CN104316981B - 一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正方法及其装置。水位温度校正装置包括温度传感器、转换开关和数据处理电路，温度传感器与数据处理电路连接，数据处理电路连接到蒸发测量系统的蒸发器，数据处理电路通过转换开关连接到蒸发测量系统的采集器。水位温度校正方法是：将温度传感器放置在蒸发桶直径中心，且位于蒸发桶的高度的1/2处，用于监测蒸发桶水温度，并根据公式计算水位补偿量以及校正装置输出相应电压、电流值。采用本发明的水位温度校正方法及装置测量的蒸发桶不同水温下的蒸发量，相比不采用水位温度校正方法及装置测量的蒸发量，将消除水温变化产生的水位误差，从而为气象水文观测蒸发量提供了更可靠的数据。

Description

一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正方法及其装置

技术领域

本发明涉及气象水文用蒸发桶水位温度测量系统，特别涉及一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正方法及其装置。

背景技术

使用蒸发桶测量蒸发量采用人工观测方式时，每天定时测量一次蒸发桶水位，计算出每天蒸发量，一般来讲，相邻两天的同一时间水温变化不会很大，水温的变化对这种观测方式带来的蒸发量附加误差很小。

采用自动观测方式时，每一分钟测一次蒸发桶水位，每一小时报一次蒸发量，这种观测方式由于水温变化产生较大的蒸发量附加误差。例如24小时气温变化10℃时，蒸发桶水位约变化0.8mm，对于24小时3-4mm的蒸发量来说，测量误差比较大，因此不能忽略。

例如，在气温升温时，由于蒸发桶水位在升高，测量的蒸发量数值小于实际蒸发量；当水位升高大于实际蒸发量时将出现负值，蒸发量数值只能按零处理。在气温降温时，测量的蒸发量数值是实际蒸发量和水位下降值之和，蒸发量数值大于实际蒸发量。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中存在测量的蒸发量数值相比实际蒸发量误差大的问题，特别提供一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正方法及其装置。

本发明是通过这样的技术方案实现的：一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正方法及其装置，其特征在于：水位温度校正装置包括温度传感器、转换开关和数据处理电路，温度传感器与数据处理电路连接，数据处理电路连接到蒸发测量系统的蒸发器，数据处理电路通过转换开关连接到蒸发测量系统的采集器。

所述的水位温度校正方法是：将温度传感器放置在蒸发桶直径中心，且位于蒸发桶的高度的1/2处，用于监测蒸发桶水温度，并根据以下公式计算水位补偿量以及校正装置输出相应电压、电流值：

$D=C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)-----------\left(1\right)$

公式(1)中：D为水位补偿量，单位：mm；

ρ₄为4℃水温密度；

ρ_t为相应水温t的密度；

C为水位高度，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为0-10v的电压值计算公式：

$V=\frac{10}{98.1}D----------------\left(2\right)$

$V=0.102C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(2)中：V为水位对应的电压,单位：v；

10为量程，单位：v；

98.1为水位，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为0-5v的电压值计算公式：

$V=\frac{5}{98.1}D-------------------\left(3\right)$

$V=0.051C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(3)中：V为水位对应的电压,单位：v；

5为量程，单位：v；

98.1为水位，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为4-20mA的电流值计算公式：

$A=\frac{10}{98.1}D-----------------\left(4\right)$

$A=0.163C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(4)中：A为水位对应的电流,单位：mA；

16为量程。单位：mA；

98.1为水位，单位：mm；

依据公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)即可计算出蒸发桶不同水温度下所对应的水位补偿量以及校正装置输出相应的电压、电流值。

本发明所产生的有益效果是：采用本发明的水位温度校正方法及装置测量的蒸发桶不同水温下的蒸发量，相比不采用水位温度校正方法及装置测量的蒸发量，将消除水温变化产生的水位误差，举例说明：水温24℃到29℃时的水位补偿量为1.53mm和2.31mm(见表)，其差值是0.78mm，经校正后0.78mm的水位误差将被消除，从而为气象水文观测蒸发量提供了更可靠的数据。

附图说明

图1是本发明的水位温度校正装置的电路连接框图；

图2是本发明的水位温度校正装置的电原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，本发明采用的蒸发桶型号为E-601 B型，先在蒸发桶内直径中心，且位于蒸发桶的高度的1/2处通过支架固定好温度传感器，在蒸发桶溢流孔引出温度传感器引线，通过接插件与蒸发桶外的水位温度校正装置的数据处理电路连接，数据处理电路通过接插件与蒸发测量系统的蒸发器连接，同时通过转换开关与蒸发测量系统的采集器连接。本蒸发测量系统采用的蒸发器及采集器均为业内公知的器件，在此不再赘述。

参照图2，水位温度校正装置中与温度传感器和转换开关相连接的数据处理电路包括集成电流变送器U3、反向运算放大器U1A、加法运算放大器U1B、加法运算放大器U2A、反向运算放大器U2B，接插件J3的1脚接温度传感器R1的一端及电源，接插件J3的2脚接温度传感器R1的另一端及电阻R5的一端、电阻R2的一端及电容C1的一端，电阻R2的另一端及电容C1的另一端均接地，电阻R5的另一端接电阻R6的一端及反向运算放大器U1A的2脚，电阻R6的另一端与反向运算放大器U1A的1脚、电阻R8的一端及电容C2的一端连接，反向运算放大器U1A的3脚、4脚及电容C2的另一端均接地，反向运算放大器U1A的8脚接电源，电阻R8的另一端接加法运算放大器U1B的6脚、电阻R7的一端及电阻R9的一端，电阻R7的另一端接可变电阻R4的可调端，可变电阻R4的一端通过电阻R3接电源，可变电阻R4的另一端接地，电阻R9的另一端与加法运算放大器U1B的7脚、电阻R12的一端及电容C3的一端连接，加法运算放大器U1B的5脚及电容C3的另一端均接地，电阻R12的另一端与加法运算放大器U2A的2脚、电阻R13的一端及电阻R11的一端连接，电阻R13的另一端与加法运算放大器U2A的1脚、电阻R14的一端及电容C4的一端连接，加法运算放大器U2A的3脚、4脚及电容C4的另一端均接地，加法运算放大器U2A的8脚接电源，电阻R14的另一端与反向运算放大器U2B的6脚及电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与反向运算放大器U2B的7脚、可变电阻R16的一端及电容C5的一端连接，运算放大器U2B的5脚及电容C5的另一端均接地，可变电阻R16的另一端与其可调端及电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端连到集成电流变送器U3的2脚及电容C6的一端，电容C6的另一端接地，电阻R11的另一端接电阻R10的一端及转换开关S1的5端，电阻R10的另一端接地，转换开关S1的3端和6端连接，转换开关S1的4端接接插件J2的3脚,转换开关S1的1端接接插件J1的3脚,接插件J2和接插件J1的2脚均接地，接插件J2和接插件J1的1脚均接电源，转换开关S1的2端连到集成电流变送器U3的4脚，集成电流变送器U3的5脚接三极管Q1的发射极，集成电流变送器U3的6脚接三极管Q1的基极，集成电流变送器U3的7脚接三极管Q1的集电极后接电源。

下面以量程4-20mA为例，对水位温度校正装置中的数据处理电路工作原理说明如下：温度传感器R1的电阻值随水温成负相关变化，和电阻R2组成串联电路，电阻R2输出电压信号V1，经增益为1的反向运算放大器U1A输出电压信号-V1，电阻R4输出固定电压信号V2。加法运算放大器U1B一路输入电压信号-V1到电阻R8，一路输入电压信号V2到电阻R7，加法运算放大器U1B输出电压信号V3＝V1-V2。因一路信号是负值，实际是两信号相减。加法运算放大器U2A一路输入电压信号V3到电阻R12，一路输入蒸发器电流信号在电阻R10上转换的电压信号V4到电阻R11，加法运算放大器U2A输出电压信号V5＝-V3-V4＝V2-V1-V4。增益为1的反向运算放大器U2B输出电压信号-V5＝V4+V1-V2，集成电流变送器U3(型号为XTR115)将-V5电压信号转换成4-20mA电流信号送入采集器，此信号是消除水位误差的蒸发量信号。

本发明涉及的水位温度校正装置通过接插件J2可输入蒸发器输出信号，其信号和水位温度校正信号相加，可将蒸发桶水温变化产生的水位误差消除，使测量蒸发量数值是实际蒸发量。

水位温度校正装置可有两种信号输出，经开关切换，一种没有水位温度校正的电压、电流信号，用于定标计量等，一种有水位温度校正的电压、电流信号，用于测量实际蒸发量。温度传感器输出信号与蒸发器输出信号经数据转换电路处理后进行加法运算，其输出形成水位温度校正装置输出信号，此信号是消除水位误差的蒸发量信号，送入采集器通道，采集器通过接插件J1输入数据转换电路输出信号，实现水位温度校正装置和蒸发器共用采集器一个通道。

依据公式(1)、(2)、(3)、(4)所列水温、水位补偿量以及校正装置输出相应电压、电流值见下表。

此表是依据公式(1)、(2)、(3)、(4)得出的具体数据，能直观看到所需数据，是水位温度校正装置电路设计的原始数据。

Claims (3)

1.一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正装置，其特征在于：水位温度校正装置包括温度传感器、转换开关和数据处理电路，温度传感器与数据处理电路连接，数据处理电路连接到蒸发测量系统的蒸发器，数据处理电路通过转换开关连接到蒸发测量系统的采集器；

水位温度校正方法是：将温度传感器放置在蒸发桶直径中心，且位于蒸发桶的高度的1/2处，用于监测蒸发桶水温度，并根据以下公式计算水位补偿量以及校正装置输出相应电压、电流值：

$D=C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)---\left(1\right)$

公式(1)中：D为水位补偿量，单位：mm；

ρ₄为4℃水温时的水密度；

ρ_t为相应水温t时的水密度；

C为水位高度，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为0-10v的电压值计算公式：

$V=0.102C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(2)中：V为水位对应的电压,单位：v；

10为量程，单位：v；

98.1为水位，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为0-5v的电压值计算公式：

$V=0.051C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(3)中：V为水位对应的电压,单位：v；

5为量程，单位：v；

98.1为水位，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为4-20mA的电流值计算公式：

$A=0.163C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(4)中：A为水位对应的电流,单位：mA；

16为量程；单位：mA；

98.1为水位，单位：mm；

依据公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)即可计算出蒸发桶不同水温度下所对应的水位补偿量以及校正装置输出相应的电压、电流值。

2.根据权利要求1所述的一种气象水文蒸发测量系统水位温度校正装置，其特征在于：水位温度校正装置中与温度传感器和转换开关相连接的数据处理电路包括集成电流变送器U3、反向运算放大器U1A、加法运算放大器U1B、加法运算放大器U2A、反向运算放大器U2B，接插件J3的1脚接温度传感器R1的一端及电源，接插件J3的2脚接温度传感器R1的另一端及电阻R5的一端、电阻R2的一端及电容C1的一端，电阻R2的另一端及电容C1的另一端均接地，电阻R5的另一端接电阻R6的一端及反向运算放大器U1A的2脚，电阻R6的另一端与反向运算放大器U1A的1脚、电阻R8的一端及电容C2的一端连接，反向运算放大器U1A的3脚、4脚及电容C2的另一端均接地，反向运算放大器U1A的8脚接电源，电阻R8的另一端接加法运算放大器U1B的6脚、电阻R7的一端及电阻R9的一端，电阻R7的另一端接可变电阻R4的可调端，可变电阻R4的一端通过电阻R3接电源，可变电阻R4的另一端接地，电阻R9的另一端与加法运算放大器U1B的7脚、电阻R12的一端及电容C3的一端连接，加法运算放大器U1B的5脚及电容C3的另一端均接地，电阻R12的另一端与加法运算放大器U2A的2脚、电阻R13的一端及电阻R11的一端连接，电阻R13的另一端与加法运算放大器U2A的1脚、电阻R14的一端及电容C4的一端连接，加法运算放大器U2A的3脚、4脚及电容C4的另一端均接地，加法运算放大器U2A的8脚接电源，电阻R14的另一端与反向运算放大器U2B的6脚及电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与反向运算放大器U2B的7脚、可变电阻R16的一端及电容C5的一端连接，运算放大器U2B的5脚及电容C5的另一端均接地，可变电阻R16的另一端与其可调端及电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端连到集成电流变送器U3的2脚及电容C6的一端，电容C6的另一端接地，电阻R11的另一端接电阻R10的一端及转换开关S1的5端，电阻R10的另一端接地，转换开关S1的3端和6端连接，转换开关S1的4端接接插件J2的3脚,转换开关S1的1端接接插件J1的3脚,接插件J2和接插件J1的2脚均接地，接插件J2和接插件J1的1脚均接电源，转换开关S1的2端连到集成电流变送器U3的4脚，集成电流变送器U3的5脚接三极管Q1的发射极，集成电流变送器U3的6脚接三极管Q1的基极，集成电流变送器U3的7脚接三极管Q1的集电极后接电源。

3.一种利用如权利要求1所述的气象水文蒸发测量系统水位温度校正装置进行水位温度校正的方法，其特征在于：将温度传感器放置在蒸发桶直径中心，且位于蒸发桶的高度的1/2处，用于监测蒸发桶水温度，并根据以下公式计算水位补偿量以及校正装置输出相应电压、电流值：

$D=C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)---\left(1\right)$

公式(1)中：D为水位补偿量，单位：mm；

ρ₄为4℃水温时的水密度；

ρ_t为相应水温t时的水密度；

C为水位高度，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为0-10v的电压值计算公式：

$V=0.102C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(2)中：V为水位对应的电压,单位：v；

10为量程，单位：v；

98.1为水位，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为0-5v的电压值计算公式：

$V=0.051C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(3)中：V为水位对应的电压,单位：v；

5为量程，单位：v；

98.1为水位，单位：mm；

由公式(1)进一步得出以下蒸发器信号量程为4-20mA的电流值计算公式：

$A=0.163C(\frac{{\mathrm{\ρ}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_t}-1)$

公式(4)中：A为水位对应的电流,单位：mA；

16为量程；单位：mA；

98.1为水位，单位：mm；

依据公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)即可计算出蒸发桶不同水温度下所对应的水位补偿量以及校正装置输出相应的电压、电流值。