基于磁致伸缩技术的水面蒸发在线监测系统应用

摘要：为解决在线蒸发监测系统配套雨量计精度不足问题，基于磁致伸缩技术的方法原理，蒸发和雨量传感系统均采用磁致伸缩液位传感器，配套减阻、防波阻尼系统，精准测量液位;再依据容积法和水量平衡原理计算降雨量和水面蒸发量，使其蒸发系统和雨量系统精度均达到±0.1mm，解决了在线蒸发系统雨量与蒸发监测精度配套问题。系统实时数据通过 GPRS 信道传送到中心服务器，对数据进行分析处理、存储、转录、发布，实现 WEB、手机 APP 远程实时水面蒸发量、降雨量、工作状态等查询功能。經云南省昆明市海口水文站1 a多的在线监测数据与人工监测数据对比分析，发现在线监测数据精度基本满足现行规程规范要求，且系统运行正常稳定。该技术可为水面蒸发在线监测系统的建设提供参考。

关 键 词：在线监测系统; 水面蒸发; 磁致伸缩技术; 海口水文站

水面蒸发在线监测系统在野外恶劣环境下，受多种因素影响，在不同的降雨强度时，要使其监测精度达到规范要求的±0.1 mm难度较大。目前，国内外在线蒸发监测系统的研究较多，但绝大多数系统均配套使用翻斗式雨量计（0.1 mm或0.5 mm），存在测量精度低、难以解决连续大雨量和极小降雨量的测量精度问题[1]，以致降雨量测量不准确，水面蒸发量测量出现较大偏差;也有系统配套使用称重式雨量计，但因称重式雨量计的天平受野外环境因素影响，称重不稳定，计量精度也受影响。

本文提出的基于磁致伸缩技术的在线水面蒸发监测系统，引入了工业中应用成熟的磁致伸缩液位测量传感器，基于磁致伸缩技术精准测量液位的方法原理，将该技术应用到水面蒸发在线监测系统的蒸发器水面液位测量和降雨储雨容器水面液位测量，再通过容积法和水量平衡原理精准计算水面蒸发值，使该系统水面蒸发在线监测值精度达到±0.1 mm。经云南省昆明市西山区海口水文站1 a多的运行检验，发现在线监测数据与人工监测数据对比精度基本达到现行规程规范要求，且在野外恶劣的环境下运行正常稳定，可为水面蒸发在线监测系统的建设提供参考。

1 工作原理

1.1 磁致伸缩液位传感器工作原理

磁致伸缩液位传感器由测杆、电子仓和套在测杆上的可滑动磁环（环状浮球）组成，如图1所示。

测杆内装有磁致伸缩线（波导线），环状浮球浮在水面，随水面升降。电子仓产生一起始脉冲，该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场，在波导丝中传输，与环状浮球中的永久磁场相遇时，根据Widemanm效应，使波导钢丝产生磁致弹性伸缩，产生波导扭曲，形成 一个磁致旋转波，传输到电子仓。由发射、接收两个脉冲的时间差，可知磁致旋转波的传播速度（如2 800，3 000 m/s），进而可精确测出环状浮球位移和液位[1-2]。

1.2 在线水面蒸发监测系统工作原理

基于磁致伸缩技术的方法原理，本文介绍的在线水面蒸发监测系统其蒸发器水面液位和降雨器储雨容器水面液位均采用磁致伸缩传感器测量，液位测量分辨率达 0.031 mm;同时，应用定量汲水方案代替被动溢流方案，以提高水量平衡计算精准度，使该系统水面蒸发在线值精度达±0.1 mm，其结构及原理见图2。

注：1为E601 蒸发器，2、16、17为蒸发器液位测量传感器，3为高精度雨量测量装置，4为定量瓶，5为储水箱，6为定量瓶汲水泵，7为雨量桶补水泵，8为蒸发器补水泵，9为控制箱及远程通讯系统，10为太阳能电池系统，11为雨量桶补水管， 12为蒸发器补水管，13为定量瓶汲水及回流管，14为定量瓶排水管，15为蒸发器与蒸发器液位测量传感器连通管，18为定量瓶水位限位开关。

第7期   张丽花：基于磁致伸缩技术的水面蒸发在线监测系统应用    人 民 长 江2019年 如图2所示，整个系统由 E601 蒸发器、雨量计、蒸发传感器、主动汲水和补排水伺服测控系统、电源、通讯系统、服务器软件系统等组成;其中：E601 蒸发器尺寸与人工E601 蒸发器相同，雨量计采用磁致伸缩液位传感器高精度计量降水量值，根据连通器原理将E601 蒸发器与蒸发传感器相连，蒸发传感器仍采用磁致伸缩液位传感器高精度计量E601 蒸发器液位后，再通过水量平衡原理结合雨量计计量值计算高精度水面蒸发值，主动汲水和补排水伺服测控系统主要控制汲水和补排泵，以达到自动汲水和补排。

依以上公式，只要精确测算出降雨量、蒸发器水位、溢流量、取（汲）水量和加（补）水量， 就可以计算出蒸发量[4]。

2 实例应用

2.1 应用区概况

实例应用区选取云南昆明市西山区海口水文站降蒸观测场。海口水文站属国家基本水文站、滇池出口控制站，始建于1941年，其水面蒸发监测为滇池水体的蒸发计算提供科学依据。 该站降蒸观测场位于海口河左岸，观测场尺寸为16 m×16 m，高程为1 892.68 m（1985国家高程基准）， 四周钢筋栅栏高1.2 m;观测场四周空旷、开阔无遮挡，符合降蒸观测环境条件[5];场内按规范原布设有人工E601型蒸发器1套，翻斗式雨量计（0.5 mm）1套，人工雨量计1套。在不影响原有监测设施设备的前提下，将基于磁致伸缩技术的在线水面蒸发监测系统全部设施设备按规范布设于该降蒸观测场内，在同等条件下与人工观测数据进行对比，以分析其监测精度。

2.2 系统组成

该系统主要由 E601 型蒸发器、高精度蒸发器液位测量装置 、高精度雨量测量装置、储水箱装置、控制箱及远程通讯系统、太阳能电池系统等组成。

2.3 系统功能

（1） 能对实时蒸发量、降雨量、水温等以5 min为时间间隔（可预设）进行连续在线监测。

（2） 能实现数据实时采集、计算、存储、传输的功能。

（3） 能将采集的蒸发量、降雨量、水温等实时数据通过网络传输到中心站。

（4） 可人工设定和修改系统参数。

（5） 接受中心站管理，通过远程通信与中心站实现双向通信，进行远程诊断、远程设置与维护。

（6） 中心站可实现实时数据的分析处理、存储、转录和发布。

（7） 可实现 WEB、手机 APP 远程实时数据、工况等查询功能[6-9]。

2.4 性能特点

（1） 高精度蒸发液位测量装置。采用磁致伸缩液位传感器，配套减阻、防波阻尼系统，使蒸发量测量精度≤±0.1 mm，水位分辨率达 0.031 mm。

（2） 高精度雨量测量装置。采用磁致伸缩液位传感器，并在测量原理和结构上进行了创新，以使系统的测量精度高于±0.1 mm ，分辨率达 0.015 mm，雨强测量范围0～30 mm/min，即从极小的露水至特大暴雨全范围覆盖，解决了翻斗式雨量计在大暴雨时无法翻转，及翻斗内留存水造成的误差问题。

（3） 主动定量汲水装置。使用定量汲水方案代替被动溢流方案，配合蒸发测量仓内的高精度传感器，实现降雨时的蒸发量稳定测量。

（4） 高自动化控制系统。蒸发装置和降雨装置的补水、排水全自动控制，无需人工参与，设有蒸发皿清洗模式、故障调试模式、低温保护模式。

（5） 抗风雨滤波算法。系统针对大风雨天气设计了专门的抗风雨滤波算法，测量数据更稳定。

（6） 可靠性高、维护简单。系统中使用的器件易维护，无刷直流潜水泵的使用寿命长，电动阀的开关次数达10万次以上，并使用模块化设计，整个系统具有可靠性高、维护简单的优点。

2.5 应用效果

海口水文站在线水面蒸发监测系统建成后，至今已运行1 a多，整个系统运行正常稳定。以 2017 年人工监测数据作为基准参照，将在线数据与之对比，计算该系统水面蒸发在线数据监测精度。人工数据严格按现行相关规程规范进行监测，水面蒸发在线数据与人工数据进行对比分析，具体如下。

但同时也注意到：相对差值较大的点，往往对应人工观测的日蒸发量值较小，其中最大相对差值92.9 %对应的人工观测值为1.4 mm。自动与人工观测原理有别，高精度磁致伸缩探头的优点是能很灵敏地感应水面高度变化，然而受外界干扰也较大，例如受蒸发池内湍流波动以及不明物体落入池中等许多不确定因素的影响。另外，08：00定时观测和自动站连续观测的时间不一致也会导致自动与人工观测的日蒸发量存在差异。另风速引起的蒸发池内液位波动也会影响到液位监测的精度[16-20]。

3 结 论

（1） 本文依据磁致伸缩技术的方法原理，采用磁致伸缩液位传感器，配套减阻、防波阻尼系统，精准测量液位，再依据容积法计算降雨量、水量平衡法计算水面蒸发量，有效解决了现有在线蒸发系统中雨量系统配套蒸发系统精度应为±0.1 mm 的问题。

（2） 经统计，2017 年全年在线监测数据的缺测率为 2.5%、粗差率为 1.4%、一致率为 73.8%;其一致率接近规范规定要求。

（3） 经分析，其日蒸发量差值不满足正態分布，自动监测值比人工监测值相对偏小15.0%，近66.7%的数据都是自动监测值小于人工监测值。

（4） 经比测，日误差±0.1 mm占19.4%，日误差±0.2 mm占30.2%，日误差±0.5 mm占55.0%，日误差±1.0 mm占77.2%;最大日值相差在-4.7～2.2 mm之间;最大日值相对误差在-92.9%～ 92.9 %之间;日值标准差33%。

（5） 定期校准自记系统时钟，采用固定08：00自记水位计算蒸发量，能消除部分环境因素影响，在实际生产中有良好的应用。

（6） 该系统经1 a多的运行，正常稳定;其在线监测数据精度基本满足现行规程规范要求，可为在线水面蒸发监测系统建设提供参考。

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（编辑：刘 媛）