AG2型超声蒸发传感器现场校准方法研究

王 旭，孙文博，沈天舒，王雪松，张昊喆

(吉林省气象探测保障中心，长春 130062)

0 引言

蒸发是重要的物理现象之一，对调节大气温度、增加空气湿度等具有重要作用[1]。气象部门先后在国家基准气候站启用了基于 E601B型蒸发桶的AG1和AG2型超声波蒸发传感器，用于测量水位和蒸发量。随着新型自动气象站的业务运转，现用的超声波蒸发传感器临近校准期限，但在实际计量校准工作中，AG2型超声波蒸发传感器(简称AG2型蒸发传感器)校准规程尚未有准确依据，如何正确应用和校准该传感器成为亟待解决的问题[2-4]。

刘宗庆[5]等对两种蒸发传感器观测数据进行了分析，未明确校准方法。王毛翠[6]等针对测量环境研究的AG2型蒸发传感器校准方法给出了修订系数，未考虑台站地面综合观测业务软件硬件存在的误差。

文章基于现有AG2型蒸发传感器，进行现场实验方法研究，明确校准方法，对提高测量准确度和校准规程的修订具有重要意义。

1 工作原理

超声波蒸发传感器是根据超声波测距原理，将探头至水面的距离转换为电流信号输出，再将电流信号转换为蒸发量[7]。AG2型蒸发传感器在AG1型超声波蒸发传感器基础上做出了一些改进。其由超声波传感器、不锈钢测量筒、百叶箱以及铝塑管、管件等部分组成。黄线、红线、白线分别代表信号线、电源正极线、地线。

2 校准方法研究

AG2型蒸发传感器与 AG1型蒸发传感器相比，其不锈钢圆筒的高度较低，零点位置发生变化，因此JJG(气象)006-2011《自动气象站蒸发传感器》的部分内容对于 AG2型蒸发传感器不再适用。下面阐述新型自动气象站中AG2型超声波蒸发传感器的现场校准方法。

2.1 校准条件

在现场校准工作开展前，要做好前提工作：一是保证蒸发传感器整洁，外观良好，不能出现腐蚀、变形等现象；二是标准设备和被测设备都要进行预热，一般不低于10 min；三是要认真检查各连接线，要求连接稳固，无虚接。

2.2 校准点选择

AG2型蒸发传感器的测量范围：0～98.1 mm。校准点的选择要在该区间内。参照JJG(气象)006-2011《自动气象站蒸发传感器》检定规程，选取校准点0 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、90 mm。

2.3 示值误差校准

以吉林省自动气象站的蒸发传感器为被检样本。为避免蒸发桶的拆卸，在校准过程中配备1套经过检定的标准AG2型蒸发传感器对被测AG2型蒸发传感器进行检测。采用标准蒸发桶与被测AG2型蒸发传感器匹配，检测在用被测蒸发传感器探头的误差；采用标准AG2型蒸发传感器探头与被测蒸发桶匹配，检测在用被测蒸发传感器探头的误差。

数据读取过程中，标准模块组为中环天仪生产的JBZ1型蒸发校准模块。现场数据读取采用两种方式：一是通过万用表检测电流信号后换算为蒸发量；二是通过业务平台直接读取蒸发量。

2.4 示值误差计算

1)电流与高度关系

h=6.13125×(20-I)

(1)

式中，h为水位高度；I为电流值。

2)各校准点的相对误差

(2)

式中，Δh′为相对误差值；h为高度示值；h0为零位值；hs为标准高度值。

3)被测蒸发传感器相对误差

(3)

式中，Δh为被检蒸发传感器的相对误差值；Δh0为标准蒸发传感器的相对误差值。

3 实验结果

为了验证现场校准方法的可行性，选择长春市绿园区气象站、通化市气象站、临江气象站、长白山池北区气象站、和龙市气象站5个地点进行现场校准实验。

3.1 数据准确度分析

1)标准蒸发桶检测被测AG2型蒸发传感器

根据检测数据对比分析得出，万用表测量读取数值和业务软件平台读取数值相比，前者更接近实际数值。

2)标准AG2型蒸发传感器探头检测被测蒸发桶

根据检测数据对比分析得出，万用表测量读取数值和业务软件平台读取数值相比，前者更接近实际数值。

3)被检蒸发传感器示值误差

根据公式(2)、(3)，计算得出5个地点的超声波蒸发传感器的实际相对误差、万用表读数相对误差及业务软件读数相对误差。同实际相对误差进行比较，利用数字万用表读取测量值的相对误差优于通过台站地面综合观测业务软件获取的相对误差。

3.2 检测速度分析

1)标准蒸发桶检测被测AG2型蒸发传感器

从时间对比可以看出，标准蒸发桶检测被测AG2型蒸发传感器过程，利用数字万用表读取时间明显少于台站地面综合观测业务软件的读取时间。

2)标准AG2型蒸发传感器探头检测被测蒸发桶

从时间对比可以看出，标准AG2型蒸发传感器探头检测被测蒸发桶过程，利用数字万用表读取时间明显少于台站地面综合观测业务软件的读取时间。

4 结束语

文章通过设计的现场校准方法进行现场实验，实验结果表明，万用表检测方法的检测时间较短，数据准确度较高，为自动气象站蒸发传感器检定规程修订提供了理论支撑。为便于采用万用表检测数据，建议全省蒸发传感器采用接线盒接线。随着科学技术的不断进步，如何降低人工及环境等因素的影响值得深入研究，蒸发传感器的自动校准装置及校准方法是今后研究的方向。