稱重式降水傳感器現場校準方法研究

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.靖遠縣氣象局，白銀 730600)

0 引言

現階段，中國氣象部門多采用稱重式降水傳感器來實現固態降水自動化觀測[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，是當前先進的固態降水自動化觀測儀器，高質量的觀測資料可以滿足冬季降水量預報和服務需求[4]。目前中國尚未制定對稱重式降水傳感器的校準方法。精準客觀的降水資料將為氣象防災減災工作提供有力保障，因此，對稱重式降水傳感器進行校準是刻不容緩的，文章結合實際情況，探討了對DSC3 型稱重式降水傳感器進行現場校準的方法。

1 結構和工作原理

DSC3型稱重式降水傳感器由載荷元件、數據處理單元和外圍組件組成。

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

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

2 稱重式雨量傳感器測量技術難點

1)由于目前沒有對稱重式雨量傳感器的校準方法，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的《自動氣象站現場校準方法(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”的要求。

2)在實際應用中發現：一次降水過程結束后，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象，無法判斷各傳感器的測量準確性。

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 實驗設備與問題解決方法

設備選用原則：攜帶方便、精準度高、優先選擇已有設備。

選用設備：標準球(JJS2雨量校準裝置)、標準量杯、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，當收集容器中水位線處于不同位置時對其進行校準，文章選取收集容器中水位線處于0 mm、170 mm和340 mm 3個點作為校準點對其進行校準；

校準過程分為以下兩步：

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。

4 校準方法

4.1 校準前準備

1)校準時的天氣條件選擇：溫度：5～40 ℃，風速≤5 m/s，天氣狀況：晴或多云。

2)在進行現場校準前，首先檢查雨量傳感器的外觀，使用游標卡尺分別在傳感器承水口的3個位置(互為120°)上測量其內徑，測量結果保留2位小數，記錄到校準記錄表中。

3)將雨量傳感器的電源及數據通信線路斷開，將載荷元件、收集容器等清洗干凈。

4.2 校準方法

1)將筆記本電腦與設備的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試助手等軟件，按照設備的波特率設置，發送DMPR命令(如使用串口調試助手可設置定時發送“60，000 ms/次”，每分鐘會自動發送命令)，軟件中就會顯示當前分鐘記錄。

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：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，使用醫用輸液器控制流量在3～5 min內勻速滴入承水口，通過串口調試助手查看分鐘降水量并記錄，重復測定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，調整水平面為水平狀態后將準備好的JJS2雨量校準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雨強的校準過程，重復測定3次。

5)每次校準結束后等待3～5 min，通過串口調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(修約到小數點后1位)作為雨量的校準結果。并判斷兩種降水強度的測量誤差值ΔR是否符合規范要求。

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—標準球的標準值；

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1)～6)過程，對傳感器再次進行校準。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。

校準結束后，斷開雨量傳感器電源，清空收集容器內的水，并將雨量傳感器的數據通信線路恢復到正常狀態后再重新給雨量傳感器供電。

注意事項：每次校準過程均不能在1 min內完成，應當待串口助手顯示的分鐘降水量為0時，開始校準并累計此次校準過程的分鐘降水量作為此次校準的雨量示值。

5 應用實例

根據校準方法，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場校準，校準記錄和誤差統計分別如表1和表2所示。

表1 武都觀測站校準記錄

表2 隴南市稱重式雨量傳感器誤差統計

6 結束語

通過上面的實例發現，同一個傳感器在3個校準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識別雨強<0.1 mm/min的降水。經過對隴南市9個稱重式降水傳感器的校準結果統計分析得出結論：校準稱重式降水傳感器與收集容器水位無關，可在任意水位按校準方法中1)～6)步驟進行校準，并且不同的降水強度其誤差穩定不變，校準后所得誤差可作為系統誤差。

翻斗式雨量傳感器在校準實踐中發現將其小雨強的誤差調整為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可靠。