[科普中国]-蒸发计

简介

蒸发计是用超声脉冲法设计的一种电子袖珍仪器，用于蒸发和水位观测的数字显示。2

电子蒸发计的本机配用原器口面积为3000cm2的蒸发水桶进行水面蒸发观测是可行的。本机用超声波脉冲法，实现测量水面相对高度值的数字显示。整机电路，绝大部分使用CMOS集成电路设计，具有低功耗(用9V电池组合电源，按日蒸发量观测，可用一年)、体积小(40 } 86 x 177mm)携带方便等特点。电路内具有BCD码输出，可供打印和记录。本机还可配在其它有关的系统上供自动测量水位使用。2

背景介绍蒸发是水文、气象学的观测要素之一。目前直接测旦蒸发的仪器有多种，由于蒸发受多方面因素的影响，各种仪器的观测结果均有差异。我国的水面蒸发观测，通常是以标尺、测针、专用量杯或称重等方法，测量一定容器内水面高度及间隔一定时间的变化，用以表示该时间内的蒸发量。这种观测方式，因手工操作，不便于测量，且人为误差较大。E601型蒸发器，使用测针观测，由于近地面作业，操作不便，虽有《观测规范》的约束，但在操作方法上，却因人而异，造成更大的误差。尤其是遇上风雨天，因水面波动，测针尖接触水面时断时续，以至使测读发生困难。2

近年来，在气象业务现代化迅速发展的形势下，观测人员普遍呼吁观测自动化，曾多次反映要求改善现有水面蒸发观测状况。为了改善蒸发的观测现状，研究者研制了袖珍式电子蒸发计。

工作原理将水面传感器设置在蒸发桶壁的内侧或外侧，用连通管把蒸发桶和水面传感器沟通。在水面传感器的底部安装超声波压电陶瓷换能器，即探头。用电缆把探头同计测电路连接起来。由计测电路产生电脉冲，并加到超声波换能器上;换能器把电脉冲变换为超声脉冲，向水中发射，并往水面方向传播，传至水面时发生反射，返回的超声脉冲又被换能器接收，转变为电脉冲，送到计测电路。

以上是运用时间放大措施，降低电路的工作速度和进行温度补偿的原理。而实际上的观测操作却是相当简便的，只需调整读数显示为校正值，随后按动按钮，便可显示出欲测的水面高度值。2

计测框图由主振产生的方波来决定测量的周期。每次测量时，首先由主控器输出的方波将时间方波发生器复原，并由发射电路产生发射脉冲，加到超声波换能器上。换能器一方面将电脉冲变换为超声脉冲波，另一方面又将反射的超声脉冲波变换为电脉冲，并加到接收放大器上。被放大后的电脉冲作用于时间方波发生器，从而产生脉冲宽度为t的时间方波。时间七便相当于超声脉冲波往返于水面高度h的时间。由时间放大器将时间t放大K倍，然后去控制时标发生器，使它在时间Kt内，产、生时标t随后再将时标脉冲送到计数器，最后由显示器显示出被测水面的高度值m来。

时间方波发生器在主控器的作用下，复原为低电平。

主控器的设计，保证了在主控脉冲作用时间内，不允许时间方波发生器翻转为高电平，这就保证了只能是第一个接收脉冲的前沿起作用，从而使时间测量不受其它脉冲或杂波的干扰。因此做到了测时的可靠性。此外，在调试过程中，利用主控器可进行起点调节，以便调定校正读数。

为了在观测时稳定读数，专门设计了取样显示分频器。为了减少能耗，设计了消隐电路，在取样显示的时间内，有一半的时间是使数码管处于消隐的状态。实验证明，消隐后，亮度稳定，不影响测读。2

误差分析对比试验(1)两台电子蒸发计分别为861号机和862号机;原E601型蒸发器测针和本机的水面传感器，均置于器口面积为3000cmE的蒸发桶之外;减水时间间隔为2分钟以上，均取模拟蒸发量。

试验方式分为两种。其一是有5级模拟吹风水面波动情况下的观测;其二是无风水面平静情况下的观测。

(2)观测结果对比分析

①在有风吹水面情况下，两台电子蒸发计的观测数据，每次误差保持在±0.1mm之内，说明两机的计测精度相同。它们同测针的观测数据相差很大，最大已超出1mm水面高度。

②水面波动较大时，测针尖接触水面时断时续，只能在断续的平均状态下测读，因此测读误差较大。而在这种情况下，两台电子蒸发计的显示数却相当稳定。

③在水面静止的情况下观测，两台电子蒸发计的观测数据基本相同(具有±0.1mm误差)。而此时测针的观测数据的误差却较大，多次出现观测值为0的情况，即模拟蒸发量较小时，用测针观测不出数据来。说明测针的观测误差较大(误差大于0. 5mm水高)。

误差(1)每次加水由于天平感量误差带来的高度计算误差为：△h=0. 2 (mm水高)。

(2)每次加水损失和水面传感器内径的加工误差两者共估计为0.2mm(水高)，方和根误差为0. 32mm(水高)。

(3)电子蒸发计每次测量误差估计为0.1mm(水高)。总的测量误差方和根误差为0. 32mm(水高)。

总之，根据以上误差分析看出，两实测数据，符合方和根误差合成的计算结果。

FFZ-01型数字水面蒸发计FFZ-01型数字水面蒸发计由蒸发桶（池）和数字式水面蒸发传感器为蒸发量观测器具，以专用采集控制器采集处理蒸发数据并完成蒸发器自动补排水控制，实现水面蒸发过程的高精度实时在线测量。3

本仪器的蒸发传感器采用分辨力为0.1mm的信源数字编码型传感器，在高温、高湿、风浪、沙尘环境下能稳定、可靠地工作。

结构、工作原理FFZ-01型数字水面蒸发计由蒸发桶、水圈、连通管、水位编码器、浮子、测缆、平衡锤、静水桶、圆形支板、调水平装置、自动补排水装置、采集控制器（以下简称采集器）等组成。安装时将蒸发桶、连通管、静水桶组成连通器；水位编码器、采集器、调平衡装置水平安装在静水筒的圆形支板上；浮子、测缆、平衡锤缆分别悬挂在水位编码器的测轮圆周的两个凹槽内，浮子安装在静水桶内。当蒸发桶中的水面蒸发引起水位下降时，静水桶中的水面同步下降，浮子即拉动测缆带动测轮和编码器旋转，编码器即可输出与水面下降量相对应的编码数据。采集器通过采集对应时段范围内的水位变化量，计算出时段水面蒸发量。

本仪器装有不锈钢防风、防尘外罩，静水桶采用了和蒸发桶同样的半埋式结构，以尽量保证了静水桶和蒸发桶中的水温一致，使传感器能在恶劣的室外环境下可靠地工作。

对于FFZ-01型数字水面蒸发计而言，蒸发桶的直径为Φ612mm，其面积为3000cm2，静水桶工作区段直径为Φ240mm，面积为453.27cm2，当蒸发桶中的蒸发量为0.1mm时（即相当于从蒸发桶中取出30ml水时）浮子感测到的水位变化量△h只有0.086896㎜。其中，△h= S1/（S0 + S1） =457.27/（3000+453.27） =0.086896(mm)。式中：S0=3000cm2S1=πr2 =3.1416×(12cm)2 =453.27cm2。

因此，用螺旋测针在本蒸发桶中人工测量的数据与本数字蒸发计测量到的数据相对比时，应将人工测针测量数值除以0.086896才是实际蒸发量。

使用方法FFZ-01型数字水面蒸发计与20平方米蒸发池配套使用时，因为传感器静水桶的面积只有蒸发池面积2.4‰，可以基本上不考虑静水桶与蒸发池之间水体的交换的影响。可以用连通管直接与蒸发池相连接，或者将蒸发传感器的静水桶安装在20平方米的蒸发池中使用（与20m2蒸发池配套使用时，应配套相应直径的测轮，在订货时应加以补充说明）。

FFZ-01型数字水面蒸发计工作时，当蒸发桶（池）中的水位低到某一预定值时，采集控制器启动补水装置予以补水。当有降雨时，当蒸发桶（池）中的水位上升到某一预定高度时，通过采集控制器可以启动排水装置予以排水。静水桶中的水位数值始终可以受到监控。

注意事项使用本蒸发计，只能准确测量非降水时段的水面蒸发量。如欲测量包括降雨期内的日蒸发量，依照国家水文局和国家气象局的要求，还必须配置分辨力为0.1mm的高精度雨量计〔其测量误差≤(1～2)%〕等相关装置才能实现。

技术参数1蒸发量量测分辨力：0.1mm；

2蒸发量量测精度：蒸发量≤10mm，测量误差：≤±0.3mm；

蒸发量>10mm，测量误差：≤±(0.3mm+1%F.S))；

3蒸发量量测范围：不小于20mm；

4输出接口：RS-485；

5电源电压：12V/DC（-5%~+25%）；

6环境温度：0℃~+55℃；

7储存温度：-10℃~+60℃。

延伸内容在植物生态学中所使用的蒸发计比气象学上所使用的装置小，便于移动和安装。例如Dietrich蒸发计是直径13厘米、高4厘米的水盘形，是里面镀锡的铜制品。根据1厘米水深重量的减少来求算蒸发量。最近经常使用的piche蒸发计，是把装满水的试管状的玻璃管，倒置于圆形滤纸的中央，根据管内水位的降低，就可以求出蒸发量。