AG2型超聲蒸發(fā)傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)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(cè)保障中心，長(zhǎng)春 130062)

0 引言

蒸發(fā)是重要的物理現(xiàn)象之一，對(duì)調(diào)節(jié)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(guó)家基準(zhǔn)氣候站啟用了基于 E601B型蒸發(fā)桶的AG1和AG2型超聲波蒸發(fā)傳感器，用于測(cè)量水位和蒸發(fā)量。隨著新型自動(dòng)氣象站的業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)用的超聲波蒸發(fā)傳感器臨近校準(zhǔn)期限，但在實(shí)際計(jì)量校準(zhǔn)工作中，AG2型超聲波蒸發(fā)傳感器(簡(jiǎn)稱AG2型蒸發(fā)傳感器)校準(zhǔn)規(guī)程尚未有準(zhǔn)確依據(jù)，如何正確應(yīng)用和校準(zhǔn)該傳感器成為亟待解決的問(wèn)題[2-4]。

劉宗慶[5]等對(duì)兩種蒸發(fā)傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，未明確校準(zhǔn)方法。王毛翠[6]等針對(duì)測(cè)量環(huán)境研究的AG2型蒸發(fā)傳感器校準(zhǔn)方法給出了修訂系數(shù)，未考慮臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件硬件存在的誤差。

文章基于現(xiàn)有AG2型蒸發(fā)傳感器，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法研究，明確校準(zhǔn)方法，對(duì)提高測(cè)量準(zhǔn)確度和校準(zhǔn)規(guī)程的修訂具有重要意義。

1 工作原理

超聲波蒸發(fā)傳感器是根據(jù)超聲波測(cè)距原理，將探頭至水面的距離轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出，再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)量[7]。AG2型蒸發(fā)傳感器在AG1型超聲波蒸發(fā)傳感器基礎(chǔ)上做出了一些改進(jìn)。其由超聲波傳感器、不銹鋼測(cè)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(hào)線、電源正極線、地線。

2 校準(zhǔn)方法研究

AG2型蒸發(fā)傳感器與 AG1型蒸發(fā)傳感器相比，其不銹鋼圓筒的高度較低，零點(diǎn)位置發(fā)生變化，因此JJG(氣象)006-2011《自動(dòng)氣象站蒸發(fā)傳感器》的部分內(nèi)容對(duì)于 AG2型蒸發(fā)傳感器不再適用。下面闡述新型自動(dòng)氣象站中AG2型超聲波蒸發(fā)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法。

2.1 校準(zhǔn)條件

在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作開(kāi)展前，要做好前提工作：一是保證蒸發(fā)傳感器整潔，外觀良好，不能出現(xiàn)腐蝕、變形等現(xiàn)象；二是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和被測(cè)設(shè)備都要進(jìn)行預(yù)熱，一般不低于10 min；三是要認(rèn)真檢查各連接線，要求連接穩(wěn)固，無(wú)虛接。

2.2 校準(zhǔn)點(diǎn)選擇

AG2型蒸發(fā)傳感器的測(cè)量范圍：0～98.1 mm。校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇要在該區(qū)間內(nèi)。參照J(rèn)JG(氣象)006-2011《自動(dòng)氣象站蒸發(fā)傳感器》檢定規(guī)程，選取校準(zhǔn)點(diǎn)0 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、90 mm。

2.3 示值誤差校準(zhǔn)

以吉林省自動(dòng)氣象站的蒸發(fā)傳感器為被檢樣本。為避免蒸發(fā)桶的拆卸，在校準(zhǔn)過(guò)程中配備1套經(jīng)過(guò)檢定的標(biāo)準(zhǔn)AG2型蒸發(fā)傳感器對(duì)被測(cè)AG2型蒸發(fā)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。采用標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)桶與被測(cè)AG2型蒸發(fā)傳感器匹配，檢測(cè)在用被測(cè)蒸發(fā)傳感器探頭的誤差；采用標(biāo)準(zhǔn)AG2型蒸發(fā)傳感器探頭與被測(cè)蒸發(fā)桶匹配，檢測(cè)在用被測(cè)蒸發(fā)傳感器探頭的誤差。

數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)模塊組為中環(huán)天儀生產(chǎn)的JBZ1型蒸發(fā)校準(zhǔn)模塊。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)讀取采用兩種方式：一是通過(guò)萬(wàn)用表檢測(cè)電流信號(hào)后換算為蒸發(fā)量；二是通過(guò)業(yè)務(wù)平臺(tái)直接讀取蒸發(fā)量。

2.4 示值誤差計(jì)算

1)電流與高度關(guān)系

h=6.13125×(20-I)

(1)

式中，h為水位高度；I為電流值。

2)各校準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)誤差

(2)

式中，Δh′為相對(duì)誤差值；h為高度示值；h0為零位值；hs為標(biāo)準(zhǔn)高度值。

3)被測(cè)蒸發(fā)傳感器相對(duì)誤差

(3)

式中，Δh為被檢蒸發(fā)傳感器的相對(duì)誤差值；Δh0為標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)傳感器的相對(duì)誤差值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法的可行性，選擇長(zhǎng)春市綠園區(qū)氣象站、通化市氣象站、臨江氣象站、長(zhǎng)白山池北區(qū)氣象站、和龍市氣象站5個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度分析

1)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)桶檢測(cè)被測(cè)AG2型蒸發(fā)傳感器

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，萬(wàn)用表測(cè)量讀取數(shù)值和業(yè)務(wù)軟件平臺(tái)讀取數(shù)值相比，前者更接近實(shí)際數(shù)值。

2)標(biāo)準(zhǔn)AG2型蒸發(fā)傳感器探頭檢測(cè)被測(cè)蒸發(fā)桶

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，萬(wàn)用表測(cè)量讀取數(shù)值和業(yè)務(wù)軟件平臺(tái)讀取數(shù)值相比，前者更接近實(shí)際數(shù)值。

3)被檢蒸發(fā)傳感器示值誤差

根據(jù)公式(2)、(3)，計(jì)算得出5個(gè)地點(diǎn)的超聲波蒸發(fā)傳感器的實(shí)際相對(duì)誤差、萬(wàn)用表讀數(shù)相對(duì)誤差及業(yè)務(wù)軟件讀數(shù)相對(duì)誤差。同實(shí)際相對(duì)誤差進(jìn)行比較，利用數(shù)字萬(wàn)用表讀取測(cè)量值的相對(duì)誤差優(yōu)于通過(guò)臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件獲取的相對(duì)誤差。

3.2 檢測(cè)速度分析

1)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)桶檢測(cè)被測(cè)AG2型蒸發(fā)傳感器

從時(shí)間對(duì)比可以看出，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)桶檢測(cè)被測(cè)AG2型蒸發(fā)傳感器過(guò)程，利用數(shù)字萬(wàn)用表讀取時(shí)間明顯少于臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件的讀取時(shí)間。

2)標(biāo)準(zhǔn)AG2型蒸發(fā)傳感器探頭檢測(cè)被測(cè)蒸發(fā)桶

從時(shí)間對(duì)比可以看出，標(biāo)準(zhǔn)AG2型蒸發(fā)傳感器探頭檢測(cè)被測(cè)蒸發(fā)桶過(guò)程，利用數(shù)字萬(wàn)用表讀取時(shí)間明顯少于臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件的讀取時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，萬(wàn)用表檢測(cè)方法的檢測(cè)時(shí)間較短，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，為自動(dòng)氣象站蒸發(fā)傳感器檢定規(guī)程修訂提供了理論支撐。為便于采用萬(wàn)用表檢測(cè)數(shù)據(jù)，建議全省蒸發(fā)傳感器采用接線盒接線。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如何降低人工及環(huán)境等因素的影響值得深入研究，蒸發(fā)傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法是今后研究的方向。