

所述第一傳感器4和第二傳感器6為相同型號(hào)的磁致伸縮傳感器，第一傳感器4和第二傳感器信號(hào)6處理單元設(shè)置在量水筒2和蒸發(fā)測(cè)量筒5外部，感應(yīng)部件設(shè)置在量水筒2和蒸發(fā)測(cè)量筒5內(nèi)部。

第一傳感器4和第二傳感器6感應(yīng)部件的感應(yīng)浮球13的吃水線處于球體的正中部。

蒸發(fā)器7上端開(kāi)口，與補(bǔ)水泵9連通的一側(cè)在側(cè)壁上端開(kāi)設(shè)有方便管道連接的補(bǔ)水口。

蒸發(fā)器7和蒸發(fā)測(cè)量筒5相對(duì)的側(cè)壁的下端相同高度處開(kāi)設(shè)有方便連通管12連接的連通口，所述連通管12為水平設(shè)置的直管，長(zhǎng)度為3-5米，內(nèi)徑為12-16毫米。

承雨口用于收集降雨，雨水通過(guò)承雨口下方的導(dǎo)管匯集到量水筒內(nèi)，量水筒底部有第一電動(dòng)排水閥。系統(tǒng)啟動(dòng)工作時(shí)第一電動(dòng)排水閥是關(guān)閉的，采集控制器先測(cè)量量水筒內(nèi)的起始水面高度p1，一段時(shí)間后，隨著降雨的持續(xù)水面高度上升到p2，那么該時(shí)段內(nèi)的降雨量用深度表示為

p＝k1(p2-p1)……………………………………………………式(2)

由于承雨口的橫截面通常和量水筒的橫截面不一樣，需要換算，k1是量水筒橫截面積與承雨口截面換算系數(shù)，k1＝w1/w2，其中w1是量水筒橫截面積，w2是承雨口橫截面積。

蒸發(fā)器水面高度測(cè)量原理和降雨量測(cè)量原理類(lèi)似。蒸發(fā)測(cè)量筒置于儀器柜內(nèi),從蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)蒸發(fā)的水量也很小。蒸發(fā)測(cè)量筒內(nèi)盛裝的水不能忽略不計(jì),因此需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行換算，得出蒸發(fā)連通器的實(shí)際水量變化量(用水面高度表示)。

h＝k2(h2-h1)………·………………………………………·……………·式(3)

h1是觀測(cè)起始時(shí)刻蒸發(fā)器的水面高度，

h2是觀測(cè)結(jié)束時(shí)刻蒸發(fā)器的水面高度，

k2是水面高度換算系數(shù)，k2＝(s1+s2)/s1，其中s1是蒸發(fā)器的橫截面積，s2是蒸發(fā)測(cè)量筒的橫截面積。

蒸發(fā)量為

e＝p-h＝k1(p2-p1)-k2(h2-h1)………………………………………式(4)

量水筒收集的雨量達(dá)到一定量時(shí)就會(huì)裝滿量水筒，需要排出量水筒內(nèi)的水才能計(jì)量新的降水量。正常工作時(shí)采集控制器周期巡查量水筒的液面高度，發(fā)現(xiàn)水位超高就會(huì)打開(kāi)電動(dòng)排水閥門(mén)。通常排水和降水是同時(shí)發(fā)生的，強(qiáng)降雨時(shí)排水次數(shù)多，累計(jì)排水時(shí)間長(zhǎng)排水期間的降雨量不可忽略，必須將排水期間的降水量計(jì)量在內(nèi)。本系統(tǒng)采用了如下采集計(jì)量辦法。

排水啟動(dòng)前記錄量水筒和蒸發(fā)器的水面高度p3、h4,排水，排水結(jié)束關(guān)閉第一電動(dòng)排水閥后，記錄量水筒和蒸發(fā)器的水面高度p4、h5(備注：第一電動(dòng)排水閥處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，第二電動(dòng)排水閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài))，那么排水期間的降水量為k2(h5-h4)，從排水結(jié)束時(shí)刻到觀測(cè)結(jié)束時(shí)刻的時(shí)段降水量為k1(p2-p4)(式中p2表示觀測(cè)時(shí)段結(jié)束時(shí)刻量水筒內(nèi)的水面高度)。

所以觀測(cè)期間量水筒有排水事件發(fā)生時(shí)觀測(cè)時(shí)段的累計(jì)降水量

p＝k1(p3-p1)+k1(p2-p4)+k2(h5-h4)………………………式(5)

觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝p-h＝k1(p3-p1)+k1(p2-p4)+k2(h5-h4)-k2(h2-h1)………………式(6)

當(dāng)?shù)诙鞲衅鞑杉秸舭l(fā)測(cè)量筒內(nèi)的水位超高，采集控制器控制第二電動(dòng)排水閥打開(kāi)，設(shè)第二電動(dòng)排水閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻蒸發(fā)器的水面高度分別為h6、h7,觀測(cè)時(shí)段的蒸發(fā)器液位累計(jì)變化量

h＝k2(h6-h1)+k2(h2-h7)………………………………·式(7)

觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝p-h＝k1(p2-p1)+k1(p2-p4)+k2(h5-h4)-k2(h6-h1)-k2(h2-h7)式(8)

排水期間的蒸發(fā)量忽略不計(jì)；(8)式是觀測(cè)時(shí)段量水筒和蒸發(fā)器都有排水情況的計(jì)算公式，量水筒和蒸發(fā)器同時(shí)需要排水時(shí)則分時(shí)執(zhí)行排水操作確保計(jì)量準(zhǔn)確；如果只有蒸發(fā)器排水則觀測(cè)時(shí)段雨量用(2)式，觀測(cè)時(shí)段的蒸發(fā)器液位累計(jì)變化量用(7)式，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝k1(p2-p1)-k2(h6-h1)-k2(h2-h7)…………………………··式(9)

當(dāng)天晴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)蒸發(fā)器液位過(guò)低補(bǔ)水泵自動(dòng)給蒸發(fā)器補(bǔ)水，觀測(cè)時(shí)段的蒸發(fā)器液位累計(jì)變化量計(jì)算方法與(7)相同，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量

e＝p-h＝-k2(h6-h1)-k2(h2-h7)…………………………··式(10)。

隨著降水和蒸發(fā)事件的發(fā)生蒸發(fā)器內(nèi)的水面高度會(huì)出現(xiàn)過(guò)高或者過(guò)低的情況，采集控制器可以根據(jù)每次巡查的水面高度測(cè)量結(jié)果發(fā)出給排水指令，啟動(dòng)第一、第二電動(dòng)排水閥和補(bǔ)水泵給系統(tǒng)給排水，確保系統(tǒng)能正常工作。執(zhí)行給排水時(shí)采集器只要記錄了蒸發(fā)器排水前后的水面高度就能方便的計(jì)算出觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的蒸發(fā)量。