自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器校準(zhǔn)方法

韓廣魯，孫 嫣，任 燕，邊文超（山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，濟(jì)南 250031）

自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器校準(zhǔn)方法

韓廣魯，孫 嫣，任 燕，邊文超
（山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，濟(jì)南 250031）

摘要：總結(jié)了數(shù)據(jù)采集器校準(zhǔn)實(shí)踐工作的多年經(jīng)驗(yàn)，給出了自動(dòng)氣象站采集器的校準(zhǔn)方法、操作步驟及注意事項(xiàng)。并以使用JJQ1型信號(hào)模擬器校準(zhǔn)DT50采集器為例，介紹了示值校準(zhǔn)方法和流程，同時(shí)列舉了選用其他型號(hào)信號(hào)模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)方法，以及校準(zhǔn)新型自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器、校準(zhǔn)正在使用中的采集器等的注意事項(xiàng)，并給出了示值誤差的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站；數(shù)據(jù)采集器；信號(hào)模擬器；校準(zhǔn)方法

引言

對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行周期性校準(zhǔn)[1]，并根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果調(diào)整通道誤差或者更換采集器，是保證自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)工作[2]。從2010年以來山東省開展自動(dòng)站采集器現(xiàn)場校準(zhǔn)的結(jié)果來看，有大量的數(shù)據(jù)采集器模擬通道校準(zhǔn)結(jié)果誤差偏大[3]，通道誤差數(shù)值甚至超過相應(yīng)傳感器的允許誤差。2013年中國氣象局制定的《綜合氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》對(duì)氣象計(jì)量工作提出了明確的要求：要建立、完善直接觀測氣象要素的計(jì)量檢定和現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，嚴(yán)格計(jì)量檢定程序和技術(shù)要求，健全計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具和配套的檢定、校準(zhǔn)裝置，逐漸形成覆蓋所有地面氣象觀測裝備的計(jì)量能力，保證各類觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但在當(dāng)前的氣象計(jì)量工作中，尚缺少成熟的數(shù)據(jù)采集器校準(zhǔn)方法，因此，總結(jié)制定一套科學(xué)的、可操作性強(qiáng)的，適用于實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場校準(zhǔn)自動(dòng)氣象站或新型自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器的校準(zhǔn)方法成為當(dāng)務(wù)之急。

1 校準(zhǔn)原理

自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器是從傳感器或變送器等設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，由內(nèi)部的微處理器按規(guī)定算法進(jìn)行運(yùn)算處理和質(zhì)量控制，生成各氣象要素觀測值，再以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式將這些觀測值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，并能按規(guī)定響應(yīng)傳輸要求的設(shè)備。采集器通道是采集器輸入輸出信號(hào)的傳輸路徑，分為數(shù)字量采集通道和模擬量采集通道[4]。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集器通道示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)器是信號(hào)模擬器[5-6]，它是用于校準(zhǔn)自動(dòng)氣象站采集器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，它能夠高精度的模擬多種氣象要素傳感器的輸出信號(hào)。

根據(jù)被校準(zhǔn)采集器通道的信號(hào)類型、采集精度（準(zhǔn)確度等級(jí)）等選擇適用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬器?？梢赃x擇集成了多種要素類型的綜合型信號(hào)模擬器，也可以根據(jù)采集器各個(gè)通道的性能指標(biāo)，分別選擇相適應(yīng)的信號(hào)模擬器，如，溫度通道可以選擇高精度的固定無源電阻器作為標(biāo)準(zhǔn)器，但作為標(biāo)準(zhǔn)器的信號(hào)模擬器的準(zhǔn)確度等級(jí)要高于被校準(zhǔn)采集器。

2 校準(zhǔn)方法

2.1 外觀檢查

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集器時(shí)一般先進(jìn)行外觀檢查，外觀檢查符合要求的采集器才進(jìn)行示值誤差校準(zhǔn)。

外觀檢查的項(xiàng)目和要求包括：采集器應(yīng)有明顯的型號(hào)、出廠編號(hào)、生產(chǎn)廠家等標(biāo)志；外型結(jié)構(gòu)應(yīng)完好，表面不應(yīng)有明顯的凹跡、裂縫、變形等現(xiàn)象；涂層不應(yīng)起泡、龜裂和脫落；金屬件不應(yīng)有嚴(yán)重銹蝕及其它機(jī)械損傷；各通道傳感器連接線、通信線、電源線、太陽能連接線等的連接牢固可靠。

2.2 示值校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)工作要在滿足數(shù)據(jù)采集器和信號(hào)模擬器使用條件的環(huán)境中進(jìn)行。

以使用JJQ1型信號(hào)模擬器校準(zhǔn)DT50采集器為例，介紹示值校準(zhǔn)流程和方法。在開機(jī)前，將信號(hào)模擬器、采集器與校準(zhǔn)用電腦同時(shí)接地，校準(zhǔn)時(shí)，信號(hào)模擬器通常使用內(nèi)部電池供電，開機(jī)后根據(jù)需要預(yù)熱20min。校準(zhǔn)時(shí)，用通信線將采集器與電腦連接。在信號(hào)模擬器的電腦控制軟件中新建被校采集器信息，設(shè)置通信參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)模擬器、采集器與管理系統(tǒng)軟件之間的通信連接。關(guān)閉采集器電源，將信號(hào)模擬器信號(hào)輸出線與采集器對(duì)應(yīng)的輸入插孔連接，打開采集器電源開關(guān)，在信號(hào)模擬器的電腦控制軟件中選擇相應(yīng)通道，按表1選擇校準(zhǔn)點(diǎn)，發(fā)送命令，給采集器輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。經(jīng)充分穩(wěn)定后（每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定時(shí)間為3～10 min），即當(dāng)通道示值與設(shè)定校準(zhǔn)點(diǎn)值接近并在2～3 min內(nèi)保持不變后，使用信號(hào)模擬器的電腦控制軟件讀取數(shù)據(jù)。由于信號(hào)模擬器的輸出信號(hào)之間相互干擾，所以應(yīng)逐一開展各要素通道的校準(zhǔn)工作。所有通道校準(zhǔn)完成后，使用信號(hào)模擬器的電腦控制軟件處理并給出校準(zhǔn)證書。

表1　數(shù)據(jù)采集器各通道參考校準(zhǔn)點(diǎn)

在校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇中，各地也可根據(jù)所處的地理位置、海拔高度和氣象要素年極值等條件選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)。風(fēng)向校準(zhǔn)點(diǎn)是根據(jù)7位格雷碼的全“0”狀態(tài)和全“1”狀態(tài)確定的，解決了角度區(qū)間的缺測問題[7]。

使用其他類型如沒有配套管理軟件、只有單項(xiàng)或部分要素的信號(hào)模擬器校準(zhǔn)采集器時(shí)，可以使用信號(hào)模擬器的調(diào)節(jié)旋鈕或操作面板按鈕設(shè)定相應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)，充分穩(wěn)定后，使用采集器監(jiān)控軟件或采集器面板顯示器讀取通道示值結(jié)果，后將數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)記錄表中。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)連續(xù)讀取3次數(shù)據(jù)(降水?dāng)?shù)據(jù)僅記錄每分鐘的變化量)，讀數(shù)時(shí)間間隔不小于1 min。

對(duì)于新型自動(dòng)站采集器，如DZZ4型自動(dòng)氣象站，由于其采集系統(tǒng)是由主采集器、溫濕分采、地溫分采、輻射分采等組成的，且它們分散布置在觀測場中不同位置[8]，因此，校準(zhǔn)時(shí)就要采用對(duì)主采集器和分采集器進(jìn)行分別校準(zhǔn)的方法。

校準(zhǔn)正在使用中的采集器，還需做好下列準(zhǔn)備：選擇校準(zhǔn)時(shí)段應(yīng)避開整點(diǎn)、日極值等數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時(shí)間；先通知觀測人員斷開其自動(dòng)站監(jiān)控軟件，從采集器端斷開其數(shù)據(jù)通信線，再將采集器通信線與現(xiàn)場校準(zhǔn)用電腦連接；完成校準(zhǔn)后，斷開采集器與電腦間的通信線，連接好臺(tái)站觀測所用的通信線，通知觀測人員打開監(jiān)控軟件查看通信情況并及時(shí)處理因校準(zhǔn)產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。

對(duì)于可修改系統(tǒng)時(shí)間的采集器（如DT50）[9]，建議先修改其系統(tǒng)日期至距當(dāng)前時(shí)間1a以上的某一日，避免因校準(zhǔn)產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)殘留在采集器中影響當(dāng)前的整點(diǎn)或日極值等數(shù)據(jù)，完成校準(zhǔn)后再將系統(tǒng)日期修改回當(dāng)前日期。

3 示值誤差計(jì)算

被校采集器的讀數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值之差為通道示值誤差。

采集器某一通道在某一校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差計(jì)算公式如下：

（1）式中：

ΔX——各通道（如溫度）在某一校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差；

Xs——標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬器在該校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)稱值；

ΔXs——標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬器在該校準(zhǔn)點(diǎn)的修正值。

4 結(jié)語

從2003年開始，全國已經(jīng)建設(shè)了包括國家級(jí)和區(qū)域自動(dòng)站在內(nèi)的超過4萬臺(tái)自動(dòng)氣象站，多數(shù)區(qū)域自動(dòng)站尤其是數(shù)據(jù)采集器，從建站后就一直使用，從未校準(zhǔn)，使得觀測數(shù)據(jù)的可靠性無從可考。此文提出的采集器校準(zhǔn)操作方法及其注意事項(xiàng)適用于實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場校準(zhǔn)，是多年的采集器校準(zhǔn)實(shí)踐工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可為數(shù)據(jù)采集器計(jì)量校準(zhǔn)工作提供技術(shù)參考，保證氣象探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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作者簡介：韓廣魯（1985─），男，陜西銅川人，碩士，工程師，主要從事氣象計(jì)量工作。

收稿日期：2014-07-02

中圖分類號(hào)：P415.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1005–0582（2015）01–0057–03