AG2型超聲蒸發傳感器現場校準方法研究

王 旭，孫文博，沈天舒，王雪松，張昊喆

(吉林省氣象探測保障中心，長春 130062)

0 引言

蒸發是重要的物理現象之一，對調節大氣溫度、增加空氣濕度等具有重要作用[1]。氣象部門先后在國家基準氣候站啟用了基于 E601B型蒸發桶的AG1和AG2型超聲波蒸發傳感器，用于測量水位和蒸發量。隨著新型自動氣象站的業務運轉，現用的超聲波蒸發傳感器臨近校準期限，但在實際計量校準工作中，AG2型超聲波蒸發傳感器(簡稱AG2型蒸發傳感器)校準規程尚未有準確依據，如何正確應用和校準該傳感器成為亟待解決的問題[2-4]。

劉宗慶[5]等對兩種蒸發傳感器觀測數據進行了分析，未明確校準方法。王毛翠[6]等針對測量環境研究的AG2型蒸發傳感器校準方法給出了修訂系數，未考慮臺站地面綜合觀測業務軟件硬件存在的誤差。

文章基于現有AG2型蒸發傳感器，進行現場實驗方法研究，明確校準方法，對提高測量準確度和校準規程的修訂具有重要意義。

1 工作原理

超聲波蒸發傳感器是根據超聲波測距原理，將探頭至水面的距離轉換為電流信號輸出，再將電流信號轉換為蒸發量[7]。AG2型蒸發傳感器在AG1型超聲波蒸發傳感器基礎上做出了一些改進。其由超聲波傳感器、不銹鋼測量筒、百葉箱以及鋁塑管、管件等部分組成。黃線、紅線、白線分別代表信號線、電源正極線、地線。

2 校準方法研究

AG2型蒸發傳感器與 AG1型蒸發傳感器相比，其不銹鋼圓筒的高度較低，零點位置發生變化，因此JJG(氣象)006-2011《自動氣象站蒸發傳感器》的部分內容對于 AG2型蒸發傳感器不再適用。下面闡述新型自動氣象站中AG2型超聲波蒸發傳感器的現場校準方法。

2.1 校準條件

在現場校準工作開展前，要做好前提工作：一是保證蒸發傳感器整潔，外觀良好，不能出現腐蝕、變形等現象；二是標準設備和被測設備都要進行預熱，一般不低于10 min；三是要認真檢查各連接線，要求連接穩固，無虛接。

2.2 校準點選擇

AG2型蒸發傳感器的測量范圍：0～98.1 mm。校準點的選擇要在該區間內。參照JJG(氣象)006-2011《自動氣象站蒸發傳感器》檢定規程，選取校準點0 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、90 mm。

2.3 示值誤差校準

以吉林省自動氣象站的蒸發傳感器為被檢樣本。為避免蒸發桶的拆卸，在校準過程中配備1套經過檢定的標準AG2型蒸發傳感器對被測AG2型蒸發傳感器進行檢測。采用標準蒸發桶與被測AG2型蒸發傳感器匹配，檢測在用被測蒸發傳感器探頭的誤差；采用標準AG2型蒸發傳感器探頭與被測蒸發桶匹配，檢測在用被測蒸發傳感器探頭的誤差。

數據讀取過程中，標準模塊組為中環天儀生產的JBZ1型蒸發校準模塊。現場數據讀取采用兩種方式：一是通過萬用表檢測電流信號后換算為蒸發量；二是通過業務平臺直接讀取蒸發量。

2.4 示值誤差計算

1)電流與高度關系

h=6.13125×(20-I)

(1)

式中，h為水位高度；I為電流值。

2)各校準點的相對誤差

(2)

式中，Δh′為相對誤差值；h為高度示值；h0為零位值；hs為標準高度值。

3)被測蒸發傳感器相對誤差

(3)

式中，Δh為被檢蒸發傳感器的相對誤差值；Δh0為標準蒸發傳感器的相對誤差值。

3 實驗結果

為了驗證現場校準方法的可行性，選擇長春市綠園區氣象站、通化市氣象站、臨江氣象站、長白山池北區氣象站、和龍市氣象站5個地點進行現場校準實驗。

3.1 數據準確度分析

1)標準蒸發桶檢測被測AG2型蒸發傳感器

根據檢測數據對比分析得出，萬用表測量讀取數值和業務軟件平臺讀取數值相比，前者更接近實際數值。

2)標準AG2型蒸發傳感器探頭檢測被測蒸發桶

根據檢測數據對比分析得出，萬用表測量讀取數值和業務軟件平臺讀取數值相比，前者更接近實際數值。

3)被檢蒸發傳感器示值誤差

根據公式(2)、(3)，計算得出5個地點的超聲波蒸發傳感器的實際相對誤差、萬用表讀數相對誤差及業務軟件讀數相對誤差。同實際相對誤差進行比較，利用數字萬用表讀取測量值的相對誤差優于通過臺站地面綜合觀測業務軟件獲取的相對誤差。

3.2 檢測速度分析

1)標準蒸發桶檢測被測AG2型蒸發傳感器

從時間對比可以看出，標準蒸發桶檢測被測AG2型蒸發傳感器過程，利用數字萬用表讀取時間明顯少于臺站地面綜合觀測業務軟件的讀取時間。

2)標準AG2型蒸發傳感器探頭檢測被測蒸發桶

從時間對比可以看出，標準AG2型蒸發傳感器探頭檢測被測蒸發桶過程，利用數字萬用表讀取時間明顯少于臺站地面綜合觀測業務軟件的讀取時間。

4 結束語

文章通過設計的現場校準方法進行現場實驗，實驗結果表明，萬用表檢測方法的檢測時間較短，數據準確度較高，為自動氣象站蒸發傳感器檢定規程修訂提供了理論支撐。為便于采用萬用表檢測數據，建議全省蒸發傳感器采用接線盒接線。隨著科學技術的不斷進步，如何降低人工及環境等因素的影響值得深入研究，蒸發傳感器的自動校準裝置及校準方法是今后研究的方向。