魏邦憲，王曉雷，楊云蕓，蘇軍鋒，楊 彬，苗 婷

(1.隴南市氣象局，隴南 746000；2.湖南省氣象臺，長沙 410118；3.靖遠(yuǎn)縣氣象局，白銀 730600)

0 引言

現(xiàn)階段，中國氣象部門多采用稱重式降水傳感器來實現(xiàn)固態(tài)降水自動化觀測[1-3]。湖南省主要使用DSC3 型稱重式降水傳感器，該儀器運行可靠性較高，是當(dāng)前先進的固態(tài)降水自動化觀測儀器，高質(zhì)量的觀測資料可以滿足冬季降水量預(yù)報和服務(wù)需求[4]。目前中國尚未制定對稱重式降水傳感器的校準(zhǔn)方法。精準(zhǔn)客觀的降水資料將為氣象防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力保障，因此，對稱重式降水傳感器進行校準(zhǔn)是刻不容緩的，文章結(jié)合實際情況，探討了對DSC3 型稱重式降水傳感器進行現(xiàn)場校準(zhǔn)的方法。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

DSC3型稱重式降水傳感器由載荷元件、數(shù)據(jù)處理單元和外圍組件組成。

載荷元件基于電阻應(yīng)變技術(shù)：敏感梁在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生形變，其阻值隨之發(fā)生變化，再經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電信號，進而得到重量，載荷元件通過對重量變化的快速響應(yīng)測量降水。

數(shù)據(jù)處理單元主要功能是將載荷元件測得的電信號數(shù)值傳到運算器中，運算器經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化為以mm為單位的降水。再通過對環(huán)境場溫度的修正以及對風(fēng)和其他因素引起的擾動進行判斷、運算和處理得到準(zhǔn)確的降水量[5]。

2 稱重式雨量傳感器測量技術(shù)難點

1)由于目前沒有對稱重式雨量傳感器的校準(zhǔn)方法，一般采用人工向量杯中手動注水，注水量受量杯及視覺影響存在誤差，同時人為流量控制相差甚大，無法達到中國氣象局下發(fā)的《自動氣象站現(xiàn)場校準(zhǔn)方法(試行)》文件中“以1 mm/min及4 mm/min降水強度分別向雨量傳感器注水校準(zhǔn)”的要求。

2)在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：一次降水過程結(jié)束后，稱重式和翻斗式雨量傳感器所測得的降水量存在不一致的現(xiàn)象，無法判斷各傳感器的測量準(zhǔn)確性。

3)春季一次微量降水過程，翻斗式雨量傳感器有0.1 mm的降水量，而稱重式雨量傳感器無降水量；無法判斷真實的降水量是否達到0.1 mm。

3 實驗設(shè)備與問題解決方法

設(shè)備選用原則：攜帶方便、精準(zhǔn)度高、優(yōu)先選擇已有設(shè)備。

選用設(shè)備：標(biāo)準(zhǔn)球(JJS2雨量校準(zhǔn)裝置)、標(biāo)準(zhǔn)量杯、精密電子分析天平(分辨力0.01 mg)、多功能折疊梯等。

在收集容器中加入水，當(dāng)收集容器中水位線處于不同位置時對其進行校準(zhǔn)，文章選取收集容器中水位線處于0 mm、170 mm和340 mm 3個點作為校準(zhǔn)點對其進行校準(zhǔn)；

校準(zhǔn)過程分為以下兩步：

1)模擬0.1 mm的降水量(雨強<0.1 mm/min)，觀察傳感器是否有0.1 mm的降水量；

2)采用JJS2雨量校準(zhǔn)裝置模擬雨強為1 mm/min、4 mm/min時的降水，分別對雨量傳感器進行校準(zhǔn)。

4 校準(zhǔn)方法

4.1 校準(zhǔn)前準(zhǔn)備

1)校準(zhǔn)時的天氣條件選擇：溫度：5～40 ℃，風(fēng)速≤5 m/s，天氣狀況：晴或多云。

2)在進行現(xiàn)場校準(zhǔn)前，首先檢查雨量傳感器的外觀，使用游標(biāo)卡尺分別在傳感器承水口的3個位置(互為120°)上測量其內(nèi)徑，測量結(jié)果保留2位小數(shù)，記錄到校準(zhǔn)記錄表中。

3)將雨量傳感器的電源及數(shù)據(jù)通信線路斷開，將載荷元件、收集容器等清洗干凈。

4.2 校準(zhǔn)方法

1)將筆記本電腦與設(shè)備的RS-232 端口用串口線連接，傳感器通電，利用計算機的超級終端或串口調(diào)試助手等軟件，按照設(shè)備的波特率設(shè)置，發(fā)送DMPR命令(如使用串口調(diào)試助手可設(shè)置定時發(fā)送“60，000 ms/次”，每分鐘會自動發(fā)送命令)，軟件中就會顯示當(dāng)前分鐘記錄。

2)模擬0.1 mm的降水量(雨強<0.1 mm/min)對雨量傳感器進行校準(zhǔn)：雨量傳感器初始化后，使用精密電子分析天平稱取31，416 mg(0.1 mm降水)的純凈水，使用醫(yī)用輸液器控制流量在3～5 min內(nèi)勻速滴入承水口，通過串口調(diào)試助手查看分鐘降水量并記錄，重復(fù)測定3次。

3)將多功能折疊梯折疊成橋型放置在雨量傳感器正上方距承水口1 cm處，調(diào)整水平面為水平狀態(tài)后將準(zhǔn)備好的JJS2雨量校準(zhǔn)儀水平放置在承水口上方，出水口不可以被梯子的橫條擋住。

4)按照雨量校準(zhǔn)儀的使用方法，對傳感器分別進行1 mm/min和4 mm/min雨強的校準(zhǔn)過程，重復(fù)測定3次。

5)每次校準(zhǔn)結(jié)束后等待3～5 min，通過串口調(diào)試助手查看分鐘降水量的總和并記錄。

6)計算兩種降水強度的測量誤差值ΔR(修約到小數(shù)點后1位)作為雨量的校準(zhǔn)結(jié)果。并判斷兩種降水強度的測量誤差值ΔR是否符合規(guī)范要求。

ΔR=Rj-Rb

(1)

式中：Rj—被校雨量傳感器3次雨量示值的平均值；Rb—標(biāo)準(zhǔn)球的標(biāo)準(zhǔn)值；

7)斷開傳感器電源，向收集容器中加入約3.5 L的水，使收集容器中水位線處于170 mm處，重復(fù)1)～6)過程，對傳感器再次進行校準(zhǔn)。采用同樣的方法對收集容器中水位線處于340 mm處時進行校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)結(jié)束后，斷開雨量傳感器電源，清空收集容器內(nèi)的水，并將雨量傳感器的數(shù)據(jù)通信線路恢復(fù)到正常狀態(tài)后再重新給雨量傳感器供電。

注意事項：每次校準(zhǔn)過程均不能在1 min內(nèi)完成，應(yīng)當(dāng)待串口助手顯示的分鐘降水量為0時，開始校準(zhǔn)并累計此次校準(zhǔn)過程的分鐘降水量作為此次校準(zhǔn)的雨量示值。

5 應(yīng)用實例

根據(jù)校準(zhǔn)方法，在武都觀測站和隴南市觀測站分別對稱重式降水傳感器進行了現(xiàn)場校準(zhǔn)，校準(zhǔn)記錄和誤差統(tǒng)計分別如表1和表2所示。

表1 武都觀測站校準(zhǔn)記錄

表2 隴南市稱重式雨量傳感器誤差統(tǒng)計

6 結(jié)束語

通過上面的實例發(fā)現(xiàn)，同一個傳感器在3個校準(zhǔn)點不同雨強的誤差相同，收集容器中水位線不同時都能夠精準(zhǔn)識別雨強<0.1 mm/min的降水。經(jīng)過對隴南市9個稱重式降水傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果統(tǒng)計分析得出結(jié)論：校準(zhǔn)稱重式降水傳感器與收集容器水位無關(guān)，可在任意水位按校準(zhǔn)方法中1)～6)步驟進行校準(zhǔn)，并且不同的降水強度其誤差穩(wěn)定不變，校準(zhǔn)后所得誤差可作為系統(tǒng)誤差。

翻斗式雨量傳感器在校準(zhǔn)實踐中發(fā)現(xiàn)將其小雨強的誤差調(diào)整為0時，大雨強仍然存在誤差(一般雨量示值偏小)，所以稱重式雨量傳感器較翻斗式雨量傳感器更加精準(zhǔn)可靠。