地溫傳感器接線改進方法

廖 鑫，李生慧，徐澤東

(青海省大氣探測技術(shù)保障中心，西寧810000)

0 引言

自動氣象站是利用傳感器進行氣象觀測、記錄、編碼和發(fā)送數(shù)據(jù)的自動化設(shè)備，目前自動氣象站被廣泛應(yīng)用于地面氣象觀測中。地溫是地面氣象觀測中的一項觀測要素，地溫包括地表溫度、淺層地溫和深層地溫，測量深度分別為地表、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、80 cm、160 cm和320 cm，1套自動氣象站需配備9支地溫傳感器。地溫傳感器的感溫元件為鉑電阻，利用鉑電阻的電阻值能夠隨溫度變化的原理測量溫度。規(guī)范要求所有傳感器都要在觀測場地溝或管道中布線，最后接至采集器，但此項要求給傳感器的撤換、檢定及維護工作帶來了極大的不便，文章對此進行研究，并得出合理且便于實施的改進方法。改進前后分別對傳感器進行測溫實驗，比較并分析傳感器改進前后所測得的數(shù)據(jù)差異及傳感器的連續(xù)采集能力。

1 改進方法

按照GB/T 35233-2017《地面氣象觀測規(guī)范 地溫》中對淺層地溫傳感器的安裝要求，與各淺層地溫傳感器連接的電纜線埋入土中的長度不小于1 m。因此，當(dāng)傳感器損壞或者撤換檢定時，必須將舊傳感器連同電纜線一同從地溝或管道中抽出，再將新的傳感器安裝回原位置。由于地溝或管道內(nèi)有較多傳感器的電纜線且電纜線容易相互纏繞，給更換工作帶來了極大的不便，因此需將傳感器的電纜線進行裁剪。對裁剪過的電纜線線頭做進一步處理，制作成便于插拔且不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟孱^。自動氣象站所用的地溫傳感器采用四線制的測量方法，因此選用四芯的航空插頭對裁剪后的線頭兩端進行改造，形成便于維護、維修的插拔式插頭。

2 改進方法的可行性驗證

2.1 理論驗證

自動氣象站所用的地溫傳感器為Pt100型鉑電阻，通過測量其電阻值的變化來反映溫度的變化，采用四線恒流源電橋的測量方法，有效避免導(dǎo)線長度對其阻值的影響，具體測量方法如圖1所示。

圖1 測溫原理

圖中R0為標(biāo)準(zhǔn)電阻，R0=100 Ω，Rt為鉑電阻，測量V1、V2值即可求得Rt值：

Rt=R0×V1/V2

(1)

鉑電阻計算公式：

Rt=R0×(1+At+Bt2)

(2)

式(2)中，A為常數(shù)，其值為3.9083×10-3℃-1；B為常數(shù)，其值為-5.7750×10-7℃-2。

根據(jù)式(1)、(2)可以計算出溫度t的值，且溫度t的值只與V1和V2有關(guān)，而V1和V2分別為鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻在有恒流源A時兩端的電壓值，該電壓值在恒流條件下，只與電阻本身有關(guān)，并不受連接信號線的影響[1]。因此，對地溫傳感器導(dǎo)線進行裁剪并增加可插拔的航空插頭，并不影響鉑電阻自身電阻值的測量，對最終測算出的溫度值也無影響，此改進方法理論上是可行的。

2.2 實驗驗證

改進工作進行前后，分別隨機選取8支地溫傳感器對其測溫準(zhǔn)確度進行檢定，按照JJG(氣象)002-2015《自動氣象站鉑電阻溫度傳感器》檢定規(guī)程檢定，前后兩次檢定采用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和相同的檢定系統(tǒng)，且由相同的檢定人員進行操作，使兩次實驗的系統(tǒng)誤差無限接近，力求能真實反映傳感器改進前后的誤差變化。

3 實驗結(jié)果

3.1 誤差變化

對比改進前后傳感器所測數(shù)據(jù)的差異，主要分析兩組數(shù)據(jù)的誤差變化，誤差變化是指改進前后傳感器誤差值之差，能夠直接反映出改進前后傳感器的偏差(表1)。

表1 改進前后傳感器誤差差值 ℃

從表中數(shù)據(jù)可以看出：改進前后的傳感器誤差變化在±0.02 ℃范圍內(nèi)，變化范圍較小。且傳感器改造前后的測量結(jié)果均符合GB/T 35221-2017《地面氣象觀測規(guī)范 總則》中對自動氣象站地溫技術(shù)指標(biāo)的要求，表明此改進方法對傳感器測量準(zhǔn)確性的影響較小。

3.2 不確定度

測量不確定度是表征合理賦予被測量值的分散性與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。測量不確定度是一個能夠評定測量結(jié)果可信程度的參數(shù)，引入不確定度可以科學(xué)合理地對測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度作出評價[2]。不確定度越小，表示測量結(jié)果與真值相差越小，測量結(jié)果越可靠；反之，不確定度越大，測量結(jié)果與真值相差越大，其可靠性越差，則儀器的使用價值就越低。

此次實驗對選取的檢定點進行了4次誤差值的測量，因測量次數(shù)較少，根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》選用極差法計算實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s(x)，則A類不確定度uA為：

(3)

式(3)中，n為測量次數(shù)。根據(jù)式(3)，計算改進前后A類不確定度，見表2、表3。

表2 改進前A類不確定度 ℃

表3 改進后A類不確定度 ℃

改進前后均采用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和相同的檢定系統(tǒng)檢定，且由相同的檢定人員進行操作，因此改進前后B類不確定度是相同的，uB為0.03 ℃。將改進前后uA和uB代入式(4)，從而計算出擴展不確定度U為：

(4)

其中，k為包含因子，一般取2。

通過計算，改進前后傳感器測量結(jié)果的擴展不確定度U均為0.03 ℃，并未發(fā)生變化，且擴展不確定度值較小，表明其測量結(jié)果的可靠程度較高。

3.3 連續(xù)采集能力

連續(xù)采集能力是指傳感器改造后，能否連續(xù)采集觀測數(shù)據(jù)。衡量傳感器改進后的工作性能是否發(fā)生變化，通常采取兩種方式：一是在實驗室檢定時，觀察改進后的傳感器是否能夠正常采集與讀取數(shù)據(jù)；二是在改進后的試點臺站的地溫數(shù)據(jù)中隨機抽取2 d的單日數(shù)據(jù)，檢查是否存在分鐘數(shù)據(jù)缺測現(xiàn)象。經(jīng)檢查，改進后的傳感器能夠正常采集與讀取數(shù)據(jù)，且無分鐘數(shù)據(jù)缺測情況。由此證明，此改進方法對地溫傳感器的連續(xù)觀測能力沒有影響。

4 結(jié)束語

文章所采用的改進方法并未改變地溫傳感器的觀測性能，且有效縮短了地溫傳感器現(xiàn)場更換、維護的時間，減小了地溫場的施工創(chuàng)面，最大限度降低了對地溫場探測環(huán)境的破壞，縮短了地溫資料缺測的時間。同時極大提高了地溫傳感器實驗室檢定的效率，保障了地溫傳感器觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。