浮筒式自動水溫計與人工水溫計比測誤差原因探討

李 娜，田雪梅，屈海晨

（1.海河水利委員會綜合管理中心，天津 300170；2.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700；3.海河下游管理局西河閘管理處，天津 300380）

隨著水文現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，水文測驗要素中水位、流量、泥沙、水溫相關(guān)的自動化觀測技術(shù)已大幅提升[1,2]。為提高水溫自動化監(jiān)測能力，各式水溫自動化測量儀器在國內(nèi)各區(qū)域得到不同程度的應(yīng)用。高強[3]采用浮舟式自動水溫計在青海的同仁水文站進(jìn)行比測分析，結(jié)果顯示自動水溫計和人工觀測的數(shù)據(jù)具有較好的同步性。蒲靈[4]采用水溫同步原型觀測方案實現(xiàn)了河流自動觀測水溫和人工觀測水溫的同步，結(jié)果顯示自動水溫計和人工水溫計的總體觀測誤差小于±0.6℃，且具有較好的同步性。此外，還有研究[5-10]通過建立數(shù)學(xué)模型對河流水溫進(jìn)行模擬，模擬水溫和人工測定水溫的相關(guān)性結(jié)果可實現(xiàn)水溫的自動推定。上述成果均表明河流的水溫具有一定規(guī)律，水溫傳感器可對其進(jìn)行自動觀測。浮筒式自動水溫計是一種利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的實時自動測溫系統(tǒng)，已在國內(nèi)水文測站得到廣泛應(yīng)用[10-13]。為提高天津地區(qū)河流水溫自動化觀測能力，筆者以楊柳青水文站為例將高精度浮筒式自動水溫計與人工水溫計測溫進(jìn)行比對，并對誤差進(jìn)行分析，進(jìn)而對自動計量水溫數(shù)據(jù)質(zhì)量開展評估。

1 比測站點概況

楊柳青水文站位于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北，是國家基本水文站、中央級報汛站，水溫數(shù)據(jù)采集是其水文業(yè)務(wù)的重要工作。多年來，該水文站水溫測驗一直采用傳統(tǒng)的人工觀測方法，由于人為和環(huán)境溫度的影響，測驗數(shù)據(jù)難以達(dá)到準(zhǔn)確數(shù)值。近年來，隨著科技發(fā)展和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，一些數(shù)據(jù)自動采集和傳輸?shù)南冗M(jìn)設(shè)備在楊柳青水文站水文工作中不斷得到應(yīng)用，不僅極大地提高了工作效率，減輕了人工勞動強度，而且提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 浮筒式自動水溫計設(shè)備組成和主要功能

浮筒式自動水溫計（以下簡稱自動水溫計）是運用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所組成的實時在線自動測溫系統(tǒng)，云平臺可隨時下載各時段的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及圖表，并可以自行設(shè)定測定間隔及查看歷史數(shù)據(jù)記錄，同時具備報警功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)自動離線時可自動報警。

2.1 設(shè)備組成

自動水溫計主要由浮筒、機箱支架、保護(hù)筒、太陽能板、鋰電池、太陽能控制器、DTU、機箱、傳感器、數(shù)據(jù)平臺組成。其中，浮筒提供整體浮力，為環(huán)形結(jié)構(gòu)，外徑550 mm，內(nèi)徑300 mm；機箱支架用于固定太陽能板和機箱；保護(hù)筒位于浮筒下方水中，用于保護(hù)探頭不被懸浮物撞擊；太陽能板功率30 W，位于浮筒正上方，對鋰電池進(jìn)行充電；鋰電池為19.6 AH 12 V鋰電池，內(nèi)置保護(hù)板（電池與太陽能板功率配比已經(jīng)做過2 a的實際測定）；太陽能控制器用于管理太陽能板對鋰電池進(jìn)行充電，默認(rèn)12.6 V 為截止電壓，9.8 V 為關(guān)閉負(fù)載電壓，11.1 V 為系統(tǒng)恢復(fù)電壓；DTU 數(shù)據(jù)傳輸模塊，支持移動/電信/聯(lián)通三網(wǎng)4G，非特殊情況下一般使用移動物聯(lián)網(wǎng)卡；機箱野外防護(hù)等級IP68，水濺和下雨不會進(jìn)水，可承受短時間浸泡，其中間固定鋰電池、太陽能控制器、DTU，并且用Φ12 mm 航空插頭連接太陽能板和傳感器；傳感器為18B20探頭，線纜上集成Max485 模塊，整體執(zhí)行RS485/MODBUS 協(xié)議；數(shù)據(jù)平臺為查詢/回復(fù)模式，根據(jù)預(yù)設(shè)的時間間隔發(fā)送查詢報文，設(shè)備在線無故障情況下發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)報文，目前存儲歷史數(shù)據(jù)無時間限制。

2.2 主要功能

自動水溫計主要參數(shù)為：最小分辨率0.1℃；測量精度≤0.5℃；供電電流≤100 mA（工作）；整體功率約1 W；工作電壓12 V DC；運行溫度-20～60℃；測量范圍-55～80℃；野外防護(hù)等級為IP68；信號輸出執(zhí)行RS485/MODBUS 協(xié)議。該水溫計能按照水溫觀測有關(guān)規(guī)范要求，自動測量水溫，并將測得數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心站服務(wù)器平臺，實現(xiàn)水溫監(jiān)測的自動化。該水溫計的特點是水溫傳感器始終處于水面以下0.5 cm位置，定時測量水溫，自動生成相關(guān)水溫報表，支持短信、微信、電子郵件3 種方式查詢歷史水溫。

3 人工比測試驗方案

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

采用自動水溫計觀測水溫數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時傳輸，同時采用SW-1 型水溫計、一等水溫計對水溫數(shù)據(jù)（兩者屬于人工觀測）進(jìn)行同步觀測，通過比較分析探討三者之間的關(guān)系，尋找水溫變化規(guī)律。

3.2 試驗儀器和步驟

（1）試驗儀器和材料。包括SW-1型水溫計、一等水溫計、自動水溫計各1只，600 mm×300 mm×300 mm透明亞克力水槽1個，熱水壺1個，冰塊若干。

（2）試驗步驟和注意事項。向水槽內(nèi)加滿水，將SW-1 型水溫計、一等水溫計、自動水溫計探頭精確固定在水下同一深度0.5 m 處，并將自動水溫計18B20 自動監(jiān)測探頭設(shè)為5 min 上傳1 次讀數(shù)；通過冰塊降溫和電熱水器加溫，使水槽內(nèi)水溫控制在5～35℃，并同時開展水溫數(shù)據(jù)觀測和采集。在自動水溫計上傳讀數(shù)的同時，對SW-1 型水溫計、一等水溫計進(jìn)行人工讀數(shù)并記錄。讀數(shù)時，平視液體液面，盡量減少誤差。對3只水溫計測得溫度值進(jìn)行統(tǒng)計，并分別繪制其變化曲線，對比分析其中存在的差異。

3.3 比測誤差計算公式

參照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中水位校核標(biāo)準(zhǔn)對其誤差分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固定，以人工觀測的水溫數(shù)據(jù)作為實際測量水溫，進(jìn)行誤差分析計算。誤差計算公式如下：

式中：δ為人工觀測水溫和自動水溫計觀測水溫之間的誤差（℃）；Ai為自動水溫計觀測值（℃）；A為人工觀測水溫值（℃）。

4 水溫比測誤差分析

4.1 冷水試驗水溫比測誤差分析

使用冰塊降溫，使得水體溫度為5～6℃，同步觀測自動水溫計、SW-1 型水溫計、一等水溫計的水溫讀數(shù)，并統(tǒng)計自動與人工觀測水溫之間的誤差。冷水試驗水溫比測誤差統(tǒng)計結(jié)果，詳見表1。

表1 冷水試驗水溫比測誤差統(tǒng)計℃

冷水試驗自動水溫計與SW-1型水溫計、一等水溫計觀測數(shù)據(jù)擬合度及相關(guān)系數(shù)，如圖1—2所示。

圖1 冷水試驗自動水溫計與SW-1型水溫計、一等水溫計觀測水溫對比

由表1 可知，冷水試驗自動水溫計與人工觀測的水溫計之間的水溫誤差除1 個觀測時間外，其余觀測時間均在±0.2℃。參照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中水位校核標(biāo)準(zhǔn)要求誤差標(biāo)準(zhǔn)在±0.2℃以內(nèi)即可滿足要求，自動水溫計和一等水溫計之間的水溫誤差均達(dá)到此要求，且其水溫誤差分布總體要好于自動水溫計與SW-1 型水溫計之間的水溫誤差分布。由圖1 可以看出，自動水溫計與一等水溫計觀測水溫在各觀測時間的吻合度總體要好于自動水溫計與SW-1 型水溫計的的吻合度。由圖2 可以看出，自動水溫計與人工觀測水溫之間的相關(guān)系數(shù)高于0.6，具有較好的相關(guān)性，其中自動水溫計與SW-1 型水溫計觀測水溫之間的相關(guān)性總體好于自動水溫計與一等水溫計觀測水溫之間的相關(guān)性。

圖2 冷水試驗自動水溫計與SW-1型水溫計、一等水溫計觀測水溫相關(guān)性

4.2 熱水試驗水溫比測誤差分析

使用電熱水壺加熱方式，使得水體溫度為32～36℃，同步觀測自動水溫計、SW-1型水溫計、一等水溫計的水溫讀數(shù)，并統(tǒng)計自動水溫計和人工觀測水溫之間的誤差。熱水試驗水溫比測誤差統(tǒng)計結(jié)果，詳見表2。

表2 熱水試驗水溫比測誤差統(tǒng)計℃

熱水試驗自動水溫計與SW-1型水溫計、一等水溫計觀測數(shù)據(jù)擬合度及相關(guān)系數(shù)，如圖3—4 所示。

圖3 熱水試驗自動水溫計與SW-1型水溫計、一等水溫計觀測水溫對比

圖4 熱水試驗自動水溫計與SW-1型水溫計、一等水溫計觀測水溫相關(guān)性

由表2可知，熱水試驗自動水溫計與SW-1型水溫計之間的水溫誤差除1 個觀測時間外，其余觀測時間均在±0.2℃。參照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）中水位校核標(biāo)準(zhǔn)要求誤差標(biāo)準(zhǔn)在±0.2℃以內(nèi)即可滿足要求，自動水溫計和一等水溫計之間的水溫誤差均達(dá)到此要求，且其水溫誤差分布總體要好于自動水溫計與SW-1 型水溫計之間的水溫誤差分布。由圖1—4 可以看出，熱水試驗下自動水溫計與人工觀測水溫在各觀測時間的吻合度均好于冷水試驗下吻合度，其相關(guān)系數(shù)均在0.9 以上，其中熱水試驗下自動水溫計與SW-1 型水溫計、一等水溫計觀測水溫之間的相關(guān)系數(shù)總體要好于冷水試驗下的相關(guān)系數(shù)。

5 誤差原因探討

（1）在冷水和熱水試驗中，自動水溫計與SW-1型水溫計觀測溫度誤差僅有1個觀測時間未在±0.2℃的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。這可能是由于隨機誤差導(dǎo)致的，如儀器計量誤差或者人工讀數(shù)誤差。使用自動水溫計，需盡量降低測量儀器的系統(tǒng)誤差，并避免隨機誤差。

（2）人工水溫計與自動水溫計觀測水溫基準(zhǔn)值存在一定程度的偏差。若發(fā)現(xiàn)自動水溫計觀測讀數(shù)存在異常值，需及時對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整、校準(zhǔn)；若存在系統(tǒng)偏離，則要及時調(diào)整自動水溫計的基準(zhǔn)值。

6 結(jié)語

（1）建議自動水溫計觀測水溫單次誤差的評定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置在±0.2℃以內(nèi)，年水溫測驗合格率高于95%，各月份、時段平均水溫誤差控制在±0.2℃以內(nèi)。若自動水溫計觀測水溫滿足以上要求，則可以將其應(yīng)用在河流水文測驗中。

（2）結(jié)合河流測站實際情況，對水溫自動觀測儀器類型及性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，選擇性價比高的自動水溫計。

（3）具體使用時若發(fā)現(xiàn)自動水溫計觀測讀數(shù)存在異常值，要及時對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整、校準(zhǔn)；若存在系統(tǒng)偏離，則要及時調(diào)整自動水溫計的基準(zhǔn)值。