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        淺談區(qū)域站現(xiàn)場核查及改進創(chuàng)新

        2021-07-13 09:38:50李四維賀中華郭黎明
        南方農機 2021年13期
        關鍵詞:干簧管雨量核查

        李四維,賀中華,韓 波,郭黎明,張 敏

        (湖南省衡陽市氣象局,湖南 衡陽 421001)

        觀測資料是氣象部門開展天氣預報、氣候預測、科學研究及各類氣象服務的基礎,若要提高氣象預報的準確率和精細化水平,提高災害監(jiān)測及防災減災的能力,就必須對觀測數(shù)據(jù)的精度和準確度有嚴格的要求。為了提供準確的氣象觀測數(shù)據(jù),需要保證區(qū)域自動氣象站能良好穩(wěn)定地運行。日常工作中,通過巡檢、維護、維修來保證區(qū)域自動氣象站觀測設備的正常運行,但是這并不能確保氣象站探測各氣象要素的傳感器能準確測量。在長年累月的使用中,各氣象要素探測設備由于誤差過大導致讀數(shù)不準等情況時有發(fā)生,這就需要對其進行現(xiàn)場核查,對各類傳感器進行標校矯正或更換讀數(shù)準確的新設備,以保證觀測數(shù)據(jù)的準確性、可用性[1-2]。因此,區(qū)域自動氣象站的核查標校工作至關重要,不可或缺。如今,區(qū)域站核查在全國各地都有開展,也有很多專家對核查發(fā)表看法,但仍有部分問題亟待解決。本文以衡陽市區(qū)域站現(xiàn)場核查經歷為基礎,對核查相關經驗和改進創(chuàng)新進行簡要論述,希望能給讀者帶來一點參考。

        1 區(qū)域自動氣象站外觀檢查

        依據(jù)中國氣象局綜合觀測司《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法(2017年試行)》的要求,對自動站溫度、濕度、風速、風向、氣壓和雨量六個要素傳感器進行核查,其中,核查不合格的雨量傳感器可進行現(xiàn)場校正,其他不合格的傳感器則需進行備件更換。在對各要素傳感器進行核查前,需對傳感器的外觀做一個初步的檢查。若被核查傳感器結構、部件均完好,則開始進行下一步的核查工作,否則傳感器核查不合格。

        常用的溫度傳感器有DHC1型溫濕一體傳感器和WZP1型溫度傳感器。根據(jù)核查經驗,DHC1型溫濕一體傳感器被放置在百葉箱溫濕度支架上,核查前應重點檢查該傳感器的頂端探頭是否歪斜、損壞或脫落,是否有污漬覆蓋;溫度、濕度線是否破損,是否與接線排正常連接。而WZP1型溫度傳感器通常被放置在松塔型的保護罩內,常用木塞作為支架進行支撐,較為簡陋,在檢查的時候應對衛(wèi)生清潔尤為注意,并及時對損壞的木塞進行更換。

        風速、風向傳感器核查前,檢查主要集中在傳感器的指北標識,轉軸的潤滑程度,以及風杯、風向標的破損情況上。根據(jù)多年來的核查情況,風向傳感器的指北標識普遍存有問題。指北標識是印在傳感器上的,經年累月的風吹雨打,標識都模糊不清了。針對這種情況,可以在標識上刻線,增加其辨識度,同時也向廠家提出相關建議進行改進。風速、風向傳感器用久了會因灰塵堆積、自然腐蝕等導致轉軸易卡頓,用潤滑劑進行清潔可有效解決這個問題。如圖1所示。

        圖1 風向傳感器的指北標識模糊不清

        核查前的檢查中,雨量傳感器的檢查尤為重要且煩瑣。雨量筒的器口水平情況、翻斗的靈活程度、水流通道的暢通情況和外殼的接地電阻等都需要進行詳細的檢查,并且必須對雨量筒進行全面且細致的清理,這是一項不可或缺的重要工作。它能避免翻斗卡頓,漏斗出水口異物堵塞,雨水少流或不能流入計數(shù)翻斗等情況的發(fā)生,使接下來的雨量核查工作更具有針對性和代表性。

        2 區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查及標校

        2.1 雨量核查及標校

        自動站常見的雨量傳感器為上海氣象儀器廠生產的SL3-1雙翻斗雨量傳感器和天津氣象儀器廠生產的SL2-1單翻斗雨量傳感器,使用的現(xiàn)場核查裝置為JJS2型雨量校準儀如圖2所示。該裝置根據(jù)雨量傳感器現(xiàn)場校準規(guī)范,對雨量傳感器分別進行1 mm/min和4 mm/min雨強的雨量標定。每種雨強的測量誤差平均值在±4%以內則雨量傳感器核查合格,否則需對雨量傳感器進行現(xiàn)場校正[3-4]。

        圖2 JJS2型雨量校準儀

        以SL3-1雙翻斗雨量傳感器為例,若核查不合格,將通過雨量筒基點調整對雨量傳感器進行校正。雨量筒的基點調整過程在諸多文章里都有詳細敘述,這里不再多作說明。在此,主要談論雨量筒的干簧管問題。

        在核查過程中,雨量干簧管問題導致的核查不合格情況十分常見。一是干簧管的金屬連接部分受溫度影響較大,導致干簧管的玻璃封裝管熱脹冷縮、壓力過大,經常性破裂受損。受損后的干簧管因漏氣(氮氣)且接觸外部空氣,開關觸點氧化,易失效,從而影響雨量筒的降水計數(shù)。如圖3所示。

        圖3 干簧管

        二是干簧管的安裝。干簧管采用雙管工作模式,這對其焊接安裝的操作具有一定的要求。在過往的維護、維修過程中,工作人員在野外或沒有交流供電的條件下進行焊接,不能保證雙管簧片的水平位置及垂直位置恰到好處。干簧管的位置偏移,會對降水計數(shù)帶來影響。

        干簧管帶來的雨量核查不合格問題,通常解決方案就是更換干簧管或者重新焊接干簧管。但在野外條件不便的情況下,進行干簧管更換、焊接,操作煩瑣復雜,且更換后的干簧管使用壽命也不長。針對上述情況,對干簧管進行了改進,如圖4所示。改進后的干簧管部件是將干簧管焊接在環(huán)氧樹脂板上,再通過環(huán)氧樹脂板與外圍的金屬裝置連接。因為環(huán)氧樹脂板受溫度影響較小,不易造成拉伸變形,所以可保證干簧管長期處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。同時,干簧管兩端的引腳盡可能地縮短(在實際運用中,干簧管兩端引腳分別不超過5 mm),將金屬部分的熱漲冷縮效應降到最小,盡可能地延長干簧管的使用壽命。干簧管的更換安裝也變得更為簡單快捷,在野外和沒有交流供電的條件下,無需焊接便能輕松進行干簧管更換。

        圖4 改進后的干簧管

        而SL2-1單翻斗雨量傳感器更容易堵塞,單翻斗的磁鋼體積設計偏小,易失磁,與干簧管的距離易變化,不好掌握,容易引起降水計數(shù)誤差,這使得SL2-1單翻斗雨量傳感器的故障率比SL3-1雙翻斗雨量傳感器高得多。SL2-1雨量筒黑色的雨量翻斗盒為塑料制品,時間長了會有不同程度的變形,其與綠色雨量板或其他組件就不能很好地吻合,如圖5所示,易造成計數(shù)誤差,從而導致核查不合格。同時,SL2-1雨量筒標校調試的難度和精度要求都不好把握,加大了該雨量筒校正工作的難度。綜上所述,SL2-1雨量傳感器準確性和穩(wěn)定性都不高,從實際應用方面來看,選用不銹鋼鋼架結構的SL3-1雙翻斗雨量筒更為適宜。

        圖5 雨量板與變形的雨量翻斗盒不在一個水平位置

        最后,在雨量核查方面,筆者提出一個建議。以往對站點的雨量核查,都是在站點雨量出現(xiàn)明顯故障后,或者按中國氣象局要求進行每年一次的站點核查時,才到站點進行現(xiàn)場雨量核查。而核查結果,基于以往的雨量維護校準(進行過雨量筒基點調整),問題多半出在干簧管。基于衡陽的雨量維護維修情況,干簧管的故障率高達32%,如果等出了問題再進行干簧管的更換就會很被動。所以應當制定相關的業(yè)務應用管理規(guī)范,定期對站點雨量筒干簧管進行更換,這樣可以主動減少由干簧管造成的雨量故障。衡陽市的實踐情況也表明,定期更換干簧管,可以大大減少雨量筒故障的發(fā)生。

        2.2 氣壓核查

        氣壓核查裝置是YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器,將氣壓傳感器與氣壓發(fā)生器相連接,設置相關參數(shù),對其進行各個氣壓參照點的測試。獲得的氣壓誤差值不大于±0.3 hPa,則被核查的氣壓傳感器符合要求,反之需進行更換。

        核查氣壓的過程中,需注意氣壓傳感器的參數(shù)設置。不同型號的氣壓傳感器和采集器,就會有不同的參數(shù),如果參數(shù)設置不正確則無法進行氣壓核查。經過反復試驗,將一些常見的氣壓傳感器參數(shù)設置歸納總結,如表1所示(參數(shù)分別為波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位)。

        表1 常見氣壓傳感器參數(shù)

        若核查剛出廠的氣壓傳感器,則需設置其出廠的默認參數(shù)。衡陽市常用的氣壓傳感器型號為PTB220和PTB330,它們的出廠參數(shù)為4800、E、7、1。

        2.3 溫濕度核查

        溫度核查儀器為RTC158溫度校準儀(干體爐)和TM-3022T兩通道標準鉑電阻溫度表。干體爐負責為溫度標準傳感器和被測傳感器提供一個溫度穩(wěn)定的溫度場。TM-3022T鉑電阻溫度表精密顯示標準溫度傳感器的溫度數(shù)值,被測溫度傳感器的溫度通過采集器讀取。兩者溫度誤差不大于±0.2℃,則被核查的溫度傳感器合格,反之需進行更換。溫度核查耗時頗長,在進行現(xiàn)場核查操作時應注意合理安排時間,在溫度核查完后,需將干體爐溫度調至環(huán)境溫度。

        核查濕度的裝置為JDS505濕度發(fā)生器。它通過控制系統(tǒng)在腔室中交替注射干燥氣體和飽和氣體來維持一個穩(wěn)定的濕度環(huán)境。將標準濕度傳感器與被核查的DHC1溫濕一體傳感器同時插入具有穩(wěn)定濕度環(huán)境的濕度發(fā)生器腔室中,獲取二者的濕度誤差平均值。當濕度誤差不大于±3%,則被測傳感器合格,反之核查不合格。

        在濕度現(xiàn)場核查的經歷中,曾多次出現(xiàn)過濕度發(fā)生器無法成功模擬所需的濕度環(huán)境致使?jié)穸群瞬闊o法進行的情況。經過排查,原因有二:一是干燥劑失去效用,無法吸收腔室中的水汽;二是注入的蒸餾水過多,已超出其最大限度。若檢查到干燥劑失效變色,需重新更換干燥劑;若干燥劑正常,儀器接線也正常,則可能是蒸餾水過多的問題,此時需關閉濕度發(fā)生器電源,用注射器將蒸餾水吸出,對發(fā)生器進行晾干,待儀器腔室干燥后再進行使用。

        2.4 風速風向核查

        風速傳感器通常使用天津氣象儀器廠的EL15-1C風速傳感器。在對風速進行核查前,首先需用JJE2起動風速檢驗儀測試該傳感器的起動特性。使用該儀器時應注意儀器水平,若被核查的風速傳感器起動風速值不大于0.5 m/s,將繼續(xù)風速的核查,反之核查不合格。風速核查裝置為JJE3型風速檢驗儀,其核查差值應不大于±(0.5 m/s+0.03 V)(V為指示風速值),超過則判定傳感器核查不合格,需送廠家校正。

        風向傳感器常見為天津氣象儀器廠的EL15-2C風向傳感器,用JJE10風向校驗儀對其進行核查,得到的風向誤差應不大于±5°,否則需對傳感器進行更換。

        2.5 核查注意事項

        多次核查實踐后總結了一些注意事項[5-7]。帶齊各項工具,尤其是圍欄,機箱,百葉箱的鑰匙,各個大小型號的螺絲刀及除草設備。此外,還應自備蒸餾水一桶用于濕度核查,不少于5 L的自來水一桶用于雨量核查,注意防蛇、防蟲。最重要的是帶好工作臺及遮陽布(傘),如圖6所示,工作臺提供了安全、平整的良好核查環(huán)境,而遮陽布(傘)可以有效避免太陽對核查儀器的直射,保證了核查結果的可信度。

        圖6 工作臺與遮陽傘

        3 建議

        區(qū)域站核查標校保證了氣象儀器探測的準確度和資料信息的可信度。針對區(qū)域站核查標校的應用與發(fā)展,筆者提出幾點建議,希望能為解決核查實際問題起到一定的啟示作用。

        1)定期進行雨量筒核查校準,定期進行雨量筒干簧管的更換,主動降低雨量筒故障發(fā)生率。

        2)保證探測設備的核查、校正和備件更換這三個階段的無縫對接,妥善處理核查期間探測設備數(shù)據(jù)缺測、測試數(shù)據(jù)誤上傳等問題。

        3)定期對核查設備進行返廠檢定,注意設備的良好護養(yǎng)、規(guī)范管理及科學使用。

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