一种高精度自记式水面蒸发量测量装置

摘要

本发明涉及一种高精度自记式水面蒸发量测量装置。该装置主要由半径和高度均不相同的两个圆柱器皿通过电磁阀和水泵上的水管连接组成。圆柱器皿、太阳能板分布固定于圆形盆状载体内。防水密封箱通过支架和带密封垫的螺丝固定在载体底部，内部包含两个微型水泵、太阳能板充电控制器、控制采集系统、以及12V蓄电池等装置。口径较小的圆柱体器皿上方安装有超声波测距传感器，器皿内部放置辅助测量泡沫薄板。本装置应用等体积水在不同半径圆柱体内所呈现的高度不同来“放大”微小蒸发量，从而提高测量精度。本发明成本较低，运行稳定可靠，结构原理简单，且安装方便，适合野外湖面或水面蒸发量的长时间自动观测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自记式水面蒸发量测量装置，该装置能够实现高精度测量并记录水面在固定时间间隔内的蒸发量，通过自动补水、充电、测量和记录完成长期的野外观测试验。

背景技术

蒸发是地表热量平衡和水量平衡的组成部分，也是水循环中最直接受土地利用和气候变化影响的一项，同时，蒸发也是热能交换的重要因子。所以，蒸发量在估算陆地蒸发、作物需水和作物水分平衡等方面具有重要的应用价值。进行蒸发量变化的研究，对深入了解气候变化、探讨水分循环变化规律具有十分重要的意义。由于蒸发量是一个微小量，对观测仪器的精度要求非常高，而目前已使用的蒸发仪器都是直接测量蒸发量，且需要雨量计、溢流桶等设备的配合，所需成本非常高，所以“放大器式”高精度蒸发量测量装置具有很高的实用价值。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种高精度自记式水面蒸发量测量装置，该装置利用放大原理简化测量传感器，降低研制成本，有效提高了观测数据精度并且能够适应野外复杂的自然环境条件，实现全自动观测。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种高精度自记式水面蒸发量测量装置，包括：超声波测距传感器、传感器支架、小口径圆柱体容器、辅助测量泡沫板、盆状载体、防雨罩支架、透明有机玻璃防雨罩、大口径圆柱体容器、太阳能板、太阳能充电控制器、MCU控制采集系统、常闭电磁阀、测量水泵、补水水泵、过滤器、蓄电池、1＃塑料水管、2＃塑料水管、3＃塑料水管、密封箱支架和密封箱。小口径圆柱体容器上方装有传感器支架固定的超声波测距传感器，容器内放有辅助测量泡沫板；大口径圆柱体容器、太阳能板分布固定于圆形盆状载体内，盆状载体上方置有防雨罩支架支撑的透明有机玻璃防雨罩，测量水泵和常闭电磁阀分别通过2＃塑料水管和3＃塑料水管将大口径圆柱体容器和小口径圆柱体容器连接组成放大测量系统；太阳能充电控制器通过导线分别与太阳能板和蓄电池连接；MCU控制采集系统分别与超声波测距传感器、常闭电磁阀、测量水泵、补水水泵和蓄电池连接，1＃塑料管道将补水泵、大口径圆柱体容器和过滤器串联为补水系统；常闭电磁阀、测量水泵、补水泵、控制采集系统全部装入由密封箱支架支撑的密封箱固定在盆状载体的底部。

本发明的优点：

1、本发明应用等体积水在不同半径圆柱体内所呈现的高度不同来“放大”微小蒸发量，可以实现高精度测量固定时间间隔内的蒸发量，装置测量精度：0.02mm；装置最大量程1000mm。

2、本发明采用太阳能电池板给蓄电池充电，装置带有过流过压保护电路，具备一定的自我保护能力，保证了系统工作的可持续性，可满足长期的野外自动观测需求。

3、本发明采用的MCU控制采集系统能够比较精确的测量并且存储数据，只需要工作人员定期采集数据并维护即可，数据通过上位机软件下载到电脑。

4、本发明所需成本低，性能稳定，易于维护，且数据下载和分析方便，也适合于湖面蒸发量的测量。

5、本发明为测量水面蒸发量提供了技术支撑，简化测量设备，可推广应用于气候、水文或生态等研究领域。

附图说明

图1 为本发明整体结构简图。

图2为游标卡尺和本发明在模拟蒸发实验中所得数据对照表。

具体实施方式

本发明采用的不同口径的圆柱体容器包括大口径圆柱体容器8和小口径圆柱体容器3各一个、超声波测距传感器1为超声波测距传感器（US-015）、控制采集系统11为MCU控制采集系统、测量水泵13、补水泵14为溢压回流微型水泵（PLD1201），常闭电磁阀12为电磁阀（2W-15）、蓄电池16为蓄电池(PV100-12)、太阳能板9为太阳能电池板（MG-P50）、太阳能充电控制器10为太阳能充电控制器（MG-KZQ2410）。

下面，结合附图，对本发明的技术方案再做进一步的说明：

如图1所示，一种高精度自记式水面蒸发量测量装置，包括：超声波测距传感器1、支架2、小口径圆柱体容器3、辅助测量泡沫板4、盆状载体5、防雨罩支架6、透明有机玻璃防雨罩7、大口径圆柱体容器8、太阳能板9、太阳能充电控制器10、MCU控制采集系统11、常闭电磁阀12、测量水泵13、补水水泵14、过滤器15、蓄电池16、1＃塑料水管17、2＃塑料水管18、3＃塑料水管19、密封箱支架20、密封箱21。小口径圆柱体容器3上方装有传感器支架2固定的超声波测距传感器1，容器内放有辅助测量泡沫板4，大口径圆柱体容器8、太阳能板9分布固定于圆形盆状载体5内，盆状载体5上方置有防雨罩支架6支撑的透明有机玻璃防雨罩7，测量水泵13和常闭电磁阀12分别通过2＃塑料水管18和3＃塑料水管19将大口径圆柱体容器8和小口径圆柱体容器3连接组成放大测量系统，大口径圆柱体器皿半径：124.5mm; 小口径圆柱体器皿半径：33mm。外来水源经过过滤器15进入补水泵14，通过1＃塑料管道17进入大口径圆柱体容器8，然后，由大口径圆柱体容器8进入小口径圆柱体容器3为补水装系统。半径和高度不同的大口径圆柱体容器8和小口径圆柱体容器3用于间接放大固定时间间隔的蒸发量；超声波测距传感器1用于测量固定时间间隔内的蒸发量，通过半径和高度均不相同的两个圆柱器皿通过常闭电磁阀12和水泵上的水管连接，将微小变量放大，实现高精度测量的目的。太阳能充电控制器10通过导线与太阳能板9和蓄电池16连接；MCU控制采集系统11分别与超声波测距传感器1、常闭电磁阀12、测量水泵13、补水水泵14和蓄电池16连接，太阳能充电控制器10和12V蓄电池16共同组成稳定而持续的供电系统；常闭电磁阀12、测量水泵13、补水泵14、控制采集系统11经过调试之后全部装入由密封箱支架20支撑的密封箱21内形成协调的测量装置，常闭电磁阀12、测量水泵13、补水泵14都是由控制采集系统11通过电子开关协调控制。控制系统通过采集超声波测距传感器1上的数据控制常闭电磁阀12、测量水泵13、补水水泵14以及协调MCU控制采集系统11工作，最终实现蒸发量测量和记录的目的。常闭电磁阀12是一个可控开关，控制大口径圆柱体容器8和小口径圆柱体容器3组成连通器，平时关闭，测量完成后自动打开。在水自身重力作用下，大口径圆柱体容器8和小口径圆柱体容器3两个容器水面高度达到平衡状态，然后恢复常闭状态。

为了高精度自记式水面蒸发量测量装置的放大原理、补水原理以及超声波测距传感器测量固定时间间隔上的蒸发量，其计算步骤如下：

1）大口径圆柱体容器8的半径和初始水位高度分别为R和H；经过一段时间t之后水位高度为H₁，则该时间的蒸发量表现在大口径圆柱体容器中的高度变化为：

△H=H-H₁（1）

2）小口径圆柱体容器3的半径为r，当初始状态下将大口径圆柱体器皿8中的水全部抽入小口径圆柱体器皿3中时水位高度为h₁；经过时间t之后，再次将水全部抽入小口径圆柱体容器3中时水位高度为h₂，则这段时间内的蒸发量表现在小口径圆柱体容器3中的高度变化为：

△h=h₁-h₂（2）

3）半径不同而体积相同，将不同容器中水位的高度变化相联系，△H和△h之间的关系推导如下：

ΠR²△H=Πr²△h（3）

由(3)可以得出：

△H=△h *(^r/_R)²（4）

通过（4）式可知固定时间间隔t内的蒸发量为△H。

4）补水量的计算以及补水泵工作时间的计算，本装置补水量不需要精确控制，只要在合理的范围内都不影响蒸发量测定。将每天开始时刻的水位和每天测量结束时刻的水位作差得到最终补水量△H₂，在预设的时间点补水泵的控制开关闭合，这个时间点可以根据具体的研究环境自行确定，补水量△V可确定为：

△V=ΠR²△H₂（5）

最后是计算补水泵的工作时间t₁，通过测量发现当水泵的位置固定之后单位时间内水的流量也基本固定，通过多次试验测得补水泵中水的流速为v，补水泵水管的半径为r₃，所以补水量△V也可以表示如下：

△V=Πr²vt₁（6）

结合（5）（6）得出补水泵的工作时间t₁：

t₁=(^R/_r)²_* (^△H₂/v)（7）

5）超声波测距传感器测距的计算方法。超声波传播速度v₁为344m/s,其实质是测量一束超声波从发出到返回的时间△t，则每一个时间间隔内的△h为：

△h=v₁△t/2（8）

通过（4）和（8）得出△H的计算方法如下：

△H=*( ^r/_R)²v₁△t（9）

系统安装时，使测量装置充分接触周围真实环境，最大程度接近真实温度、风速、光照等影响蒸发的自然条件，整个装置应该尽可能的固定。安装完成后工作人员应该停留一段时间，待装置各项数据正常且稳定后方可离开。

测量装置只需要测量并记录每次超声波发射到返回的时间t即可，最后下载存储的时间在计算机上进行数据处理得出多个△t，通过公式（9）得出每一个时间间隔内的蒸发量△H。

图2为游标卡尺和本发明在模拟蒸发实验中所得数据对照表。从图2可以看出：本发明在模拟蒸发实验中所得数据与游标卡尺基本一致，说明本装置应用等体积水在不同半径圆柱体内所呈现的高度不同来“放大”微小蒸发量，实现对蒸发量高精度测量的目的。