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        區(qū)域自動氣象站溫濕度傳感器現(xiàn)場核查與實驗室檢定對比分析

        2021-06-30 01:57:16李生慧安力珺
        氣象水文海洋儀器 2021年2期
        關(guān)鍵詞:氣象站核查溫濕度

        李生慧,安力珺,廖 鑫

        (青海省大氣探測技術(shù)保障中心,西寧810000)

        0 引言

        隨著氣象探測技術(shù)的發(fā)展,自動氣象站已成為地面氣象觀測的主要設(shè)備。在國家級自動氣象站觀測站網(wǎng)的基礎(chǔ)上,全國各地建設(shè)了大量區(qū)域自動氣象站,從而形成網(wǎng)點式觀測站,以獲取更多、更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的地面氣象觀測資料,為氣象預(yù)報、農(nóng)牧業(yè)和氣象防災(zāi)減災(zāi)等提供有力保障。為確保區(qū)域自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠且具有可比性,對其傳感器定期開展校準(zhǔn)工作是非常必要的[1,2]。

        區(qū)域自動氣象站占地面積小,為了節(jié)約成本,多選用溫濕一體的溫濕度傳感器測量溫度與濕度。文章重點探討區(qū)域自動氣象站溫濕度傳感器現(xiàn)場核查與實驗室檢定之間存在的差異,并分析現(xiàn)場核查方式的可靠性。

        1 溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)與測量原理

        1.1 溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)

        溫濕度傳感器由測溫的鉑電阻與測濕的濕敏電容組裝而成。

        1.2 溫濕度傳感器的測量原理

        1)測溫原理

        測溫元件是鉑電阻,金屬鉑具有電阻值隨著溫度的變化而變化的特點。當(dāng)溫度上升時其電阻值升高,則鉑電阻具有正電阻溫度系數(shù),其電阻R和溫度的變化關(guān)系式為:

        R=R0(1+αT)

        (1)

        式中,α=0.0039;R0=100 Ω;T為溫度值[3]。

        2)測濕原理

        測量濕度的元件主要是采用有機感濕高分子膜作介質(zhì)的濕敏電容器。當(dāng)外界濕度發(fā)生變化時,感濕膜對水汽分子進(jìn)行吸附和釋放,使介電常數(shù)發(fā)生變化,從而使?jié)衩綦娙萘堪l(fā)生變化。濕敏電容量的變化,經(jīng)過信號變換電路轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過運放電路進(jìn)行放大處理,輸出電壓信號。當(dāng)相對濕度由0%~100%變化時,信號變換電路輸出0~100 mV電壓,經(jīng)放大后得到0~1 V的直流電壓輸出給數(shù)據(jù)采集器,經(jīng)采集器處理后在顯示終端上顯示相對濕度[4]。

        2 實驗操作

        根據(jù)中國氣象局綜合觀測司試行的《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法》,溫度的核查點為常溫點,濕度的核查點為當(dāng)前環(huán)境濕度,溫濕度的核查點數(shù)量均為1個。而根據(jù)實驗室檢定規(guī)程,溫度有4個檢定點,濕度有5個檢定點,為了能更好地分析現(xiàn)場核查與實驗室檢定間的差異,此次實驗現(xiàn)場核查與實驗室檢定均選用相同的檢定點:溫度檢定點為-20 ℃、0 ℃、+30 ℃,濕度檢定點為33%RH、55%RH、87%RH。實驗選取3支溫濕度傳感器分別進(jìn)行現(xiàn)場核查和實驗室檢定,對比兩者數(shù)據(jù)間的差異,分析現(xiàn)場核查的可靠性。

        2.1 溫度對比

        首先進(jìn)行溫度實驗,現(xiàn)場核查所使用的標(biāo)準(zhǔn)器是自校式鉑電阻溫度計,主要配套設(shè)備是干體爐。將標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器與被核查傳感器插入干體爐槽內(nèi)的套筒中,設(shè)定干體爐工作溫度,當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后方可讀數(shù)。實驗室檢定中使用的標(biāo)準(zhǔn)器是自校式鉑電阻溫度計,主要配套設(shè)備為恒溫槽。由于恒溫槽中介質(zhì)為液體,因而需對傳感器進(jìn)行防水處理,然后將標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器與被檢傳感器放入恒溫槽中,使二者的感溫部分盡可能處于同一水平面[5,6]。設(shè)定恒溫槽工作溫度,當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后方可讀數(shù)。起始檢定點為0 ℃,0 ℃檢定點檢定完畢再依次進(jìn)行-20 ℃和+30 ℃檢定點?,F(xiàn)場核查誤差和實驗室檢定誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 實驗室檢定與現(xiàn)場核查溫度誤差數(shù)據(jù)對比 ℃

        2.2 濕度對比

        濕度現(xiàn)場核查采用便攜式濕度發(fā)生器與參考標(biāo)準(zhǔn)器,將參考標(biāo)準(zhǔn)器和被檢傳感器放置于濕度發(fā)生器中,按核查點設(shè)定濕度發(fā)生器濕度,當(dāng)濕度發(fā)生器的濕度達(dá)到設(shè)定值,并且濕度波動值為±1.5%RH時方可讀數(shù)。實驗室檢定采用精密露點儀與濕度發(fā)生器組成的檢定裝置。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 實驗室檢定與現(xiàn)場核查濕度誤差數(shù)據(jù)對比 %RH

        3 實驗數(shù)據(jù)分析

        由表1可以得出,實驗室檢定數(shù)據(jù)與現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)之間有一定的差異,二者的誤差值相差0.08~0.16 ℃。經(jīng)分析,出現(xiàn)差異的原因有兩個:一是現(xiàn)場核查時環(huán)境變化較大,對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響;二是干體爐以空氣為導(dǎo)熱介質(zhì),而實驗室恒溫槽以液體為導(dǎo)熱介質(zhì),因而干體爐的波動度與均勻度不如恒溫槽穩(wěn)定,干體爐的溫度波動較大,從而影響核查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

        分析表2數(shù)據(jù)得出,實驗室檢定誤差與現(xiàn)場核查誤差間的差值為0.3%RH~7.0%RH。7.0%RH的差值出現(xiàn)在高濕點87%RH,其余兩個檢定點上二者相差不超過4%RH。探究其原因有兩點:一是核查的濕度發(fā)生器的波動度與均勻度較低,發(fā)生器腔體內(nèi)濕度不均勻,且短時間內(nèi)變化較大;二是參考標(biāo)準(zhǔn)精度低于露點儀,因而使用中需根據(jù)其檢定證書對參考標(biāo)準(zhǔn)的示值進(jìn)行修正。表3為參考標(biāo)準(zhǔn)修正后的現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)與實驗室檢定數(shù)據(jù)對比,可見二者間的差值明顯縮小。

        表3 參考標(biāo)準(zhǔn)修正后濕度誤差數(shù)據(jù)對比 %RH

        4 結(jié)束語

        區(qū)域自動氣象站的觀測資料在氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的地位,加強其傳感器的核查也是非常重要的。文章通過實驗,發(fā)現(xiàn)實驗室檢定與現(xiàn)場核查之間存在一定的差異,實驗室檢定的誤差小于現(xiàn)場檢查,但現(xiàn)場核查的方式能夠驗證傳感器的性能是否滿足要求。因此為了保證現(xiàn)場核查的效果,需注意以下兩點:一是溫濕度的現(xiàn)場核查應(yīng)盡可能多選幾個核查點進(jìn)行,1個核查點無法保證傳感器全量程內(nèi)的合格;二是處理現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)時不可忽略對標(biāo)準(zhǔn)器示值的修正。

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