AG2型超聲蒸發(fā)傳感器現(xiàn)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(fā)是重要的物理現(xiàn)象之一，對調(diào)節(jié)大氣溫度、增加空氣濕度等具有重要作用[1]。氣象部門先后在國家基準氣候站啟用了基于 E601B型蒸發(fā)桶的AG1和AG2型超聲波蒸發(fā)傳感器，用于測量水位和蒸發(fā)量。隨著新型自動氣象站的業(yè)務運轉(zhuǎn)，現(xiàn)用的超聲波蒸發(fā)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(fā)傳感器(簡稱AG2型蒸發(fā)傳感器)校準規(guī)程尚未有準確依據(jù)，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(fā)傳感器觀測數(shù)據(jù)進行了分析，未明確校準方法。王毛翠[6]等針對測量環(huán)境研究的AG2型蒸發(fā)傳感器校準方法給出了修訂系數(shù)，未考慮臺站地面綜合觀測業(yè)務軟件硬件存在的誤差。

文章基于現(xiàn)有AG2型蒸發(fā)傳感器，進行現(xiàn)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(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)超聲波測距原理，將探頭至水面的距離轉(zhuǎn)換為電流信號輸出，再將電流信號轉(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(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，零點位置發(fā)生變化，因此JJG(氣象)006-2011《自動氣象站蒸發(fā)傳感器》的部分內(nèi)容對于 AG2型蒸發(fā)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(fā)傳感器的現(xiàn)場校準方法。

2.1 校準條件

在現(xiàn)場校準工作開展前，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(wěn)固，無虛接。

2.2 校準點選擇

AG2型蒸發(fā)傳感器的測量范圍：0～98.1 mm。校準點的選擇要在該區(qū)間內(nèi)。參照JJG(氣象)006-2011《自動氣象站蒸發(fā)傳感器》檢定規(guī)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(fā)傳感器為被檢樣本。為避免蒸發(fā)桶的拆卸，在校準過程中配備1套經(jīng)過檢定的標準AG2型蒸發(fā)傳感器對被測AG2型蒸發(fā)傳感器進行檢測。采用標準蒸發(fā)桶與被測AG2型蒸發(fā)傳感器匹配，檢測在用被測蒸發(fā)傳感器探頭的誤差；采用標準AG2型蒸發(fā)傳感器探頭與被測蒸發(fā)桶匹配，檢測在用被測蒸發(fā)傳感器探頭的誤差。

數(shù)據(jù)讀取過程中，標準模塊組為中環(huán)天儀生產(chǎn)的JBZ1型蒸發(fā)校準模塊。現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(fā)量；二是通過業(yè)務平臺直接讀取蒸發(fā)量。

2.4 示值誤差計算

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(fā)傳感器相對誤差

(3)

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

3 實驗結(jié)果

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

3.1 數(shù)據(jù)準確度分析

1)標準蒸發(fā)桶檢測被測AG2型蒸發(fā)傳感器

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對比分析得出，萬用表測量讀取數(shù)值和業(yè)務軟件平臺讀取數(shù)值相比，前者更接近實際數(shù)值。

2)標準AG2型蒸發(fā)傳感器探頭檢測被測蒸發(fā)桶

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對比分析得出，萬用表測量讀取數(shù)值和業(yè)務軟件平臺讀取數(shù)值相比，前者更接近實際數(shù)值。

3)被檢蒸發(fā)傳感器示值誤差

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

3.2 檢測速度分析

1)標準蒸發(fā)桶檢測被測AG2型蒸發(fā)傳感器

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

2)標準AG2型蒸發(fā)傳感器探頭檢測被測蒸發(fā)桶

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

4 結(jié)束語

文章通過設計的現(xiàn)場校準方法進行現(xiàn)場實驗，實驗結(jié)果表明，萬用表檢測方法的檢測時間較短，數(shù)據(jù)準確度較高，為自動氣象站蒸發(fā)傳感器檢定規(guī)程修訂提供了理論支撐。為便于采用萬用表檢測數(shù)據(jù)，建議全省蒸發(fā)傳感器采用接線盒接線。隨著科學技術(shù)的不斷進步，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)傳感器的自動校準裝置及校準方法是今后研究的方向。