區(qū)域自動氣象站溫濕度傳感器現(xiàn)場核查與實驗室檢定對比分析

李生慧，安力珺，廖 鑫

(青海省大氣探測技術保障中心，西寧810000)

0 引言

隨著氣象探測技術的發(fā)展，自動氣象站已成為地面氣象觀測的主要設備。在國家級自動氣象站觀測站網的基礎上，全國各地建設了大量區(qū)域自動氣象站，從而形成網點式觀測站，以獲取更多、更詳細、更準確的地面氣象觀測資料，為氣象預報、農牧業(yè)和氣象防災減災等提供有力保障。為確保區(qū)域自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)準確、可靠且具有可比性，對其傳感器定期開展校準工作是非常必要的[1，2]。

區(qū)域自動氣象站占地面積小，為了節(jié)約成本，多選用溫濕一體的溫濕度傳感器測量溫度與濕度。文章重點探討區(qū)域自動氣象站溫濕度傳感器現(xiàn)場核查與實驗室檢定之間存在的差異，并分析現(xiàn)場核查方式的可靠性。

1 溫濕度傳感器的結構與測量原理

1.1 溫濕度傳感器的結構

溫濕度傳感器由測溫的鉑電阻與測濕的濕敏電容組裝而成。

1.2 溫濕度傳感器的測量原理

1)測溫原理

測溫元件是鉑電阻，金屬鉑具有電阻值隨著溫度的變化而變化的特點。當溫度上升時其電阻值升高，則鉑電阻具有正電阻溫度系數(shù)，其電阻R和溫度的變化關系式為：

R=R0(1+αT)

(1)

式中，α=0.0039；R0=100 Ω；T為溫度值[3]。

2)測濕原理

測量濕度的元件主要是采用有機感濕高分子膜作介質的濕敏電容器。當外界濕度發(fā)生變化時，感濕膜對水汽分子進行吸附和釋放，使介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使?jié)衩綦娙萘堪l(fā)生變化。濕敏電容量的變化，經過信號變換電路轉換，再經過運放電路進行放大處理，輸出電壓信號。當相對濕度由0%～100%變化時，信號變換電路輸出0～100 mV電壓，經放大后得到0～1 V的直流電壓輸出給數(shù)據(jù)采集器，經采集器處理后在顯示終端上顯示相對濕度[4]。

2 實驗操作

根據(jù)中國氣象局綜合觀測司試行的《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法》，溫度的核查點為常溫點，濕度的核查點為當前環(huán)境濕度，溫濕度的核查點數(shù)量均為1個。而根據(jù)實驗室檢定規(guī)程，溫度有4個檢定點，濕度有5個檢定點，為了能更好地分析現(xiàn)場核查與實驗室檢定間的差異，此次實驗現(xiàn)場核查與實驗室檢定均選用相同的檢定點：溫度檢定點為-20 ℃、0 ℃、+30 ℃，濕度檢定點為33%RH、55%RH、87%RH。實驗選取3支溫濕度傳感器分別進行現(xiàn)場核查和實驗室檢定，對比兩者數(shù)據(jù)間的差異，分析現(xiàn)場核查的可靠性。

2.1 溫度對比

首先進行溫度實驗，現(xiàn)場核查所使用的標準器是自校式鉑電阻溫度計，主要配套設備是干體爐。將標準溫度傳感器與被核查傳感器插入干體爐槽內的套筒中，設定干體爐工作溫度，當達到設定溫度并穩(wěn)定后方可讀數(shù)。實驗室檢定中使用的標準器是自校式鉑電阻溫度計，主要配套設備為恒溫槽。由于恒溫槽中介質為液體，因而需對傳感器進行防水處理，然后將標準溫度傳感器與被檢傳感器放入恒溫槽中，使二者的感溫部分盡可能處于同一水平面[5，6]。設定恒溫槽工作溫度，當達到設定溫度并穩(wěn)定后方可讀數(shù)。起始檢定點為0 ℃，0 ℃檢定點檢定完畢再依次進行-20 ℃和+30 ℃檢定點。現(xiàn)場核查誤差和實驗室檢定誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗室檢定與現(xiàn)場核查溫度誤差數(shù)據(jù)對比 ℃

2.2 濕度對比

濕度現(xiàn)場核查采用便攜式濕度發(fā)生器與參考標準器，將參考標準器和被檢傳感器放置于濕度發(fā)生器中，按核查點設定濕度發(fā)生器濕度，當濕度發(fā)生器的濕度達到設定值，并且濕度波動值為±1.5%RH時方可讀數(shù)。實驗室檢定采用精密露點儀與濕度發(fā)生器組成的檢定裝置。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗室檢定與現(xiàn)場核查濕度誤差數(shù)據(jù)對比 %RH

3 實驗數(shù)據(jù)分析

由表1可以得出，實驗室檢定數(shù)據(jù)與現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)之間有一定的差異，二者的誤差值相差0.08～0.16 ℃。經分析，出現(xiàn)差異的原因有兩個：一是現(xiàn)場核查時環(huán)境變化較大，對實驗數(shù)據(jù)產生一定的影響；二是干體爐以空氣為導熱介質，而實驗室恒溫槽以液體為導熱介質，因而干體爐的波動度與均勻度不如恒溫槽穩(wěn)定，干體爐的溫度波動較大，從而影響核查數(shù)據(jù)的準確性。

分析表2數(shù)據(jù)得出，實驗室檢定誤差與現(xiàn)場核查誤差間的差值為0.3%RH～7.0%RH。7.0%RH的差值出現(xiàn)在高濕點87%RH，其余兩個檢定點上二者相差不超過4%RH。探究其原因有兩點：一是核查的濕度發(fā)生器的波動度與均勻度較低，發(fā)生器腔體內濕度不均勻，且短時間內變化較大；二是參考標準精度低于露點儀，因而使用中需根據(jù)其檢定證書對參考標準的示值進行修正。表3為參考標準修正后的現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)與實驗室檢定數(shù)據(jù)對比，可見二者間的差值明顯縮小。

表3 參考標準修正后濕度誤差數(shù)據(jù)對比 %RH

4 結束語

區(qū)域自動氣象站的觀測資料在氣象預報、防災減災等領域占據(jù)越來越重要的地位，加強其傳感器的核查也是非常重要的。文章通過實驗，發(fā)現(xiàn)實驗室檢定與現(xiàn)場核查之間存在一定的差異，實驗室檢定的誤差小于現(xiàn)場檢查，但現(xiàn)場核查的方式能夠驗證傳感器的性能是否滿足要求。因此為了保證現(xiàn)場核查的效果，需注意以下兩點：一是溫濕度的現(xiàn)場核查應盡可能多選幾個核查點進行，1個核查點無法保證傳感器全量程內的合格；二是處理現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)時不可忽略對標準器示值的修正。