廖 鑫，李生慧，徐澤東

(青海省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，西寧810000)

0 引言

自動(dòng)氣象站是利用傳感器進(jìn)行氣象觀測(cè)、記錄、編碼和發(fā)送數(shù)據(jù)的自動(dòng)化設(shè)備，目前自動(dòng)氣象站被廣泛應(yīng)用于地面氣象觀測(cè)中。地溫是地面氣象觀測(cè)中的一項(xiàng)觀測(cè)要素，地溫包括地表溫度、淺層地溫和深層地溫，測(cè)量深度分別為地表、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、80 cm、160 cm和320 cm，1套自動(dòng)氣象站需配備9支地溫傳感器。地溫傳感器的感溫元件為鉑電阻，利用鉑電阻的電阻值能夠隨溫度變化的原理測(cè)量溫度。規(guī)范要求所有傳感器都要在觀測(cè)場(chǎng)地溝或管道中布線，最后接至采集器，但此項(xiàng)要求給傳感器的撤換、檢定及維護(hù)工作帶來(lái)了極大的不便，文章對(duì)此進(jìn)行研究，并得出合理且便于實(shí)施的改進(jìn)方法。改進(jìn)前后分別對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，比較并分析傳感器改進(jìn)前后所測(cè)得的數(shù)據(jù)差異及傳感器的連續(xù)采集能力。

1 改進(jìn)方法

按照GB/T 35233-2017《地面氣象觀測(cè)規(guī)范 地溫》中對(duì)淺層地溫傳感器的安裝要求，與各淺層地溫傳感器連接的電纜線埋入土中的長(zhǎng)度不小于1 m。因此，當(dāng)傳感器損壞或者撤換檢定時(shí)，必須將舊傳感器連同電纜線一同從地溝或管道中抽出，再將新的傳感器安裝回原位置。由于地溝或管道內(nèi)有較多傳感器的電纜線且電纜線容易相互纏繞，給更換工作帶來(lái)了極大的不便，因此需將傳感器的電纜線進(jìn)行裁剪。對(duì)裁剪過(guò)的電纜線線頭做進(jìn)一步處理，制作成便于插拔且不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟孱^。自動(dòng)氣象站所用的地溫傳感器采用四線制的測(cè)量方法，因此選用四芯的航空插頭對(duì)裁剪后的線頭兩端進(jìn)行改造，形成便于維護(hù)、維修的插拔式插頭。

2 改進(jìn)方法的可行性驗(yàn)證

2.1 理論驗(yàn)證

自動(dòng)氣象站所用的地溫傳感器為Pt100型鉑電阻，通過(guò)測(cè)量其電阻值的變化來(lái)反映溫度的變化，采用四線恒流源電橋的測(cè)量方法，有效避免導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)其阻值的影響，具體測(cè)量方法如圖1所示。

圖1 測(cè)溫原理

圖中R0為標(biāo)準(zhǔn)電阻，R0=100 Ω，Rt為鉑電阻，測(cè)量V1、V2值即可求得Rt值：

Rt=R0×V1/V2

(1)

鉑電阻計(jì)算公式：

Rt=R0×(1+At+Bt2)

(2)

式(2)中，A為常數(shù)，其值為3.9083×10-3℃-1；B為常數(shù)，其值為-5.7750×10-7℃-2。

根據(jù)式(1)、(2)可以計(jì)算出溫度t的值，且溫度t的值只與V1和V2有關(guān)，而V1和V2分別為鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻在有恒流源A時(shí)兩端的電壓值，該電壓值在恒流條件下，只與電阻本身有關(guān)，并不受連接信號(hào)線的影響[1]。因此，對(duì)地溫傳感器導(dǎo)線進(jìn)行裁剪并增加可插拔的航空插頭，并不影響鉑電阻自身電阻值的測(cè)量，對(duì)最終測(cè)算出的溫度值也無(wú)影響，此改進(jìn)方法理論上是可行的。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)工作進(jìn)行前后，分別隨機(jī)選取8支地溫傳感器對(duì)其測(cè)溫準(zhǔn)確度進(jìn)行檢定，按照J(rèn)JG(氣象)002-2015《自動(dòng)氣象站鉑電阻溫度傳感器》檢定規(guī)程檢定，前后兩次檢定采用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和相同的檢定系統(tǒng)，且由相同的檢定人員進(jìn)行操作，使兩次實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差無(wú)限接近，力求能真實(shí)反映傳感器改進(jìn)前后的誤差變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 誤差變化

對(duì)比改進(jìn)前后傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的差異，主要分析兩組數(shù)據(jù)的誤差變化，誤差變化是指改進(jìn)前后傳感器誤差值之差，能夠直接反映出改進(jìn)前后傳感器的偏差(表1)。

表1 改進(jìn)前后傳感器誤差差值 ℃

從表中數(shù)據(jù)可以看出：改進(jìn)前后的傳感器誤差變化在±0.02 ℃范圍內(nèi)，變化范圍較小。且傳感器改造前后的測(cè)量結(jié)果均符合GB/T 35221-2017《地面氣象觀測(cè)規(guī)范 總則》中對(duì)自動(dòng)氣象站地溫技術(shù)指標(biāo)的要求，表明此改進(jìn)方法對(duì)傳感器測(cè)量準(zhǔn)確性的影響較小。

3.2 不確定度

測(cè)量不確定度是表征合理賦予被測(cè)量值的分散性與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。測(cè)量不確定度是一個(gè)能夠評(píng)定測(cè)量結(jié)果可信程度的參數(shù)，引入不確定度可以科學(xué)合理地對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度作出評(píng)價(jià)[2]。不確定度越小，表示測(cè)量結(jié)果與真值相差越小，測(cè)量結(jié)果越可靠；反之，不確定度越大，測(cè)量結(jié)果與真值相差越大，其可靠性越差，則儀器的使用價(jià)值就越低。

此次實(shí)驗(yàn)對(duì)選取的檢定點(diǎn)進(jìn)行了4次誤差值的測(cè)量，因測(cè)量次數(shù)較少，根據(jù)JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》選用極差法計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(x)，則A類(lèi)不確定度uA為：

(3)

式(3)中，n為測(cè)量次數(shù)。根據(jù)式(3)，計(jì)算改進(jìn)前后A類(lèi)不確定度，見(jiàn)表2、表3。

表2 改進(jìn)前A類(lèi)不確定度 ℃

表3 改進(jìn)后A類(lèi)不確定度 ℃

改進(jìn)前后均采用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和相同的檢定系統(tǒng)檢定，且由相同的檢定人員進(jìn)行操作，因此改進(jìn)前后B類(lèi)不確定度是相同的，uB為0.03 ℃。將改進(jìn)前后uA和uB代入式(4)，從而計(jì)算出擴(kuò)展不確定度U為：

(4)

其中，k為包含因子，一般取2。

通過(guò)計(jì)算，改進(jìn)前后傳感器測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U均為0.03 ℃，并未發(fā)生變化，且擴(kuò)展不確定度值較小，表明其測(cè)量結(jié)果的可靠程度較高。

3.3 連續(xù)采集能力

連續(xù)采集能力是指?jìng)鞲衅鞲脑旌?，能否連續(xù)采集觀測(cè)數(shù)據(jù)。衡量傳感器改進(jìn)后的工作性能是否發(fā)生變化，通常采取兩種方式：一是在實(shí)驗(yàn)室檢定時(shí)，觀察改進(jìn)后的傳感器是否能夠正常采集與讀取數(shù)據(jù)；二是在改進(jìn)后的試點(diǎn)臺(tái)站的地溫?cái)?shù)據(jù)中隨機(jī)抽取2 d的單日數(shù)據(jù)，檢查是否存在分鐘數(shù)據(jù)缺測(cè)現(xiàn)象。經(jīng)檢查，改進(jìn)后的傳感器能夠正常采集與讀取數(shù)據(jù)，且無(wú)分鐘數(shù)據(jù)缺測(cè)情況。由此證明，此改進(jìn)方法對(duì)地溫傳感器的連續(xù)觀測(cè)能力沒(méi)有影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章所采用的改進(jìn)方法并未改變地溫傳感器的觀測(cè)性能，且有效縮短了地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)更換、維護(hù)的時(shí)間，減小了地溫場(chǎng)的施工創(chuàng)面，最大限度降低了對(duì)地溫場(chǎng)探測(cè)環(huán)境的破壞，縮短了地溫資料缺測(cè)的時(shí)間。同時(shí)極大提高了地溫傳感器實(shí)驗(yàn)室檢定的效率，保障了地溫傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。