兩種超聲波蒸發(fā)傳感器性能與檢定方法比對分析

王毛翠 王敏 魏根寶

[摘? ? 要] AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器是氣象部門兩種典型的蒸發(fā)量自動觀測儀器。本文從超聲波蒸發(fā)傳感器的工作原理出發(fā)，詳細(xì)介紹了AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器在技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用環(huán)境、數(shù)據(jù)采集和測量性能等方面的差異。對比了兩種超聲波蒸發(fā)傳感器在計量標(biāo)準(zhǔn)模塊組、檢定方法、數(shù)據(jù)處理等方面的異同。結(jié)果表明：應(yīng)用環(huán)境改變后，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測量精度相對提高。檢定過程中AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值不同，分別為72mm和10mm。數(shù)據(jù)處理時，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)水位值乘0.981系數(shù)后為實際蒸發(fā)水位。

[關(guān)鍵詞] 蒸發(fā)傳感器;超聲波;檢定方法;比對分析

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 21. 068

[中圖分類號] TP315? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）21- 0172- 03

0? ? ? 引? ? 言

蒸發(fā)是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是地表熱量平衡的組成部分[1-3]。蒸發(fā)量是水資源評價和氣候變化研究的重要參考指標(biāo)，在水利工程設(shè)計、水資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境評估等方面具有重要作用[4-5]。氣象部門為了實現(xiàn)蒸發(fā)量的自動化觀測，2003年1月起基于E601B型蒸發(fā)器的AG1.0型蒸發(fā)傳感器在基準(zhǔn)氣候站正式投入業(yè)務(wù)運行，用于測量非結(jié)冰期水面蒸發(fā)量。該傳感器投入業(yè)務(wù)運行以來比較精確、穩(wěn)定、故障率低，但是在強(qiáng)風(fēng)雨等惡劣天氣條件下容易出現(xiàn)野值[6]。為了減少環(huán)境對測量結(jié)果的影響，中環(huán)天儀（天津）氣象儀器有限公司研制了AG2.0型蒸發(fā)傳感器，該傳感器改變原AG1.0型傳感器的安裝方式，通過改善應(yīng)用環(huán)境提高測量精度。AG1.0型蒸發(fā)傳感器和AG2.0型蒸發(fā)傳感器的工作原理相同，在技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用環(huán)境、檢定方法、數(shù)據(jù)處理方法方面有所變化。文中結(jié)合實際工作，分析了兩種蒸發(fā)傳感器的性能差異，對比了檢定方法的異同，對提高蒸發(fā)傳感器的測量精度和檢定質(zhì)量具有一定作用。

1? ? ? 工作原理

AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的工作頻率為40kHz，由超聲波發(fā)生器和不銹鋼圓筒組成。超聲波發(fā)生器包含發(fā)射探頭和接收探頭，具有產(chǎn)生超聲波和自動接收回波功能。其發(fā)射探頭將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波;同時接收探頭將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號。信號檢測系統(tǒng)通過測量超聲波發(fā)射和經(jīng)水面反射后返回的時間間隔，根據(jù)超聲測距原理可計算出發(fā)射點距水面的距離。蒸發(fā)量是一個相對量，只需獲得在某時間段內(nèi)兩次水面高度，進(jìn)行算術(shù)計算即可得到在這段時間內(nèi)的蒸發(fā)量。

超聲波傳播速度與空氣溫度、濕度等參數(shù)有關(guān)。濕度對超聲波傳播速度影響相對較小，溫度對超聲波傳播速度影響較大[1]。溫度每升高1℃，傳播速度增加0.61m/s。為了減少溫度對超聲波傳播速度的影響，兩種超聲波蒸發(fā)傳感器配置了PT-100溫度校正部分，通過修正傳播速度提高測量精度。

2? ? ? 性能比對

2.1? ?技術(shù)參數(shù)

AG2.0型和AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。由于AG2.0型蒸發(fā)傳感器是AG1.0型蒸發(fā)傳感器的升級產(chǎn)品，其分辨力、線性、供電電源、最大允差、工作溫度等技術(shù)指標(biāo)相同，測量范圍和信號輸出方式發(fā)生改變。AG1.0型和AG2.0型蒸發(fā)傳感器的測量范圍分別為（0～100）mm和（0～98.1）mm，信號輸出分別為（0～5）V的電壓信號輸出和（4～20）mA的電流信號輸出。

2.2? ?應(yīng)用環(huán)境

AG1.0型蒸發(fā)傳感器使用時直接架設(shè)在E601B蒸發(fā)器內(nèi)專用三腳架上，保持不銹鋼圓筒最高水位刻度線稍高于蒸發(fā)器溢孔。AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器改變原安裝方式，其安裝示意圖如圖1所示。AG2.0型蒸發(fā)傳感器安裝在E601B蒸發(fā)器外部，并固定在百葉箱內(nèi)。傳感器與蒸發(fā)器通過鋁塑管相連，在壓力平衡作用下，蒸發(fā)傳感器不銹鋼圓筒與蒸發(fā)器水面高度一致，超聲波蒸發(fā)傳感器測得結(jié)果即為蒸發(fā)器內(nèi)水面高度。

2.3? ?數(shù)據(jù)采集

AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器（0～5）V的電壓信號輸出對應(yīng)（0～100）mm的蒸發(fā)水位。綜合觀測業(yè)務(wù)軟件數(shù)據(jù)處理時，計算某段時間內(nèi)兩次蒸發(fā)水位的差值即為該時間內(nèi)水面的蒸發(fā)量。相比而言，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器（4～20）mA的電流信號輸出對應(yīng)（0～98.1）mm的蒸發(fā)水位。由于AG2.0型傳感器安裝在E601B蒸發(fā)器的外部，對于蒸發(fā)器而然，池內(nèi)的水產(chǎn)生約2%的分流，即隨著蒸發(fā)器內(nèi)水的蒸發(fā)，不銹鋼圓筒內(nèi)的水不斷補(bǔ)充進(jìn)來，使測量結(jié)果小于實際蒸發(fā)量。廠家技術(shù)人員研究表明，改善測量環(huán)境后，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器測得的蒸發(fā)水位比實際值偏小，需將蒸發(fā)水位訂正1.019的系數(shù)，即AG2.0型蒸發(fā)傳感器測得蒸發(fā)水位為98.1mm時，實際的蒸發(fā)水位為100mm。

2.4? ?測量性能

超聲波蒸發(fā)傳感器的測量精度受測量環(huán)境影響較大。AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器直接架設(shè)在蒸發(fā)器上方，水面濕度和空氣溫度波動較大，降低了測量精度。在強(qiáng)風(fēng)雨等惡劣天氣條件下水面容易發(fā)生波動，可能出現(xiàn)野值[6]。同時，長時間陽光照射使超聲波發(fā)生器的外殼容易變形，導(dǎo)致零位偏移。AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器安裝在百葉箱內(nèi)，這樣減少了溫度和濕度對測量精度的影響，也可避免惡劣天氣下液面波動出現(xiàn)野值。通過比較可以看出，由于應(yīng)用環(huán)境的改善，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測量精度得到較大提高。

3? ? ? 檢定方法

3.1? ?檢定技術(shù)要求

（1）檢定依據(jù)：超聲波蒸發(fā)傳感器檢定依據(jù)JJG（氣象）006-2011《自動氣象站蒸發(fā)傳感器》。

（2）標(biāo)準(zhǔn)模塊組：測量范圍為（0～100）mm，最大允差0.04mm。

（3）蒸發(fā)檢定點：共6個檢定點，分別為零位值、20mm、40mm、60mm、80mm、90mm。

（4）數(shù)據(jù)處理：蒸發(fā)傳感器在各檢定點的相對誤差值Δh可由下公式表示：

Δh=■×100%

式中：h為蒸發(fā)傳感器測得蒸發(fā)水位值，單位為mm;h0為零位值，單位為mm;hs為對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)模塊標(biāo)稱值，單位為mm。

（5）合格判據(jù)：蒸發(fā)傳感器在各蒸發(fā)檢定點的最大允許誤差為±1.5%。

（6）檢定周期：2年。

3.2? ?檢定方法比對

AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器檢定均依據(jù)JJG（氣象）006-2011《自動氣象站蒸發(fā)傳感器》規(guī)程。由于AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器不銹鋼圓筒高度比AG1.0型降低，零點位置發(fā)生變化，《自動氣象站蒸發(fā)傳感器》的部分內(nèi)容不適用于AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器。同時，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測量范圍發(fā)生改變，計量標(biāo)準(zhǔn)模塊組需增加一個98.1mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊。下面分別從標(biāo)準(zhǔn)模塊組、檢定流程、數(shù)據(jù)處理等方面比對兩種蒸發(fā)傳感器的差異。

3.2.1? ?標(biāo)準(zhǔn)模塊組

AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的計量標(biāo)準(zhǔn)模塊組共有7個，分別為10mm、20mm、40mm、60mm、72mm、80mm、100mm。與AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器相比，AG2.0型蒸發(fā)傳感器的計量標(biāo)準(zhǔn)模塊組增加一個98.1mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊。因為AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測量上限為98.1mm，此標(biāo)準(zhǔn)模塊用于滿量程校驗。

3.2.2? ?檢定流程

AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值為72mm，檢定前先將72mm標(biāo)準(zhǔn)模塊放入不銹鋼圓筒內(nèi)，從地面觀測軟件讀取蒸發(fā)零位值。然后將72mm標(biāo)準(zhǔn)模塊分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，依次放入不銹鋼圓筒內(nèi)，分別讀取蒸發(fā)傳感器的當(dāng)前分鐘蒸發(fā)水位值。AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值為10mm，檢定時將10mm標(biāo)準(zhǔn)模塊放入不銹鋼圓筒內(nèi)，這與規(guī)程規(guī)定的內(nèi)容有所不同。讀取蒸發(fā)零位值后，分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，檢定流程同AG1.0型傳感器。

3.2.3? ?數(shù)據(jù)處理

AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的測量范圍為0～98.1mm，由于不銹鋼圓筒的分流作用，即AG2.0型蒸發(fā)傳感器測得蒸發(fā)水位為98.1mm時，實際的蒸發(fā)水位為100mm，并將訂正系數(shù)固化在業(yè)務(wù)軟件中。檢定與實際應(yīng)用不同，由于沒有不銹鋼圓筒分流影響，標(biāo)準(zhǔn)模塊模擬實際蒸發(fā)量時，無水的補(bǔ)償作用，CAWS600業(yè)務(wù)采集軟件讀取的蒸發(fā)水位值偏大，需將蒸發(fā)水位乘0.981的系數(shù)后為實際蒸發(fā)水位值。由公式（1）計算得到各蒸發(fā)檢定點相對誤差值Δh。在各蒸發(fā)檢定點，兩種型號超聲波蒸發(fā)傳感器的相對誤差Δh不超過±1.5%時為合格。

4? ? ? 結(jié)? ? 論

為了減少應(yīng)用環(huán)境對測量精度的影響，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的安裝方式發(fā)生變化，導(dǎo)致其業(yè)務(wù)應(yīng)用和計量檢定方法與AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器發(fā)生變化，主要結(jié)論如下：

（1）在技術(shù)參數(shù)方面：AG1.0型和AG2.0型蒸發(fā)傳感器的測量范圍和信號輸出方式發(fā)生改變，其測量范圍分別為（0～100）mm和（0～98.1）mm，信號輸出分別為（0～5）V的電壓信號輸出和（4～20）mA的電流信號輸出。

（2）在測量精度方面：AG1.0型蒸發(fā)傳感器使用時直接架設(shè)在E601B蒸發(fā)器內(nèi)，傳感器主體暴露在自然環(huán)境中，測量結(jié)果受環(huán)境條件影響較大。AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器固定在百葉箱內(nèi)，這種安裝方式減少了水面溫度、濕度對超聲波傳播速度的影響，避免惡劣天氣下液面波動出現(xiàn)野值，其測量精度相對提高。

（3）在數(shù)據(jù)采集方面：AG1.0型超聲波蒸發(fā)傳感器直接安裝在蒸發(fā)器內(nèi)，其測量蒸發(fā)水位為實際觀測值。相比而言，AG2.0型傳感器安裝在E601B蒸發(fā)器的外部，池內(nèi)的水產(chǎn)生約2%的分流，使測量結(jié)果小于實際蒸發(fā)量。因此，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器測得的蒸發(fā)水位比實際值偏小，需將蒸發(fā)水位訂正1.019的系數(shù)，即AG2.0型蒸發(fā)傳感器測得蒸發(fā)水位為98.1mm時，實際的蒸發(fā)水位為100mm。

（4）在計量檢定方面：AG1.0型和AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)零位值分別為72mm和10mm。檢定時兩者的零位標(biāo)準(zhǔn)模塊分別與20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，完成各蒸發(fā)檢定點檢定。數(shù)據(jù)處理時，AG2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)水位示值乘0.981的系數(shù)后為實際蒸發(fā)水位值，否則可能導(dǎo)致檢定結(jié)論錯誤。

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