CN111912735A - 小型气象用非接触式蒸发量测量系统及测量方法 - Google Patents

小型气象用非接触式蒸发量测量系统及测量方法 Download PDF

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涂爱琴
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于帅
黄磊
杨崇静
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Abstract

本发明要解决的问题是提供一种小型气象用非接触式蒸发量测量系统及测量方法，能够实现全天24小时每分钟蒸发量的测量，且测量结果准确。所述小型气象用非接触式蒸发量测量系统包括蒸发皿、称重装置、加水装置和排水装置，所述蒸发皿放置在所述称重装置上；所述蒸发皿的侧壁安装有可拆卸的倒U形虹吸管，所述虹吸管的进管口位于所述蒸发皿底部的上方，所述虹吸管的进管口的位置高于出管口；所述加水装置的加水口位于蒸发皿的皿口上方并不与蒸发皿接触。

Description

小型气象用非接触式蒸发量测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及气象测量技术领域，具体涉及一种气象用非接触式蒸发量测量系统及测量方法。
背景技术
蒸发量既是地表能量平衡的重要组成部分，又是陆地水量平衡的重要组成部分，是决定天气与气候条件的重要因子，在全球水循环和气候演变中具有举足轻重的作用。此外，在水资源评价、干旱评价、水库湖泊的管理运用、工农业用水以及水文预报等诸多方面，也都需要蒸发量资料。
气象站测定的蒸发量是水面蒸发量，是测量固定口径的蒸发器中，在一定时间间隔内因蒸发而散失的水层深度，常用的测量器具有小型蒸发器和大型蒸发器E-601。大型蒸发器由蒸发桶、水圈、溢流桶和测针组成。蒸发桶是一个器口面积为3000cm2，有圆锥底的圆柱形桶。桶底中心装一直管，直管上端装有测针座和根据螺旋测微器原理制成的水面指示针（测针）。桶体埋入地中，桶口略高于地面。每天20时观测，将测针插入测针座，读取水面高度，根据每天水位变化与降水量计算蒸发量。随着技术的发展，测针被高准确度超声波探头取代，基于超声波测距的原理，对蒸发器内水面的高度变化进行连续观测。小型蒸发器是口径为20cm，高约10cm的金属的圆盆，口缘镶有内直外斜的刀刃形铜圈。为防止鸟兽饮水，器口上部套一个向外张成喇叭状的金属丝网圈。蒸发器安装在圆柱形支架上，口缘保持水平，器口离地70cm。每日20时放入定量清水，次日20时用量杯测量剩余水量，所减少的水量即为蒸发量。
我国气象部门现采用超声波液面蒸发传感器，实现了大型蒸发观测的自动化，但是还没有规范成熟的自动化测量装置和测量方法取代小型蒸发的观测。在地面观测自动化改革中，取消了小型蒸发的观测，给业务和科研带来了一定的影响，亟需研究能自动化观测小型蒸发量的测量仪器。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种小型气象用非接触式蒸发量测量系统及测量方法，能够实现全天24小时每分钟蒸发量的测量，且测量结果准确。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种小型气象用非接触式蒸发量测量系统，包括蒸发皿、称重装置、加水装置和排水装置，所述蒸发皿放置在所述称重装置上；
所述蒸发皿的侧壁安装有可拆卸的倒U形虹吸管，所述虹吸管的进管口位于所述蒸发皿底部的上方，所述虹吸管的进管口的位置高于出管口；
所述加水装置的加水口位于蒸发皿的皿口上方并不与蒸发皿接触。
进一步的，所述蒸发皿为圆筒形，其直径为20-25cm，高度为10-15cm。
进一步的，所述蒸发皿的皿口安装有可拆卸的环形防护罩，所述环形防护罩的高度为7-10cm，所述环形防护罩为透明材质制作而成的。
进一步的，所述虹吸管的管径为8-10mm ；所述虹吸管为外管和内管以螺纹连接的方式安装在所述蒸发皿侧壁上。
进一步的，所述称重装置为电子天平或者重力传感器，所述称重装置的测量灵敏度为0.01g，测量时间精度为1秒。
采用本发明所述小型气象用非接触式蒸发量测量系统的测量方法，包括以下步骤：
（1）每秒实时测量蒸发皿的质量，并计算前一秒与该秒蒸发皿的质量差，当质量差的绝对值超过设定的阈值时，判定有无落石、飞鸟等干扰，如有则记录，并在分钟整点对该分钟测量蒸发皿的质量进行修正；
（2）测量每分钟的蒸发量；
通过称重装置每分钟测量蒸发皿的质量，利用国家级自动站降水传感器的降水数据对观测结果进行修正；每分钟蒸发量的计算公式如下：
E i=（Mi-1-Mi）/（S*ρ）+Pi；
其中，Mi和Mi-1分别为i分钟和上一分钟i-1分钟进行了干扰修正后的蒸发皿质量之差，S为蒸发皿的面积，ρ为水的密度，Pi为i分钟的分钟降水量；
（3）计算一天的蒸发量；
小时蒸发量有两种计算方法，一种计算方法的计算公式同分钟蒸发量的计算公式，式中Mi和Mi-1分别为i时次和上一时次i-1时次整点时刻进行了干扰修正后蒸发皿的质量之差，Pi为i时次的小时降水量；一种计算方法是取该时次所有分钟蒸发量之和为该时次的小时蒸发量；
计算24个时次点的小时蒸发量之和为当天的日蒸发量；
（4）每天定时进行判断所述蒸发皿是否进行补水；
预设需要对蒸发皿补水的质量数值为M2。当每天固定时刻称重装置实际测量的蒸发皿质量小于M2时，加水装置自动往蒸发皿内补水，直到称重装置测量的蒸发皿质量为M1时，加水装置停止加水，其中，M1>M2。
进一步的，还包括判断蒸发皿是否发生溢流的步骤，由于溢流一般在下雨过程中发生，且发生溢流蒸发皿质量会突然大量减少，故可预设蒸发皿在1min前后质量变化的异常值为MM；
当称重装置测量Mi-1-Mi＞MM且Pi>0时，则判定，此时次蒸发皿发生溢流，此时此次的每分钟蒸发量的计算公式如下：
E i=（Mi-1-Mi）/（S*ρ）+Pi-h，其中，h为虹吸管的最高点距离进管口的高度。
进一步的，所述h的长度为5-6cm，所述MM为314-1884g。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果如下：
1、本发明所述小型气象用非接触式蒸发量测量系统包括蒸发皿、称重装置和加水装置，通过本发明所述的测量方法，每分钟测量蒸发皿的质量，通过每分钟前后的质量差值来换算每分钟蒸发量；通过前后时次整点时刻的质量差值来换算每小时的蒸发量；并根据国家自动站的降水数据、补水情况和一小时内溢流的判断结果对小时蒸发量进行修正；一天24个时次小时蒸发量之和为当天的日蒸发量；
代替了以往人工在蒸发皿内测量水位来计算蒸发量的方法，通过质量差的推算更加保证数据的准确，同时能全天24小时进行测量收集数据；不但适合晴天时能准确的测量蒸发量，而且雨天时也能准确的测量蒸发量；
通过每天特定时间对蒸发皿是否需要补水进行判断，保证蒸发皿内时刻有水，避免因为许多天后蒸发皿内没水的问题；
2、 虹吸管的设计，当雨天进行测量时，当蒸发皿内的水位上涨到虹吸管最高点时，会发生虹吸现象，将水快速往外排出，从而使水位下降至虹吸管进管口位置，此时次的每分钟蒸发量的计算公式为E i=（Mi-1-Mi）/（S*ρ）+Pi-h，从而准确记录该时次的蒸发量；避免因为雨天导致蒸发皿溢流无法继续测试蒸发量的问题；
3、虹吸管可拆卸的安装在蒸发皿侧壁上，方便根据需求替换不同长度的虹吸管，使用更加灵活；
4、本发明所述的系统，还可以用来观测降水量，实现功能用途多元化；
5、本发明所述的气象用非接触式蒸发量测量系统及测量方法能准确的测量蒸发量，同时不需要过多人工干预，适合广泛推广。
附图说明
图1为本发明所述本发明所述气象用非接触式蒸发量测量系统结构示意图；
图中：1、蒸发皿，2、称重装置，3、加水装置，4、虹吸管，5、环形防护罩。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、 “上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为解决上述问题，如图1所示，本申请公开小型气象用非接触式蒸发量测量系统，主要包括蒸发皿1、称重装置2、加水装置3和排水装置4（虹吸管）四个组成部分。
其中，蒸发皿1为铜材质的圆筒形结构，为了规范计量标准，蒸发皿1的内直径为20cm、高度为10cm，如此设计，蒸发皿1的内部底面积S为314cm2。为了对蒸发皿1的皿口进行有效的防护，在皿口安装有可拆卸的环形防护罩5，所述环形防护罩5的高度为7cm，所述环形防护罩5为透明的轻质塑料制作而成的。
在蒸发皿1的侧壁以可拆卸的方式安装有倒U形的虹吸管4，虹吸管4是由外管和内管以螺纹连接的方式拼接而成，内管的下端为虹吸管4的进管口且位于所述蒸发皿1底部的上方2cm处的位置，外管的下端为虹吸管4的出管口且低于进管口的位置。虹吸管4的最高点距离进管口的高度为h，且取值为5cm。为了保证具有良好的虹吸效果，虹吸管4的内径为8mm。如此设计，保证当蒸发皿1内的水位达到虹吸管4最高点时发生虹吸效果，将水快速排出直到水位重新降到进管口位置处为止。
将蒸发皿1安装在称重装置2上，称重装置2可以选择精度为0.01g的电子天平，称重装置2能精确测量蒸发皿1的质量。加水装置3的加水口位于蒸发皿1的皿口上方并不与蒸发皿1接触，从而避免对称重装置2的测量数据的影响。加水装置3常规结构是连接水桶等水源的加水管，加水管上安装有电磁开关阀。
为了实现自动化监测和控制，称重装置和加水装置均电性连接在PLC控制器上，PLC控制器安装在气象监测室，工作人员在气象监测室可以随时观察反馈的数据。由于PLC控制器是一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它能实现收集信号、整理数据以及传输指令的作用，因为属于常规技术，可以直接运用在本申请中实现数据传输，在此不详细描述。
使用本发明所述气象用非接触式蒸发量测量系统的测量方法，具体步骤如下：
1、首先，每秒实时测量蒸发皿的质量，并计算前一秒与该秒蒸发皿的质量差，当质量差的绝对值超过设定的阈值时，判定有无落石、飞鸟等干扰，如有则记录，并在分钟整点对该分钟测量蒸发皿的质量进行修正；
2、测量每分钟的蒸发量；
通过称重装置每分钟测量蒸发皿的质量，利用国家级自动站降水传感器的降水数据对观测结果进行修正；每分钟蒸发量的计算公式如下：
E i=（Mi-1-Mi）/（S*ρ）+Pi；
其中，Mi和Mi-1分别为i分钟和上一分钟i-1分钟进行了干扰修正后的蒸发皿质量之差，S为蒸发皿的面积，ρ为水的密度；在进行测量蒸发量时，是无雨天气，那么Pi取0即可，如果是有雨天气，Pi为i分钟的分钟降水量；
若是在雨天，由于雨水的持续，蒸发皿内的水持续增加，当水位达到虹吸管最高点时发生虹吸效果，将水快速排出直到水位重新降到进管口位置处为止。这种现象，称之为虹吸溢流，导致的结果是前后一分钟的称重装置测量的质量差值过大，为了进行修正数据，本发明所述的测量方法还包括判断蒸发皿是否发生溢流的步骤，具体如下：
预设蒸发皿在1min前后质量变化的异常值为MM，由于我国华北地区1分钟热蒸发量不会超过300g，可以将MM取值为314g；
当称重装置测量Mi-1-Mi＞MM时，则判定此时次蒸发皿发生溢流，此时次的分钟蒸发量的计算公式如下：
E i=（Mi-1-Mi）/（S*ρ）+Pi-h，其中，h为虹吸管的最高点距离进管口的高度。
3、计算一天的蒸发量；
小时蒸发量可以通过两种方法计算，一种是通过前后时次整点时刻的质量差值来换算每小时的蒸发量，并根据国家自动站的降水数据、补水情况和一小时内溢流的判断结果对小时蒸发量进行修正；一种是取该时次所有分钟蒸发量之和为小时蒸发量。一天24个时次小时蒸发量之和为当天的日蒸发量；
4、为了避免蒸发皿内水蒸发殆尽后，没法及时加水导致后期数据出错，每天定时进行判断所述蒸发皿是否进行补水；
当蒸发皿内没水时，测量蒸发皿的质量为M0；
预设需要对蒸发皿补水的质量数值为M2，根据实际应用，当蒸发皿的水位低于1.5cm后，就需要对蒸发皿进行水，当水位在1.5cm时，M2= M0+417g；
预设停止补水时蒸发皿的质量数值为M1，根据实际应用，当蒸发皿的水位到达2cm后，就停止加水，当水位在2cm时，M1= M0+628g；
每天20时整点过后，称重装置测量蒸发皿的质量小于M2时，加水装置往蒸发皿内补水，直到称重装置测量蒸发皿的质量为M1时，加水装置停止补水。
本发明所述的气象用非接触式蒸发量测量系统除了能测量日蒸发量外，还能测量降水量，从而实现多种用途。测降水量时，一般不考虑分钟蒸发量，具体步骤如下：
1、测量每分钟的降水量Pi；
通过称重装置每分钟测量蒸发皿的质量，记录1min前后的质量变化：
△=Mi- Mi-1
当△﹥0时，记录每分钟降水量Pi= （Mi-1-Mi）/（S*ρ）；
当△≤0时，记录每分钟降水量Pi= 0；
2、当称重装置测量Mi-1-Mi＞MM时，则判定此时次蒸发皿发生溢流，此时的每分钟降雨量的计算公式如下：
Pi =（Mi-1-Mi）/（S*ρ）-h，其中，h为虹吸管的最高点距离进管口的高度。
3、计算一天的降雨量；
当收集完全天24小时的每分钟降雨量数据和每分钟蒸发量数据后，每分钟降雨量之和为当天的日降水量，每分钟的蒸发量之和为当天的日蒸发量。

Claims (8)

1.一种小型气象用非接触式蒸发量测量系统，其特征在于，包括蒸发皿、称重装置、加水装置和排水装置，所述蒸发皿放置在所述称重装置上；
所述蒸发皿的侧壁安装有可拆卸的倒U形虹吸管，所述虹吸管的进管口位于所述蒸发皿底部的上方，所述虹吸管的进管口的位置高于出管口；
所述加水装置的加水口位于蒸发皿的皿口上方并不与蒸发皿接触。
2.根据权利要求1所述的蒸发量测量系统，其特征在于，所述蒸发皿为圆筒形，其直径为20-25cm，高度为10-15cm。
3.根据权利要求2所述的蒸发量测量系统，其特征在于，所述蒸发皿的皿口安装有可拆卸的环形防护罩，所述环形防护罩的高度为7-10cm，所述环形防护罩为透明材质制作而成的。
4.根据权利要求1所述的蒸发量测量系统，其特征在于，所述虹吸管的管径为8-10mm ；所述虹吸管为外管和内管以螺纹连接的方式安装在所述蒸发皿侧壁上。
5.根据权利要求1所述的蒸发量测量系统，其特征在于，所述称重装置为电子天平或者重力传感器，所述称重装置的测量灵敏度为0.01g，测量时间精度为1秒。
6.使用权利要求1-5任一项所述小型气象用非接触式蒸发量测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）每秒实时测量蒸发皿的质量，并计算前一秒与该秒蒸发皿的质量差，当质量差的绝对值超过设定的阈值时，判定有无落石、飞鸟等干扰，如有则记录，并在分钟整点对该分钟测量蒸发皿的质量进行修正；
（2）测量每分钟的蒸发量；
通过称重装置每分钟测量蒸发皿的质量，利用国家级自动站降水传感器的降水数据对观测结果进行修正；每分钟蒸发量的计算公式如下：
E i=（Mi-1-Mi）/（S*ρ）+Pi；
其中，Mi和Mi-1分别为i分钟和上一分钟i-1分钟进行了干扰修正后的蒸发皿质量之差，S为蒸发皿的面积，ρ为水的密度，Pi为i分钟的分钟降水量；
（3）计算一天的蒸发量；
小时蒸发量有两种计算方法，一种计算方法的计算公式同分钟蒸发量的计算公式，式中Mi和Mi-1分别为i时次和上一时次i-1时次整点时刻进行了干扰修正后蒸发皿的质量之差，Pi为i时次的小时降水量；一种计算方法是取该时次所有分钟蒸发量之和为该时次的小时蒸发量；
计算24个时次点的小时蒸发量之和为当天的日蒸发量；
（4）每天定时进行判断所述蒸发皿是否进行补水；
预设需要对蒸发皿补水的质量数值为M2；
当每天固定时刻称重装置实际测量的蒸发皿质量小于M2时，加水装置自动往蒸发皿内补水，直到称重装置测量的蒸发皿质量为M1时，加水装置停止加水，
其中，M1>M2。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，还包括判断蒸发皿是否发生溢流的步骤，由于溢流一般在下雨过程中发生，且发生溢流蒸发皿质量会突然大量减少，故可预设蒸发皿在1min前后质量变化的异常值为MM；
当称重装置测量Mi-1-Mi＞MM且Pi>0时，则判定，此时次蒸发皿发生溢流，此时此次的每分钟蒸发量的计算公式如下：
E i=（Mi-1-Mi）/（S*ρ）+Pi-h，其中，h为虹吸管的最高点距离进管口的高度。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述h的长度为5-6cm，所述MM为314-1884g。
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