稱重式降水傳感器測量誤差變化研究

邱實(shí)，楊茂水*，孫嫣，任燕，吳舉秀

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；2.山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，山東 濟(jì)南 250031)

我國氣象部門廣泛采用稱重式降水傳感器進(jìn)行冬季降水自動觀測，其工作原理是在一段時間內(nèi)對收集到的液態(tài)、固態(tài)降水質(zhì)量轉(zhuǎn)化為毫米級降雨量，確保傳感器感知降雨量準(zhǔn)確可靠的方法是對其定期校準(zhǔn)[1-2]。稱重式降水傳感器校準(zhǔn)工作以現(xiàn)場形式為主，即人員攜帶標(biāo)準(zhǔn)砝碼或加液器等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，向傳感器的稱重單元加以標(biāo)準(zhǔn)的重量或降水量，儀器示值與標(biāo)準(zhǔn)值之差即傳感器的測量誤差。若測量誤差超出指定的區(qū)間，則判定傳感器的測量誤差超差，計(jì)量性能出現(xiàn)偏移，需進(jìn)行維修維護(hù)。

目前我國尚無稱重式降水傳感器的校準(zhǔn)方法，因此研究人員按各行業(yè)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了兩種確保傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備可靠的方法。一種方法是分析稱重式降水傳感器與其他感雨儀器的降水觀測數(shù)據(jù)是否一致[3-7]。另一種方法是對稱重式降水傳感器加標(biāo)準(zhǔn)砝碼或注入恒定流速的水模擬降雨過程，通過比較傳感器示值和注水體積判斷傳感器測量誤差是否發(fā)生偏離[8]。事實(shí)上，稱重式降水傳感器測量原理的核心是對一段時間累積降雨量的質(zhì)量進(jìn)行采集，然后將質(zhì)量值在儀器內(nèi)部轉(zhuǎn)換為體積值，一旦傳感器對質(zhì)量的感知能力存在偏移，后續(xù)通過任何方法都不能消除這種由氣象觀測系統(tǒng)測量前端引入的誤差。所以，通過對傳感器添加標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行校準(zhǔn)是評價傳感器測量誤差的一種較為理想可靠的方法。既有研究由于數(shù)據(jù)量不足，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)僅包含對1～2個校準(zhǔn)點(diǎn)的測試等問題，導(dǎo)致對這類校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)缺乏分析。因此，如何通過分析基于標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)的計(jì)量數(shù)據(jù)，從而對傳感器測量誤差偏離程度進(jìn)行評價成為氣象探測領(lǐng)域中一項(xiàng)亟待解決的問題。

1 稱重降水傳感器測量原理和校準(zhǔn)方法

1.1 測量原理

稱重式降水傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由承水口、防風(fēng)圈、外殼、內(nèi)筒、載荷原件法蘭盤等部件組成。現(xiàn)場校準(zhǔn)過程中傳感器通信原理如圖2所示，傳感器基于載荷測量技術(shù)原理設(shè)計(jì)，通過對質(zhì)量變化的快速響應(yīng)測量降水量。其中，載荷元件測量質(zhì)量的方法有兩種。一種基于電阻形變程度測量，即載荷元件內(nèi)部的敏感梁在外力的作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，阻值將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號得到降水質(zhì)量。另一種基于振弦頻率測量，即載荷元件的主體部分是三只互為120°且振動頻率一致的標(biāo)準(zhǔn)彈簧，承重后按震動頻率與所受拉力的對應(yīng)關(guān)系換算得到降水質(zhì)量。

圖1 稱重式降水傳感器基本結(jié)構(gòu)[9]Fig.1 Structure of the weighing precipitation sensor[9]

圖2 現(xiàn)場校準(zhǔn)過程中稱重式降水傳感器通信原理Fig.2 Communication principle of the weighing precipitation sensor with respect to field calibration

1.2 校準(zhǔn)方法

如圖3所示，在傳感器與載荷元件相連的托盤上放置1 000 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為基準(zhǔn)質(zhì)量，待傳感器示值穩(wěn)定后依次放入質(zhì)量為3.14、314、942、1 570、2 570、7 570、12 570 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼，分別模擬1.0、10.0、30.0、50.0、81.8、241.1、400.3 mm降雨量。傳感器輸出數(shù)據(jù)為實(shí)際測得的砝碼質(zhì)量，讀數(shù)穩(wěn)定后分別將質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雨量數(shù)據(jù)，最后用各傳感器降水量示值減去對應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)降水量得到測量誤差。當(dāng)任意校準(zhǔn)點(diǎn)測量誤差絕對值大于等于標(biāo)準(zhǔn)降水量的4%時，判定該傳感器測量誤差超差，計(jì)量性能不合格，應(yīng)及時更換或維修。

2 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 稱重式降水傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)示意圖Fig.3 Sample of field calibration of the weighing precipitation sensor

2.1 數(shù)據(jù)來源

原始樣本采用2019—2021年本省國家級自動氣象站稱重式降水傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在這一時期共開展現(xiàn)場校準(zhǔn)工作206次，獲得203組有效校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。如圖4所示，共校準(zhǔn)DSC1型稱重降水傳感器(基于電阻形變程度測量質(zhì)量)158次，占比77.8%；DSC2型稱重降水傳感器(基于彈簧振弦頻率測量質(zhì)量)45次，占比21.8%。

圖4 2019—2021年稱重式降水傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)工作量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Field calibration workload statistics of the weighing precipitation sensor during 2019 to 2021

原始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中存在3組無效數(shù)據(jù)。其中，因DSC1型傳感器通信故障，校準(zhǔn)時發(fā)現(xiàn)每隔一段時間傳感器無示值顯示若干秒形成無效數(shù)據(jù)1次。因內(nèi)部結(jié)構(gòu)件損壞，DSC2型傳感器內(nèi)部彈簧變化的感應(yīng)靈敏度發(fā)生偏移形成無效數(shù)據(jù)2次。形成無效數(shù)據(jù)的原因是在現(xiàn)場校準(zhǔn)時發(fā)現(xiàn)傳感器無示值，或示值嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)值。

造成DSC1型通信故障的原因是傳感器與采集器通信線老化或被外力破損，而線纜受損處并未完全斷裂，使傳感器示值每正常顯示一段時間后隨即不顯示，且變化周期無規(guī)律。經(jīng)現(xiàn)場更換通信線后重新校準(zhǔn)，測量誤差滿足要求。造成DSC2型傳感器彈簧損壞的原因是儀器經(jīng)一次降水過程后沒有及時清理載荷元件托盤上的儲水，使傳感器長期滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行，標(biāo)準(zhǔn)彈簧持續(xù)處于過度拉伸狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場更換彈簧，在采集程序中重新配置彈簧系數(shù)后重新校準(zhǔn)，測量誤差滿足要求。

2.2 合格率統(tǒng)計(jì)

2.2.1 按年度統(tǒng)計(jì)

如圖5所示，對上述203組現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)測量誤差不合格數(shù)據(jù)22次，總體合格率為89.2%，逐年合格率為84.6%、96.8%、87.3%。

圖5 總體年度合格率統(tǒng)計(jì)Fig.5 Overall annual acceptance rate for measurement error of the sensor

2.2.2 按傳感器類型統(tǒng)計(jì)

目前山東省氣象觀測系統(tǒng)中使用的稱重降水傳感器主要有無錫DSC1型和華云DSC2型。如圖6所示，對上述203次現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)按傳感器類型統(tǒng)計(jì)，DSC1型傳感器總體合格率為88.6%，逐年合格率為84.2%、96.1%、86.0%。DSC2型傳感器總體合格率為91.1%，逐年合格率為85.7%、100%、92.3%。

圖6 兩類傳感器年合格率統(tǒng)計(jì)Fig.6 Annual acceptance rate of the two types of sensors

2.2.3 按不合格原因統(tǒng)計(jì)

如圖7所示，由于個別不合格傳感器在一次校準(zhǔn)中產(chǎn)生多組不合格數(shù)據(jù)，因此在上述22個不合格傳感器中存在28組不合格數(shù)據(jù)。其中，7個校準(zhǔn)點(diǎn)均存在計(jì)量性能偏移的情況， 1.0 mm校準(zhǔn)點(diǎn)出現(xiàn)超差現(xiàn)象次數(shù)最多(19次)，400.3 mm校準(zhǔn)點(diǎn)無超差現(xiàn)象，其余校準(zhǔn)點(diǎn)出現(xiàn)超差現(xiàn)象的次數(shù)較少(不超過2次)。

圖7 各校準(zhǔn)點(diǎn)不合格數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.7 Nonconformity quantity statistics at each calibration point

3 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析

3.1 偏離程度分析

傳感器的偏離程度是指對原始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)每個傳感器的測量誤差進(jìn)行逐年分析，計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)觀測誤差絕對值的最大值占校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值的百分比。偏離程度較小可反映2019—2021年傳感器采集的稱重降水觀測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值較接近。某支傳感器在指定校準(zhǔn)點(diǎn)偏離程度αij的計(jì)算方法為

,

(1)

如表1所示，現(xiàn)階段稱重式降水傳感器在1.0、10.0、30.0、50.0、81.8、241.1、400.3 mm校準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的偏離程度分別為2.1%、0.9%、0.5%、0.5%、0.4%、0.5%、0.4%。

表1 稱重式降水傳感器在各校準(zhǔn)點(diǎn)的偏離程度Table 1 Deviation degree of the weighing precipitation sensor at each calibration point

3.2 偏離程度變化趨勢

傳感器的偏離程度變化趨勢是指對原始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)每個傳感器在同一校準(zhǔn)點(diǎn)上的測量誤差變化范圍。本文采用年變化率作為傳感器的偏離程度變化的量化指標(biāo)，偏離程度年變化率βij的計(jì)算方法為

(2)

如表2所示，現(xiàn)階段稱重式降水傳感器在1.0、10.0、30.0、50.0、81.8、241.1、400.3 mm校準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的年變化率分別為0、0、0、0.10%、0.06%、0.04%、0.06%。由于傳感器采集質(zhì)量的分辨率為0.1 g，換算得到的降水量只保留一位小數(shù)，分析偏離程度年變化率只能精確到0.01%，所以造成前三個校準(zhǔn)點(diǎn)偏離程度年變化率為0。

表2 稱重式降水傳感器在各校準(zhǔn)點(diǎn)偏移程度年變化率Table 2 Annual change rate of the deviation degree of the weighing precipitation sensor at each calibration point

3.3 測量誤差變化模型

由于傳感器在任意校準(zhǔn)點(diǎn)測量誤差超過標(biāo)準(zhǔn)值的4%時，即視為該傳感器計(jì)量性能不合格，所以現(xiàn)階段傳感器的偏離程度和年變化率應(yīng)采用前述研究得到的最大值。事實(shí)上，測量誤差是屬于傳感器的一種固有誤差，國內(nèi)外校準(zhǔn)研究發(fā)現(xiàn)氣象傳感器的測量誤差通常隨著使用時間的增加而逐漸增大[10-12]，因此稱重式降水傳感器的測量誤差在未來某時刻的變化模型δ為：

(3)

其中，N為未來某時刻距2022年1月的年數(shù)差值。當(dāng)前傳感器的偏離程度應(yīng)采用最大值2.1%，年變化率最大值為0.1%，因此現(xiàn)階段稱重式降水傳感器的測量誤差偏離程度變化模型δw為：

δw=2.1%+0.1%N,N≥0，

(4)

即2023年1月傳感器偏離程度應(yīng)為2.2%，2024年1月傳感器偏離程度應(yīng)為2.3%。

4 結(jié)論

本文基于歷史校準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一種計(jì)算稱重式降水傳感器偏離程度及其變化趨勢的方法，根據(jù)現(xiàn)階段已有計(jì)量數(shù)據(jù)得到傳感器偏離程度變化模型，得到以下結(jié)論：

(1)通過分析校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為山東省自動氣象站稱重式降水傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)質(zhì)量受控可控提供了數(shù)據(jù)支撐。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，稱重式降水傳感器總體合格率、逐年合格率等指標(biāo)良好，盡管無錫DSC1型、華云DSC2型兩種型號傳感器載荷元件采集降水質(zhì)量的原理不同，但總體合格率較為一致。

(2)通過分析現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了稱重式降水傳感器測量誤差的變化規(guī)律。稱重式降水傳感器測量誤差總體偏離程度最大值為2.1%，小于校準(zhǔn)方法中規(guī)定的4.0%，且測量誤差的變化趨勢為每年增長0.1%。測量誤差的偏離程度、年變化率處于合理區(qū)間。

(3)通過分析校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，識別了稱重式降水傳感器易發(fā)生測量誤差超差的校準(zhǔn)點(diǎn)。在全部不合格傳感器中，1.0 mm校準(zhǔn)點(diǎn)測量誤差超差情況占比67.9%，因此傳感器在這個校準(zhǔn)點(diǎn)易發(fā)生計(jì)量性能偏移。由于1.0 mm降水對應(yīng)的為3.14 g，質(zhì)量較輕，校準(zhǔn)1.0 mm降水時現(xiàn)場大風(fēng)可使標(biāo)準(zhǔn)彈簧發(fā)生輕微抖動，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)彈簧的形變程度與3.14 g質(zhì)量對應(yīng)的形變程度不一致，不能達(dá)到校準(zhǔn)所需的穩(wěn)定狀態(tài)。現(xiàn)場校準(zhǔn)時可在傳感器外圍進(jìn)行一定遮擋，或在采集軟件中添加修正值或修正因子的方法減少現(xiàn)場環(huán)境對小雨量校準(zhǔn)的影響。