自動(dòng)氣象站翻斗式雨量傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

樊軍武，樊 嶸，許海軍

(1.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院,湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省邵陽(yáng)市隆回縣氣象局，湖南 隆回 422200;3.湖南省長(zhǎng)沙市氣象局，湖南 長(zhǎng)沙 410125 )

1 引言

氣象計(jì)量檢定是整個(gè)氣象業(yè)務(wù)及服務(wù)工作的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的量值傳遞是氣象科研和探測(cè)的保障。

根據(jù)自動(dòng)氣象站檢定規(guī)程，傳感器每1～2年需進(jìn)行一次檢定，各氣象計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)國(guó)家級(jí)臺(tái)站的檢定任務(wù)已十分繁重，區(qū)域站的檢定工作則很難按期完成。

因此，對(duì)于自動(dòng)氣象站的檢定，必須采用新的方式。理想的方法是，在地市級(jí)建立移動(dòng)計(jì)量檢定系統(tǒng)，形成省級(jí)氣象計(jì)量檢定所針對(duì)國(guó)家站網(wǎng)自動(dòng)氣象站進(jìn)行檢測(cè)，地市級(jí)氣象計(jì)量檢定站針對(duì)區(qū)域站網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，這一新的氣象計(jì)量保障模式。

針對(duì)目前地面自動(dòng)氣象站的快速發(fā)展，特別是大量翻斗式雨量傳感器，布設(shè)在荒郊野外，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作量大。因此，多采用攜帶方便、性能穩(wěn)定的移動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)裝置。JJS2雨量校準(zhǔn)裝置符合中國(guó)氣象局雨量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)程中的雨強(qiáng)控制等規(guī)范要求，能為提供準(zhǔn)確的雨量測(cè)量數(shù)據(jù)做保障。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及校準(zhǔn)方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 JJS2雨量校準(zhǔn)儀介紹

雨量校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)器叫雨量校準(zhǔn)儀，型號(hào)為JJS2。JJS2 雨量校準(zhǔn)儀適用于翻斗雨量計(jì)、自動(dòng)氣象站雨量傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和測(cè)試。

JJS2雨量校準(zhǔn)儀由標(biāo)準(zhǔn)玻璃球、計(jì)數(shù)器、雨強(qiáng)調(diào)節(jié)閥、信號(hào)傳輸線、主功能面板、蓄水槽、輸水管道及支撐架(改進(jìn)型)等組成。面板上有出水閥、注水閥、雨強(qiáng)調(diào)節(jié)閥、計(jì)數(shù)器。裝置背面有標(biāo)準(zhǔn)球水位觀測(cè)窗，左側(cè)面有標(biāo)準(zhǔn)球溢流口。

2.2 技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境要求

(1)技術(shù)指標(biāo)：①標(biāo)準(zhǔn)玻璃球優(yōu)于二等；②雨量調(diào)節(jié)：0mm/min～5mm/min。

(2)環(huán)境要求：①溫度范圍：5～40 ℃；② 濕度范圍：10%RH～100%RH；③風(fēng)速≤5 m/s。

2.3 校準(zhǔn)方法和數(shù)據(jù)處理

模擬降水強(qiáng)度選擇：1 mm/min和4 mm/min。

校準(zhǔn)方法：標(biāo)準(zhǔn)球內(nèi)注滿干凈水，先模擬1 mm/min的降水，向雨量傳感器的承水口注水，記錄采集器顯示的雨量值。重復(fù)校準(zhǔn)三次。

再模擬4 mm/min的降水，用同樣的方法，也是校準(zhǔn)三次。

數(shù)據(jù)處理：計(jì)算二種降水強(qiáng)度的測(cè)量誤差值△R(修約到小數(shù)點(diǎn)后一位)，作為雨量的校準(zhǔn)結(jié)果。

△R=Rj-Rb

(1)

式(1)中：Rj-被校雨量傳感器三次雨量示值的平均值；Rb-標(biāo)準(zhǔn)球的標(biāo)準(zhǔn)值(注：標(biāo)準(zhǔn)值=標(biāo)準(zhǔn)球容量/雨量傳感器承水口面積)。

3 雨量傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)操作流程

3.1 雨量傳感器校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備

(1)檢查雨量傳感器外觀，銘牌應(yīng)清晰可識(shí)別，外筒沒(méi)有破損或變形。

(2)拆下雨量筒承水部分，斷開雨量傳感器與自動(dòng)站采集器的連接。

(3)雨量傳感器安裝應(yīng)該穩(wěn)定牢固，傳感器水平儀的氣泡應(yīng)在中央，各翻斗在翻動(dòng)過(guò)程中應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，不得有任何的卡滯現(xiàn)象。

(4)斷開雨量傳感器與自動(dòng)站采集器的信號(hào)線，對(duì)雨量傳感器進(jìn)行清洗。在清洗翻斗時(shí)不可直接用手觸摸，以防手上的油污沾染翻斗而影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(5)干簧管與磁鐵的相對(duì)位置應(yīng)正確，使用萬(wàn)用表測(cè)量其通斷信號(hào)，應(yīng)正常。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)操作

(1)選擇雨量傳感器轉(zhuǎn)接線。由于氣象系統(tǒng)使用的翻斗雨量傳感器型號(hào)多樣，請(qǐng)用戶結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的雨量轉(zhuǎn)接線，連接雨量傳感器和雨量校準(zhǔn)儀。

(2)雨量傳感器連接。雨量轉(zhuǎn)接線從接線孔穿過(guò)。但由于 SL3-1 型翻斗雨量傳感器底座與地面距離很小，雨量轉(zhuǎn)接線無(wú)法從接線孔穿過(guò)，只能從雨量承水筒下邊的縫隙連出。若是改進(jìn)型的JJS2 型雨量校準(zhǔn)儀，則不存在這個(gè)問(wèn)題，可以從增加的底座支架空隙中，用轉(zhuǎn)接線直接連接。

(3)安裝雨量傳感器承水部分。將 JJS2 型雨量校準(zhǔn)儀豎直套在雨量傳感器外的雨量承水筒上(直徑 20cm 的雨量承水筒需要使用轉(zhuǎn)接環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)接)。若是改進(jìn)型的JJS2，則不需要傳感器承水桶，直接將翻斗雨量傳感器放置在新配置的底座支架上。

(4)往雨量校準(zhǔn)器上部的儲(chǔ)水槽中注入適量清水。

(5)關(guān)上出水開關(guān)，打開注水開關(guān)，讓標(biāo)準(zhǔn)玻璃球中注滿清水。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)玻璃球充滿水后，校準(zhǔn)儀側(cè)方的溢水口會(huì)有水流出。

(6)關(guān)閉注水閥，將流量控制閥調(diào)至最大位置，打開出水閥，排盡管道中的空氣。待到水不再流出時(shí)，通過(guò)觀察窗檢查水位線是否與刻度中線吻合。

(7)若長(zhǎng)時(shí)間不用雨量校準(zhǔn)儀，校準(zhǔn)儀中的部分管道會(huì)因?yàn)樗牧魇Фa(chǎn)生空氣柱，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)球中的水無(wú)法完全流出，從而影響校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。如有這種現(xiàn)象，就把流量控制閥開到最大，打開出水閥后，同時(shí)快速抽動(dòng)蓄水槽過(guò)濾網(wǎng)中的小塑料管，這樣做有利于儀器管道中空氣的排出。

(8)關(guān)閉出水開關(guān)，打開注水開關(guān)，給計(jì)量容器再次注水，水滿后關(guān)上注水開關(guān)。

(9)調(diào)節(jié)流量控制開關(guān)，根據(jù)儀器配套包中模擬雨強(qiáng)設(shè)定參數(shù)，設(shè)定調(diào)節(jié)閥碼盤上的數(shù)字，模擬所需的雨強(qiáng)。

(10)按動(dòng)計(jì)數(shù)器的的復(fù)位開關(guān)，將計(jì)數(shù)器數(shù)字清零。打開出水開關(guān)，對(duì)雨量傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)雨量傳感器分別進(jìn)行1mm/min 和 4mm/min 模擬雨強(qiáng)的校準(zhǔn)，每種模擬雨強(qiáng)校準(zhǔn)三次。

(11)在一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束后，標(biāo)準(zhǔn)球的水位停止線應(yīng)該在中間那根刻度線的附近(校準(zhǔn)儀背面的觀察窗)。否則，標(biāo)準(zhǔn)球內(nèi)的水，流出的就不是標(biāo)準(zhǔn)的10 mm。

(12)每次校準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束后，及時(shí)讀取計(jì)數(shù)器的讀數(shù)并記錄到雨量原始記錄表格上。

(13)不同雨強(qiáng)的校準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束后，計(jì)算每種雨強(qiáng)的測(cè)量誤差平均值，檢查測(cè)量誤差平均值是否在規(guī)范要求范圍內(nèi)，若超出要求則要調(diào)整被測(cè)雨量傳感器。

(14)校準(zhǔn)結(jié)束后，拆掉轉(zhuǎn)接線，排空儀器中的水，將裝置和配件放入儀器箱中。

(15)恢復(fù)雨量傳感器與自動(dòng)站采集器的連接。

4 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)匯總表，校準(zhǔn)證書填寫

4.1 雨量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)匯總表填寫(SL3-1型翻斗雨量傳感器)

雨量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)匯總表包括：雨量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)時(shí)間、校準(zhǔn)人員、雨量標(biāo)準(zhǔn)器信息和校準(zhǔn)環(huán)境條件等。

雨量校準(zhǔn)最大允許誤差：降水強(qiáng)度1 mm/min時(shí)，小于等于±0.3 mm(計(jì)數(shù)器的讀數(shù)±3)；降水強(qiáng)度4 mm/min時(shí)，小于等于±0.4 mm(計(jì)數(shù)器的讀數(shù)±4)(表1)。

表1 雨量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

校準(zhǔn)時(shí)間 2020年7 月 28 日；校準(zhǔn)人員：樊軍武，樊 嶸。

從本次雨量校準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，差值在最大允許誤差內(nèi)，雨量傳感器符合規(guī)范要求。

若是差值超出最大允許誤差，則要按照下面4.3 中介紹的傳感器系統(tǒng)誤差的調(diào)整方法進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后，需要再重新進(jìn)行雨量校準(zhǔn)。直到合格。

4.2 雨量校準(zhǔn)儀及校準(zhǔn)環(huán)境填寫

雨量校準(zhǔn)儀信息可查看儀器出產(chǎn)說(shuō)明書(表2)，依次填入相關(guān)信息；可從筆記本電腦屏幕上讀取區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)，填入校準(zhǔn)對(duì)應(yīng)時(shí)間的環(huán)境條件。

表2 雨量校準(zhǔn)儀信息

4.3 傳感器系統(tǒng)誤差的調(diào)整方法

如果校準(zhǔn)結(jié)果為有規(guī)律的偏大或偏小，可以通過(guò)計(jì)量翻斗兩邊定位調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行調(diào)整。

計(jì)數(shù)值偏小時(shí)，螺釘向內(nèi)調(diào)節(jié)，使翻斗內(nèi)盛水量減少，計(jì)數(shù)值增大；

計(jì)數(shù)值偏大時(shí)，螺釘向外調(diào)節(jié)，使翻斗內(nèi)盛水量增加，計(jì)數(shù)值減少。

5 維護(hù)及注意事項(xiàng)

(1)拆下雨量筒承水部分，斷開雨量傳感器與自動(dòng)站采集器的連接后，不要讓兩根導(dǎo)線頭碰到一起了，以防自動(dòng)站采集器出現(xiàn)不實(shí)際的雨量記錄。

(2)禁止使用帶酸性、堿性的水，水應(yīng)清潔無(wú)渾濁；

(3)校準(zhǔn)結(jié)束后，取下信號(hào)線，將雨量校準(zhǔn)儀水槽內(nèi)的水倒干凈。

(4)若是區(qū)域自動(dòng)氣象站新建站點(diǎn)、傳感器維修、定期巡檢、重新啟用等情況,均要對(duì)雨量傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和核查。

(5)雨量校準(zhǔn)儀自身檢定周期為 3 年。

6 結(jié)論

為了提高地、市級(jí)裝備保障人員對(duì)自動(dòng)氣象站觀測(cè)儀器的檢定、校準(zhǔn)、核查能力。應(yīng)基本掌握氣象移動(dòng)計(jì)量檢定設(shè)備的操作、維護(hù)方法，熟練掌握自動(dòng)氣象站翻斗式雨量傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法和數(shù)據(jù)處理，為各區(qū)域自動(dòng)站的氣象儀器能順利地工作，并提供準(zhǔn)確的雨量測(cè)量數(shù)據(jù)做好保障。