CN104634691A - 一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，主要包括蒸发测量系统、辐射测量系统、空气参数测量系统和温度测量系统四个部分，在使用该实验装置进行测量时，先将连接好的四个测量系统放置在室外平整的地面上，保证周围100m内没有较高、较大的建筑物，将蒸发测量系统内注入足够的水，各系统连接完成后进行实验，该装置克服了水面蒸发过程中，由虹吸管内积液所导致的测量不准确的不足，基本排除了水体与太阳、空气以及四周环境之间的热量损失，实现了水体在蒸发过程中，热量仅延水池轴向传递，达到了根据不同风速调节遮阳板高度以达到不破坏边界层的目的，同时采用连通器测重法和液位差法测量水面蒸发量，测量准确和可靠。
Description
技术领域：
本发明属于环境工程测量技术领域,具体涉及一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置。
背景技术：
水面蒸发现象广泛存在于自然界、工农业生产以及日常生活中。空气中的水蒸气来自于江、河、湖、海等各种水体的蒸发，而自然水体表面的热损失50%以上是由蒸发引起的。了解水面蒸发特性及影响因素，对认识地球大气环境中水汽平衡、湖泊能量和水量变化，预测气候变化等研究有重要意义。在自然环境中，水体受到太阳辐照作用并吸收太阳光谱能量，对水面蒸发过程产生影响，现阶段水面蒸发实验考虑的影响因素为空气流速、湿度、温度，蒸汽压力，水流的情况，水的温度，水的盐度等。在文献A Jodat, M Moghiman, M Anbarsooz. Experimental comparison of the ability of Dalton based and similarity theory correlations to predict water evaporation rate in different convection regimes. Heat Mass Transfer, 2012, 1397-1406（阿敏·焦得特，穆罕穆德·马希曼，马特兹·安拨索兹.不同对流区内基于道尔顿、相似原理预测水面蒸发的两类实验关联式比较.热质传递杂志，2012，P1397-1406）中，作者在实验中根据气流速度、水体温度控制实验条件，以形成自然对流，混合对流，强制对流三种情况，分析空气流速、温度、水面温度以及水蒸汽分压力对于蒸发量的影响，很少有学者利用实验方法测量太阳辐照下水面的蒸发量。
而对于测量蒸发量的方法，主要分为三种：1、利用虹吸管通过测量小容器的质量来计算大容器的蒸发量；2、在空气对流情况下，测量空气掠过水面后的湿度变化，然后通过上面提到的道尔顿法来计算蒸发量；3、通过液面的液位差来计算蒸发量。其中，较为常用的是方法1，A Jodat, M Moghiman, M Anbarsooz. Experimental comparison of the ability of Dalton based and similarity theory correlations to predict water evaporation rate in different convection regimes. Heat Mass Transfer, 2012, 1397-1406（阿敏·焦得特，穆罕穆德·马希曼，马特兹·安拨索兹.不同对流区内基于道尔顿、相似原理预测水面蒸发的两类实验关联式比较.热质传递杂志，2012，P1397-1406）与SM Bower, JR Saylor. A study of the Sherwood-Rayleigh relation for water undergoing natural convection-driven evaporation. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 3055-3063（波尔、塞勒.自然对流驱动的水面蒸发过程中舍伍德数与瑞利数之间的关系研究.国际传热传质杂志，2009，P3055-3063）两文献中都采用了此测量方法。但在液体虹吸作用进行的末端，管内残留的液体会对测量结果造成影响。
发明内容：
本发明的目的是解决现阶段缺乏精确测量自然环境下较大水面蒸发量方法以及实验数据，进而提出一种用于太阳辐照等环境因素与水蒸发量关系测试用的实验装置。
本发明采用的技术方案为：一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，该实验装置主要包括蒸发测量系统、辐射测量系统、空气参数测量系统及温度测量系统；蒸发测量系统包括水池、保温层、连接管、测重容器、电子称、水位计、加水管、吸湿层及遮阳盖，测重容器通过连接管与水池连接，连接管的两端设有可方便拆卸的密封连接头，密封连接头内设有加厚密封圈，测重容器位于电子称的上面，电子称位于支撑架的上面，水位计通过弯头及密封连接头与水池连接，加水管通过密封连接头与水池的底部连接，加水管的顶部设有加水漏斗，水池的上方设有遮阳盖，遮阳盖的上表面涂有银色涂料，遮阳盖的下表面设有2个吸湿层，吸湿层通过乳胶与遮阳盖粘合，遮阳盖通过4根带有螺纹的钢筋柱与水池的外围连接，通过调节钢筋柱上的连接螺母可使遮阳盖垂直升降，所述的水池的外部设有保温层；辐射测量系统包括直辐射表及总辐射表，直辐射表及总辐射表通过螺栓固定于骨架上；空气参数测量系统包括空气湿度探头、空气温度探头及风速仪，空气湿度探头及空气温度探头通过螺栓固定于骨架上，骨架的顶部设有仪器槽，仪器槽通过螺栓与骨架连接，仪器槽内设有风速仪；温度测量系统包括热电偶、数据采集器及计算机，热电偶位于水池的内部，热电偶通过导线与数据采集器连接，数据采集器通过导线与计算机连接；所述的风速仪、空气湿度探头、空气温度探头、热电偶、直辐射表及总辐射表分别通过导线与计算机连接。
所述的热电偶的型号为T型，由φ4mm的塑料软管和φ0.5mm的铜-康铜偶丝组成，测量精度为1℃，塑料软管通过胶合剂与偶丝粘连，粘连后露出1mm的测量点。
所述的水位计通过硬塑料管与带有刻度的玻璃管胶合而成，所用的胶合剂具有防水性。
所述的连接管由超软、透明、隔热、化学性能稳定的塑料材质制成。
所述的吸湿层的材料为棉质材料，棉质材料包含80%的吸水棉和20%的涤纶。
所述的保温层由2层材料胶合而成，内层为石棉材料，外层为银色锡纸。
所述的钢筋柱的直径为φ8mm。
所述的测重容器为半封闭容器，容器盖上设有小孔。
所述的水池的材料为塑料材质。
所述的遮阳盖的材料为高密度、隔热、化学性质稳定的木质胶合板。
本发明的有益效果：通过所述的蒸发测量系统、辐射测量系统、空气参数测量系统以及温度测量系统，克服了研究水面蒸发过程中，由虹吸管内积液所导致的测量不准确的不足，基本排除了水体与太阳、空气以及四周环境之间的热量损失，实现了水体在蒸发过程中，热量仅延水池轴向传递，达到了根据不同风速调节遮阳板高度以达到不破坏边界层的目的，同时采用连通器测重法和液位差法测量水面蒸发量，使得测量数据更加准确和可靠。所述的带螺纹的四根钢筋柱可以调节遮阳盖距离水面的距离；所述的水位计通过硬塑料管与带有刻度的玻璃管胶合而成，当室外风较大时，测重容器晃动较明显，无法准确计算蒸发量，此时可以通过两个测量结果取均值的方式，提高测量的准确度；所述的钢筋柱的直径为φ8mm，既能保证遮阳板不被风刮倒，还能尽量减小四根钢柱不干扰吹过来的空气流；所述的测重容器为半封闭容器，容器盖上设有小孔，既保证与大气联通，也防止水量蒸发过多所引起的测量误差；所述的加水漏斗避免了加水时漏到外面，引起测量误差；所述的加水管与水池的底部连接，避免破坏水体内部的温度场分布。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式：
参照图1，一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的实验装置主要包括蒸发测量系统、辐射测量系统、空气参数测量系统及温度测量系统；蒸发测量系统包括水池,15、保温层14、连接管13、测重容器10、电子称11、水位计16、加水管17、吸湿层8及遮阳盖7，测重容器10通过连接管13与水池15连接，连接管13的两端设有可方便拆卸的密封连接头，密封连接头内设有加厚密封圈，测重容器10位于电子称11的上面，电子称11位于支撑架12的上面，水位计16通过弯头及密封连接头与水池15连接，加水管17通过密封连接头与水池15的底部连接，加水管17的顶部设有加水漏斗6，水池15的上方设有遮阳盖7，遮阳盖7的上表面涂有银色涂料，遮阳盖7的下表面设有2个吸湿层8，吸湿层8通过乳胶与遮阳盖7粘合，遮阳盖7通过4根带有螺纹的钢筋柱9与水池15的外围连接，通过调节钢筋柱9上的连接螺母可使遮阳盖7垂直升降，所述的水池15的外部设有保温层14；辐射测量系统包括直辐射表21及总辐射表22，直辐射表21及总辐射表22通过螺栓固定于骨架23上；空气参数测量系统包括空气湿度探头4、空气温度探头5及风速仪1，空气湿度探头4及空气温度探头5通过螺栓固定于骨架3上，骨架3的顶部设有仪器槽2，仪器槽2通过螺栓与骨架3连接，仪器槽2内设有风速仪1；温度测量系统包括热电偶20、数据采集器19及计算机18，热电偶20位于水池15的内部，热电偶20通过导线与数据采集器19连接，数据采集器19通过导线与计算机18连接；所述的风速仪1、空气湿度探头4、空气温度探头5、热电偶20、直辐射表21及总辐射表22分别通过导线与计算机18连接；所述的热电偶20的型号为T型，由φ4mm的塑料软管和φ0.5mm的铜-康铜偶丝组成，测量精度为1℃，塑料软管通过胶合剂与偶丝粘连，粘连后露出1mm的测量点；所述的水位计16通过硬塑料管与带有刻度的玻璃管胶合而成，所用的胶合剂具有防水性；所述的连接管13由超软、透明、隔热、化学性能稳定的塑料材质制成；所述的吸湿层8的材料为棉质材料，棉质材料包含80%的吸水棉和20%的涤纶；所述的保温层14由2层材料胶合而成，内层为石棉材料，外层为银色锡纸；所述的钢筋柱9的直径为φ8mm；所述的测重容器10为半封闭容器，容器盖上设有小孔；所述的水池15的材料为塑料材质；所述的遮阳盖7的材料为高密度、隔热、化学性质稳定的木质胶合板。
本发明是一个测量室外环境中水面蒸发量与包括太阳辐照在内的各环境因素情况的实验装置，采用连通器测重法和液位差法相结合的方法测量室外环境中水面的蒸发量；在使用该实验装置进行测量时，先将连接好的四个测量系统放置在室外平整的地面上，保证周围100m内没有较高、较大的建筑物，将蒸发测量系统内注入足够的水，此时保证水面距离水池上方1cm处，将空气参数测量体统中的风速仪1调到离地面2.5m-3m处，根据当地的实际情况，调整辐射测量系统中的直辐射表21，使其自动跟踪太阳，实验开始时为保证蒸发测量值的准确性，要根据当地情况对测重容器10进行标定，最后开启数据收集系统进行实验。
所述的遮阳盖7，仅在研究太阳辐照、水面对天空的红外辐射对水面蒸发影响的对比试验中使用，如要进行太阳辐照与水面蒸发量关系的对比实验，还要根据风速调整遮阳盖7与水面之间的距离。
所述的电子称（11）的误差为±1g，且具有长时间待机功能，避免长时间实验中开机测量测重容器10时所导致的测量误差。
所述的直辐射表21及总辐射表22的测量误差为5%，空气湿度探头4的测量误差为1%，空气温度探头5的测量误差为±0.2℃、风速仪1的测量误差为±(0.3+3%读数)，上述各元件具有电子储存功能，通过数据线与计算机18连接，可导出测量数据。
本发明通过所述的蒸发测量系统、辐射测量系统、空气参数测量系统以及温度测量系统，克服了研究水面蒸发过程中，由虹吸管内积液所导致的测量不准确的不足，基本排除了水体与太阳、空气以及四周环境之间的热量损失，实现了水体在蒸发过程中，热量仅延水池轴向传递，达到了根据不同风速调节遮阳板高度以达到不破坏边界层的目的，同时采用连通器测重法和液位差法测量水面蒸发量，使得测量数据更加准确和可靠。
Claims (10)
1.一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的实验装置主要包括蒸发测量系统、辐射测量系统、空气参数测量系统及温度测量系统；蒸发测量系统包括水池（15）、保温层（14）、连接管（13）、测重容器（10）、电子称（11）、水位计（16）、加水管（17）、吸湿层（8）及遮阳盖（7），测重容器（10）通过连接管（13）与水池（15）连接，连接管（13）的两端设有可方便拆卸的密封连接头，密封连接头内设有加厚密封圈，测重容器（10）位于电子称（11）的上面，电子称（11）位于支撑架（12）的上面，水位计（16）通过弯头及密封连接头与水池（15）连接，加水管（17）通过密封连接头与水池（15）的底部连接，加水管（17）的顶部设有加水漏斗（6），水池（15）的上方设有遮阳盖（7），遮阳盖（7）的上表面涂有银色涂料，遮阳盖（7）的下表面设有2个吸湿层（8），吸湿层（8）通过乳胶与遮阳盖（7）粘合，遮阳盖（7）通过4根带有螺纹的钢筋柱（9）与水池（15）的外围连接，通过调节钢筋柱（9）上的连接螺母可使遮阳盖（7）垂直升降，所述的水池（15）的外部设有保温层（14）；辐射测量系统包括直辐射表（21）及总辐射表（22），直辐射表（21）及总辐射表（22）通过螺栓固定于骨架（23）上；空气参数测量系统包括空气湿度探头（4）、空气温度探头（5）及风速仪（1），空气湿度探头（4）及空气温度探头（5）通过螺栓固定于骨架（3）上，骨架（3）的顶部设有仪器槽（2），仪器槽（2）通过螺栓与骨架（3）连接，仪器槽（2）内设有风速仪（1）；温度测量系统包括热电偶（20）、数据采集器（19）及计算机（18），热电偶（20）位于水池（15）的内部，热电偶（20）通过导线与数据采集器（19）连接，数据采集器（19）通过导线与计算机（18）连接；所述的风速仪（1）、空气湿度探头（4）、空气温度探头（5）、热电偶（20）、直辐射表（21）及总辐射表（22）分别通过导线与计算机（18）连接。
2.根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的热电偶（20）的型号为T型，由φ4mm的塑料软管和φ0.5mm的铜-康铜偶丝组成，测量精度为1℃，塑料软管通过胶合剂与偶丝粘连，粘连后露出1mm的测量点。
3. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的水位计（16）通过硬塑料管与带有刻度的玻璃管胶合而成，所用的胶合剂具有防水性。
4. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的连接管（13）由超软、透明、隔热、化学性能稳定的塑料材质制成。
5. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的吸湿层（8）的材料为棉质材料，棉质材料包含80%的吸水棉和20%的涤纶。
6. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的保温层（14）由2层材料胶合而成，内层为石棉材料，外层为银色锡纸。
7. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的钢筋柱（9）的直径为φ8mm。
8. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的测重容器（10）为半封闭容器，容器盖上设有小孔。
9. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的水池（15）的材料为塑料材质。
10. 根据权利要求1所述的一种精确测量太阳辐照下较大水面蒸发量的实验装置，其特征在于：所述的遮阳盖（7）的材料为高密度、隔热、化学性质稳定的木质胶合板。
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