蒸發計

蒸發計（evaporimeter）是一款測定由水面向大氣中蒸發水分比率的裝置。在高溫、高濕、風浪、沙塵環境下能穩定、可靠地工作。

基本介紹

• 中文名：蒸發計
• 外文名：evaporimeter
• 所屬學科：大氣科學
• 定義：由水面向大氣中蒸發水分比率裝置

簡介

蒸發計是用超聲脈衝法設計的一種電子袖珍儀器，用於蒸發和水位觀測的數字顯示。

電子蒸發計的本機配用原器口面積為3000cm²的蒸發水桶進行水面蒸發觀測是可行的。本機用超音波脈衝法，實現測量水面相對高度值的數字顯示。整機電路，絕大部分使用CMOS積體電路設計，具有低功耗(用9V電池組合電源，按日蒸發量觀測，可用一年)、體積小(40 } 86 x 177mm)攜帶方便等特點。電路內具有BCD碼輸出，可供列印和記錄。本機還可配在其它有關的系統上供自動測量水位使用。

背景介紹

蒸發是水文、氣象學的觀測要素之一。目前直接測旦蒸發的儀器有多種，由於蒸發受多方面因素的影響，各種儀器的觀測結果均有差異。我國的水面蒸發觀測，通常是以標尺、測針、專用量杯或稱重等方法，測量一定容器內水面高度及間隔一定時間的變化，用以表示該時間內的蒸發量。這種觀測方式，因手工操作，不便於測量，且人為誤差較大。E601型蒸發器，使用測針觀測，由於近地面作業，操作不便，雖有《觀測規範》的約束，但在操作方法上，卻因人而異，造成更大的誤差。尤其是遇上風雨天，因水面波動，測針尖接觸水面時斷時續，以至使測讀發生困難。

近年來，在氣象業務現代化迅速發展的形勢下，觀測人員普遍呼籲觀測自動化，曾多次反映要求改善現有水面蒸發觀測狀況。為了改善蒸發的觀測現狀，研究者研製了袖珍式電子蒸發計。

工作原理

將水面感測器設定在蒸發桶壁的內側或外側，用連通管把蒸發桶和水面感測器溝通。在水面感測器的底部安裝超音波壓電陶瓷換能器，即探頭。用電纜把探頭同計測電路連線起來。由計測電路產生電脈衝，並加到超音波換能器上;換能器把電脈衝變換為超聲脈衝，向水中發射，並往水面方向傳播，傳至水面時發生反射，返回的超聲脈衝又被換能器接收，轉變為電脈衝，送到計測電路。

以上是運用時間放大措施，降低電路的工作速度和進行溫度補償的原理。而實際上的觀測操作卻是相當簡便的，只需調整讀數顯示為校正值，隨後按動按鈕，便可顯示出欲測的水面高度值。

計測框圖

由主振產生的方波來決定測量的周期。每次測量時，首先由主控器輸出的方波將時間方波發生器復原，並由發射電路產生髮射脈衝，加到超音波換能器上。換能器一方面將電脈衝變換為超聲脈衝波，另一方面又將反射的超聲脈衝波變換為電脈衝，並加到接收放大器上。被放大後的電脈衝作用於時間方波發生器，從而產生脈衝寬度為t的時間方波。時間七便相當於超聲脈衝波往返於水面高度h的時間。由時間放大器將時間t放大K倍，然後去控制時標發生器，使它在時間Kt內，產、生時標t隨後再將時標脈衝送到計數器，最後由顯示器顯示出被測水面的高度值m來。

時間方波發生器在主控器的作用下，復原為低電平。

主控器的設計，保證了在主控脈衝作用時間內，不允許時間方波發生器翻轉為高電平，這就保證了只能是第一個接收脈衝的前沿起作用，從而使時間測量不受其它脈衝或雜波的干擾。因此做到了測時的可靠性。此外，在調試過程中，利用主控器可進行起點調節，以便調定校正讀數。

為了在觀測時穩定讀數，專門設計了取樣顯示分頻器。為了減少能耗，設計了消隱電路，在取樣顯示的時間內，有一半的時間是使數碼管處於消隱的狀態。實驗證明，消隱後，亮度穩定，不影響測讀。

誤差分析

對比試驗

(1)兩台電子蒸發計分別為861號機和862號機;原E601型蒸發器測針和本機的水面感測器，均置於器口面積為3000cmE的蒸發桶之外;減水時間間隔為2分鐘以上，均取模擬蒸發量。

試驗方式分為兩種。其一是有5級模擬吹風水面波動情況下的觀測;其二是無風水面平靜情況下的觀測。

(2)觀測結果對比分析

①在有風吹水面情況下，兩台電子蒸發計的觀測數據，每次誤差保持在±0.1mm之內，說明兩機的計測精度相同。它們同測針的觀測數據相差很大，最大已超出1mm水面高度。

②水面波動較大時，測針尖接觸水面時斷時續，只能在斷續的平均狀態下測讀，因此測讀誤差較大。而在這種情況下，兩台電子蒸發計的顯示數卻相當穩定。

③在水面靜止的情況下觀測，兩台電子蒸發計的觀測數據基本相同(具有±0.1mm誤差)。而此時測針的觀測數據的誤差卻較大，多次出現觀測值為0的情況，即模擬蒸發量較小時，用測針觀測不出數據來。說明測針的觀測誤差較大(誤差大於0. 5mm水高)。

誤差

(1)每次加水由於天平感量誤差帶來的高度計算誤差為：△h=0. 2 (mm水高)。

(2)每次加水損失和水面感測器內徑的加工誤差兩者共估計為0.2mm(水高)，方和根誤差為0. 32mm(水高)。

(3)電子蒸發計每次測量誤差估計為0.1mm(水高)。總的測量誤差方和根誤差為0. 32mm(水高)。

總之，根據以上誤差分析看出，兩實測數據，符合方和根誤差合成的計算結果。

FFZ-01型數字水面蒸發計

FFZ-01型數字水面蒸發計由蒸發桶（池）和數字式水面蒸發感測器為蒸發量觀測器具，以專用採集控制器採集處理蒸發數據並完成蒸發器自動補排水控制，實現水面蒸發過程的高精度實時線上測量。

本儀器的蒸發感測器採用分辨力為0.1mm的信源數字編碼型感測器，在高溫、高濕、風浪、沙塵環境下能穩定、可靠地工作。

結構、工作原理

FFZ-01型數字水面蒸發計由蒸發桶、水圈、連通管、水位編碼器、浮子、測纜、平衡錘、靜水桶、圓形支板、調水平裝置、自動補排水裝置、採集控制器（以下簡稱採集器）等組成。安裝時將蒸發桶、連通管、靜水桶組成連通器；水位編碼器、採集器、調平衡裝置水平安裝在靜水筒的圓形支板上；浮子、測纜、平衡錘纜分別懸掛在水位編碼器的測輪圓周的兩個凹槽內，浮子安裝在靜水桶內。當蒸發桶中的水面蒸發引起水位下降時，靜水桶中的水面同步下降，浮子即拉動測纜帶動測輪和編碼器旋轉，編碼器即可輸出與水面下降量相對應的編碼數據。採集器通過採集對應時段範圍內的水位變化量，計算出時段水面蒸發量。

本儀器裝有不鏽鋼防風、防塵外罩，靜水桶採用了和蒸發桶同樣的半埋式結構，以儘量保證了靜水桶和蒸發桶中的水溫一致，使感測器能在惡劣的室外環境下可靠地工作。

對於FFZ-01型數字水面蒸發計而言，蒸發桶的直徑為Φ612mm，其面積為3000cm2，靜水桶工作區段直徑為Φ240mm，面積為453.27cm2，當蒸發桶中的蒸發量為0.1mm時（即相當於從蒸發桶中取出30ml水時）浮子感測到的水位變化量△h只有0.086896㎜。其中，△h= S1/（S0 + S1） =457.27/（3000+453.27） =0.086896(mm)。式中：S0=3000cm2S1=πr2 =3.1416×(12cm)2 =453.27cm2。

因此，用螺旋測針在本蒸發桶中人工測量的數據與本數字蒸發計測量到的數據相對比時，應將人工測針測量數值除以0.086896才是實際蒸發量。

使用方法

FFZ-01型數字水面蒸發計與20平方米蒸發池配套使用時，因為感測器靜水桶的面積只有蒸發池面積2.4‰，可以基本上不考慮靜水桶與蒸發池之間水體的交換的影響。可以用連通管直接與蒸發池相連線，或者將蒸發感測器的靜水桶安裝在20平方米的蒸發池中使用（與20m2蒸發池配套使用時，應配套相應直徑的測輪，在訂貨時應加以補充說明）。

FFZ-01型數字水面蒸發計工作時，當蒸發桶（池）中的水位低到某一預定值時，採集控制器啟動補水裝置予以補水。當有降雨時，當蒸發桶（池）中的水位上升到某一預定高度時，通過採集控制器可以啟動排水裝置予以排水。靜水桶中的水位數值始終可以受到監控。

注意事項

使用本蒸發計，只能準確測量非降水時段的水面蒸發量。如欲測量包括降雨期內的日蒸發量，依照國家水文局和國家氣象局的要求，還必須配置分辨力為0.1mm的高精度雨量計〔其測量誤差≤(1～2)%〕等相關裝置才能實現。

技術參數

1蒸發量量測分辨力：0.1mm；

2蒸發量量測精度：蒸發量≤10mm，測量誤差：≤±0.3mm；

蒸發量>10mm，測量誤差：≤±(0.3mm+1%F.S))；

3蒸發量量測範圍：不小於20mm；

4輸出接口：RS-485；

5電源電壓：12V/DC（-5%~+25%）；

6環境溫度：0℃~+55℃；

7儲存溫度：-10℃~+60℃。

延伸內容

在植物生態學中所使用的蒸發計比氣象學上所使用的裝置小，便於移動和安裝。例如Dietrich蒸發計是直徑13厘米、高4厘米的水盤形，是裡面鍍錫的銅製品。根據1厘米水深重量的減少來求算蒸發量。最近經常使用的piche蒸發計，是把裝滿水的試管狀的玻璃管，倒置於圓形濾紙的中央，根據管內水位的降低，就可以求出蒸發量。