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两种超声波蒸发传感器性能与检定方法比对分析

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王毛翠王敏魏根宝

[摘? ? 要] AG1.0型和AG2.0型超声波蒸发传感器是气象部门两种典型的蒸发量自动观测仪器。本文从超声波蒸发传感器的工作原理出发，详细介绍了AG1.0型和AG2.0型超声波蒸发传感器在技术参数、应用环境、数据采集和测量性能等方面的差异。对比了两种超声波蒸发传感器在计量标准模块组、检定方法、数据处理等方面的异同。结果表明：应用环境改变后，AG2.0型超声波蒸发传感器的测量精度相对提高。检定过程中AG1.0型和AG2.0型超声波蒸发传感器的蒸发零位值不同，分别为72mm和10mm。数据处理时，AG2.0型超声波蒸发传感器的蒸发水位值乘0.981系数后为实际蒸发水位。

[关键词] 蒸发传感器;超声波;检定方法;比对分析

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

[中图分类号] TP315? ? [文献标识码]? A? ? ? [文章编号]? 1673 - 0194（2019）21- 0172- 03

0? ? ? 引? ? 言

蒸发是水文循环的重要环节，是地表热量平衡的组成部分[1-3]。蒸发量是水资源评价和气候变化研究的重要参考指标，在水利工程设计、水资源开发利用、生态环境评估等方面具有重要作用[4-5]。气象部门为了实现蒸发量的自动化观测，2003年1月起基于E601B型蒸发器的AG1.0型蒸发传感器在基准气候站正式投入业务运行，用于测量非结冰期水面蒸发量。该传感器投入业务运行以来比较精确、稳定、故障率低，但是在强风雨等恶劣天气条件下容易出现野值[6]。为了减少环境对测量结果的影响，中环天仪（天津）气象仪器有限公司研制了AG2.0型蒸发传感器，该传感器改变原AG1.0型传感器的安装方式，通过改善应用环境提高测量精度。AG1.0型蒸发传感器和AG2.0型蒸发传感器的工作原理相同，在技术参数、应用环境、检定方法、数据处理方法方面有所变化。文中结合实际工作，分析了两种蒸发传感器的性能差异，对比了检定方法的异同，对提高蒸发传感器的测量精度和检定质量具有一定作用。

1? ? ? 工作原理

AG1.0型和AG2.0型超声波蒸发传感器的工作频率为40kHz，由超声波发生器和不锈钢圆筒组成。超声波发生器包含发射探头和接收探头，具有产生超声波和自动接收回波功能。其发射探头将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波;同时接收探头将超声振动波转换成电信号。信号检测系统通过测量超声波发射和经水面反射后返回的时间间隔，根据超声测距原理可计算出发射点距水面的距离。蒸发量是一个相对量，只需获得在某时间段内两次水面高度，进行算术计算即可得到在这段时间内的蒸发量。

超声波传播速度与空气温度、湿度等参数有关。湿度对超声波传播速度影响相对较小，温度对超声波传播速度影响较大[1]。温度每升高1℃，传播速度增加0.61m/s。为了减少温度对超声波传播速度的影响，两种超声波蒸发传感器配置了PT-100温度校正部分，通过修正传播速度提高测量精度。

2? ? ? 性能比对

2.1? ?技术参数

AG2.0型和AG1.0型超声波蒸发传感器的技术参数如表1所示。由于AG2.0型蒸发传感器是AG1.0型蒸发传感器的升级产品，其分辨力、线性、供电电源、最大允差、工作温度等技术指标相同，测量范围和信号输出方式发生改变。AG1.0型和AG2.0型蒸发传感器的测量范围分别为（0～100）mm和（0～98.1）mm，信号输出分别为（0～5）V的电压信号输出和（4～20）mA的电流信号输出。

2.2? ?应用环境

AG1.0型蒸发传感器使用时直接架设在E601B蒸发器内专用三脚架上，保持不锈钢圆筒最高水位刻度線稍高于蒸发器溢孔。AG2.0型超声波蒸发传感器改变原安装方式，其安装示意图如图1所示。AG2.0型蒸发传感器安装在E601B蒸发器外部，并固定在百叶箱内。传感器与蒸发器通过铝塑管相连，在压力平衡作用下，蒸发传感器不锈钢圆筒与蒸发器水面高度一致，超声波蒸发传感器测得结果即为蒸发器内水面高度。

2.3? ?数据采集

AG1.0型超声波蒸发传感器（0～5）V的电压信号输出对应（0～100）mm的蒸发水位。综合观测业务软件数据处理时，计算某段时间内两次蒸发水位的差值即为该时间内水面的蒸发量。相比而言，AG2.0型超声波蒸发传感器（4～20）mA的电流信号输出对应（0～98.1）mm的蒸发水位。由于AG2.0型传感器安装在E601B蒸发器的外部，对于蒸发器而然，池内的水产生约2%的分流，即随着蒸发器内水的蒸发，不锈钢圆筒内的水不断补充进来，使测量结果小于实际蒸发量。厂家技术人员研究表明，改善测量环境后，AG2.0型超声波蒸发传感器测得的蒸发水位比实际值偏小，需将蒸发水位订正1.019的系数，即AG2.0型蒸发传感器测得蒸发水位为98.1mm时，实际的蒸发水位为100mm。

2.4? ?测量性能

超声波蒸发传感器的测量精度受测量环境影响较大。AG1.0型超声波蒸发传感器直接架设在蒸发器上方，水面湿度和空气温度波动较大，降低了测量精度。在强风雨等恶劣天气条件下水面容易发生波动，可能出现野值[6]。同时，长时间阳光照射使超声波发生器的外壳容易变形，导致零位偏移。AG2.0型超声波蒸发传感器安装在百叶箱内，这样减少了温度和湿度对测量精度的影响，也可避免恶劣天气下液面波动出现野值。通过比较可以看出，由于应用环境的改善，AG2.0型超声波蒸发传感器的测量精度得到较大提高。

3? ? ? 检定方法

3.1? ?检定技术要求

（1）检定依据：超声波蒸发传感器检定依据JJG（气象）006-2011《自动气象站蒸发传感器》。

（2）标准模块組：测量范围为（0～100）mm，最大允差0.04mm。

（3）蒸发检定点：共6个检定点，分别为零位值、20mm、40mm、60mm、80mm、90mm。

（4）数据处理：蒸发传感器在各检定点的相对误差值Δh可由下公式表示：

Δh=■×100%

式中：h为蒸发传感器测得蒸发水位值，单位为mm;h0为零位值，单位为mm;hs为对应标准模块标称值，单位为mm。

（5）合格判据：蒸发传感器在各蒸发检定点的最大允许误差为±1.5%。

（6）检定周期：2年。

3.2? ?检定方法比对

AG1.0型和AG2.0型超声波蒸发传感器检定均依据JJG（气象）006-2011《自动气象站蒸发传感器》规程。由于AG2.0型超声波蒸发传感器不锈钢圆筒高度比AG1.0型降低，零点位置发生变化，《自动气象站蒸发传感器》的部分内容不适用于AG2.0型超声波蒸发传感器。同时，AG2.0型超声波蒸发传感器的测量范围发生改变，计量标准模块组需增加一个98.1mm的标准模块。下面分别从标准模块组、检定流程、数据处理等方面比对两种蒸发传感器的差异。

3.2.1? ?标准模块组

AG1.0型超声波蒸发传感器的计量标准模块组共有7个，分别为10mm、20mm、40mm、60mm、72mm、80mm、100mm。与AG1.0型超声波蒸发传感器相比，AG2.0型蒸发传感器的计量标准模块组增加一个98.1mm的标准模块。因为AG2.0型超声波蒸发传感器的测量上限为98.1mm，此标准模块用于满量程校验。

3.2.2? ?检定流程

AG1.0型超声波蒸发传感器的蒸发零位值为72mm，检定前先将72mm标准模块放入不锈钢圆筒内，从地面观测软件读取蒸发零位值。然后将72mm标准模块分别与20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的标准模块组合，依次放入不锈钢圆筒内，分别读取蒸发传感器的当前分钟蒸发水位值。AG2.0型超声波蒸发传感器的蒸发零位值为10mm，检定时将10mm标准模块放入不锈钢圆筒内，这与规程规定的内容有所不同。读取蒸发零位值后，分别与20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的标准模块组合，检定流程同AG1.0型传感器。

3.2.3? ?数据处理

AG2.0型超声波蒸发传感器的测量范围为0～98.1mm，由于不锈钢圆筒的分流作用，即AG2.0型蒸发传感器测得蒸发水位为98.1mm时，实际的蒸发水位为100mm，并将订正系数固化在业务软件中。检定与实际应用不同，由于没有不锈钢圆筒分流影响，标准模块模拟实际蒸发量时，无水的补偿作用，CAWS600业务采集软件读取的蒸发水位值偏大，需将蒸发水位乘0.981的系数后为实际蒸发水位值。由公式（1）计算得到各蒸发检定点相对误差值Δh。在各蒸发检定点，两种型号超声波蒸发传感器的相对误差Δh不超过±1.5%时为合格。

4? ? ? 结? ? 论

为了减少应用环境对测量精度的影响，AG2.0型超声波蒸发传感器的安装方式发生变化，导致其业务应用和计量检定方法与AG1.0型超声波蒸发传感器发生变化，主要结论如下：

（1）在技术参数方面：AG1.0型和AG2.0型蒸发传感器的测量范围和信号输出方式发生改变，其测量范围分别为（0～100）mm和（0～98.1）mm，信号输出分别为（0～5）V的电压信号输出和（4～20）mA的电流信号输出。

（2）在测量精度方面：AG1.0型蒸发传感器使用时直接架设在E601B蒸发器内，传感器主体暴露在自然环境中，测量结果受环境条件影响较大。AG2.0型超声波蒸发传感器固定在百叶箱内，这种安装方式减少了水面温度、湿度对超声波传播速度的影响，避免恶劣天气下液面波动出现野值，其测量精度相对提高。

（3）在数据采集方面：AG1.0型超声波蒸发传感器直接安装在蒸发器内，其测量蒸发水位为实际观测值。相比而言，AG2.0型传感器安装在E601B蒸发器的外部，池内的水产生约2%的分流，使测量结果小于实际蒸发量。因此，AG2.0型超声波蒸发传感器测得的蒸发水位比实际值偏小，需将蒸发水位订正1.019的系数，即AG2.0型蒸发传感器测得蒸发水位为98.1mm时，实际的蒸发水位为100mm。

（4）在计量检定方面：AG1.0型和AG2.0型超声波蒸发传感器的蒸发零位值分别为72mm和10mm。检定时两者的零位标准模块分别与20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的标准模块组合，完成各蒸发检定点检定。数据处理时，AG2.0型超声波蒸发传感器的蒸发水位示值乘0.981的系数后为实际蒸发水位值，否则可能导致检定结论错误。

主要参考文献

[1]吴必文，温华洋，叶朗明，等. 安徽地区近45年蒸发皿蒸发量变化特征及影响因素初探[J]. 长江流域资源与环境，2009，18（7）：620-624.

[2]吴文娟，王刚，黄丕新，等. 近50a海口市降水量与蒸发量变化[J].气象研究与应用，2009，30（1）：19-22.

[3]顾欣，康为民，龙先菊，等. 黔东南气温变化对蒸发皿蒸发量的影响分析[J].高原气象，2012，31（6）：1761-1766.

[4]高蓓，范建忠，景毅刚，等. 近33年来渭河流域蒸发皿蒸发量的变化特征及原因分析[J].成都信息工程学院学报，2012，27（1）：77-82.

[5]任国玉，郭军. 中国水面蒸发量的变化[J].2006，21（1）：31-44.

[6]宋树礼，王柏林. 蒸发传感器工作原理及性能比较[J].气象科技，2010，38（1）：111-113.

[7]张艳，陈爱国，高荣贵. 声速的温湿度修正研究[J].压电与声光，2010，33（1）：27-29.

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