浮筒式自动水温计与人工水温计比测误差原因探讨

2023-07-09田雪梅屈海晨

海河水利 2023年6期

李娜，田雪梅，屈海晨

（1.海河水利委员会综合管理中心，天津 300170；2.中国水电基础局有限公司，天津 301700；3.海河下游管理局西河闸管理处，天津 300380）

随着水文现代化建设的推进，水文测验要素中水位、流量、泥沙、水温相关的自动化观测技术已大幅提升[1,2]。为提高水温自动化监测能力，各式水温自动化测量仪器在国内各区域得到不同程度的应用。高强[3]采用浮舟式自动水温计在青海的同仁水文站进行比测分析，结果显示自动水温计和人工观测的数据具有较好的同步性。蒲灵[4]采用水温同步原型观测方案实现了河流自动观测水温和人工观测水温的同步，结果显示自动水温计和人工水温计的总体观测误差小于±0.6℃，且具有较好的同步性。此外，还有研究[5-10]通过建立数学模型对河流水温进行模拟，模拟水温和人工测定水温的相关性结果可实现水温的自动推定。上述成果均表明河流的水温具有一定规律，水温传感器可对其进行自动观测。浮筒式自动水温计是一种利用现代传感器技术、自动测量技术与通信网络技术相结合的实时自动测温系统，已在国内水文测站得到广泛应用[10-13]。为提高天津地区河流水温自动化观测能力，笔者以杨柳青水文站为例将高精度浮筒式自动水温计与人工水温计测温进行比对，并对误差进行分析，进而对自动计量水温数据质量开展评估。

1 比测站点概况

杨柳青水文站位于天津市西青区杨柳青镇北，是国家基本水文站、中央级报汛站，水温数据采集是其水文业务的重要工作。多年来，该水文站水温测验一直采用传统的人工观测方法，由于人为和环境温度的影响，测验数据难以达到准确数值。近年来，随着科技发展和先进技术的应用，一些数据自动采集和传输的先进设备在杨柳青水文站水文工作中不断得到应用，不仅极大地提高了工作效率，减轻了人工劳动强度，而且提高了数据的准确性和可靠性。

2 浮筒式自动水温计设备组成和主要功能

浮筒式自动水温计（以下简称自动水温计）是运用现代传感器技术、自动测量技术和通信网络技术所组成的实时在线自动测温系统，云平台可随时下载各时段的实时监测数据及图表，并可以自行设定测定间隔及查看历史数据记录，同时具备报警功能，当设备出现自动离线时可自动报警。

2.1 设备组成

自动水温计主要由浮筒、机箱支架、保护筒、太阳能板、锂电池、太阳能控制器、DTU、机箱、传感器、数据平台组成。其中，浮筒提供整体浮力，为环形结构，外径550 mm，内径300 mm；机箱支架用于固定太阳能板和机箱；保护筒位于浮筒下方水中，用于保护探头不被悬浮物撞击；太阳能板功率30 W，位于浮筒正上方，对锂电池进行充电；锂电池为19.6 AH 12 V锂电池，内置保护板（电池与太阳能板功率配比已经做过2 a的实际测定）；太阳能控制器用于管理太阳能板对锂电池进行充电，默认12.6 V 为截止电压，9.8 V 为关闭负载电压，11.1 V 为系统恢复电压；DTU 数据传输模块，支持移动/电信/联通三网4G，非特殊情况下一般使用移动物联网卡；机箱野外防护等级IP68，水溅和下雨不会进水，可承受短时间浸泡，其中间固定锂电池、太阳能控制器、DTU，并且用Φ12 mm 航空插头连接太阳能板和传感器；传感器为18B20探头，线缆上集成Max485 模块，整体执行RS485/MODBUS 协议；数据平台为查询/回复模式，根据预设的时间间隔发送查询报文，设备在线无故障情况下发送当前数据报文，目前存储历史数据无时间限制。

2.2 主要功能

自动水温计主要参数为：最小分辨率0.1℃；测量精度≤0.5℃；供电电流≤100 mA（工作）；整体功率约1 W；工作电压12 V DC；运行温度-20～60℃；测量范围-55～80℃；野外防护等级为IP68；信号输出执行RS485/MODBUS 协议。该水温计能按照水温观测有关规范要求，自动测量水温，并将测得数据通过无线网络发送至中心站服务器平台，实现水温监测的自动化。该水温计的特点是水温传感器始终处于水面以下0.5 cm位置，定时测量水温，自动生成相关水温报表，支持短信、微信、电子邮件3 种方式查询历史水温。

3 人工比测试验方案

3.1 试验目的

采用自动水温计观测水温数据并进行实时传输，同时采用SW-1 型水温计、一等水温计对水温数据（两者属于人工观测）进行同步观测，通过比较分析探讨三者之间的关系，寻找水温变化规律。

3.2 试验仪器和步骤

（1）试验仪器和材料。包括SW-1型水温计、一等水温计、自动水温计各1只，600 mm×300 mm×300 mm透明亚克力水槽1个，热水壶1个，冰块若干。

（2）试验步骤和注意事项。向水槽内加满水，将SW-1 型水温计、一等水温计、自动水温计探头精确固定在水下同一深度0.5 m 处，并将自动水温计18B20 自动监测探头设为5 min 上传1 次读数；通过冰块降温和电热水器加温，使水槽内水温控制在5～35℃，并同时开展水温数据观测和采集。在自动水温计上传读数的同时，对SW-1 型水温计、一等水温计进行人工读数并记录。读数时，平视液体液面，尽量减少误差。对3只水温计测得温度值进行统计，并分别绘制其变化曲线，对比分析其中存在的差异。

3.3 比测误差计算公式

参照《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）中水位校核标准对其误差分析标准进行固定，以人工观测的水温数据作为实际测量水温，进行误差分析计算。误差计算公式如下：

式中：δ为人工观测水温和自动水温计观测水温之间的误差（℃）；Ai为自动水温计观测值（℃）；A为人工观测水温值（℃）。

4 水温比测误差分析

4.1 冷水试验水温比测误差分析

使用冰块降温，使得水体温度为5～6℃，同步观测自动水温计、SW-1 型水温计、一等水温计的水温读数，并统计自动与人工观测水温之间的误差。冷水试验水温比测误差统计结果，详见表1。

表1 冷水试验水温比测误差统计℃

冷水试验自动水温计与SW-1型水温计、一等水温计观测数据拟合度及相关系数，如图1—2所示。

图1 冷水试验自动水温计与SW-1型水温计、一等水温计观测水温对比

由表1 可知，冷水试验自动水温计与人工观测的水温计之间的水温误差除1 个观测时间外，其余观测时间均在±0.2℃。参照《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）中水位校核标准要求误差标准在±0.2℃以内即可满足要求，自动水温计和一等水温计之间的水温误差均达到此要求，且其水温误差分布总体要好于自动水温计与SW-1 型水温计之间的水温误差分布。由图1 可以看出，自动水温计与一等水温计观测水温在各观测时间的吻合度总体要好于自动水温计与SW-1 型水温计的的吻合度。由图2 可以看出，自动水温计与人工观测水温之间的相关系数高于0.6，具有较好的相关性，其中自动水温计与SW-1 型水温计观测水温之间的相关性总体好于自动水温计与一等水温计观测水温之间的相关性。

图2 冷水试验自动水温计与SW-1型水温计、一等水温计观测水温相关性

4.2 热水试验水温比测误差分析

使用电热水壶加热方式，使得水体温度为32～36℃，同步观测自动水温计、SW-1型水温计、一等水温计的水温读数，并统计自动水温计和人工观测水温之间的误差。热水试验水温比测误差统计结果，详见表2。

表2 热水试验水温比测误差统计℃

热水试验自动水温计与SW-1型水温计、一等水温计观测数据拟合度及相关系数，如图3—4 所示。

图3 热水试验自动水温计与SW-1型水温计、一等水温计观测水温对比

图4 热水试验自动水温计与SW-1型水温计、一等水温计观测水温相关性

由表2可知，热水试验自动水温计与SW-1型水温计之间的水温误差除1 个观测时间外，其余观测时间均在±0.2℃。参照《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）中水位校核标准要求误差标准在±0.2℃以内即可满足要求，自动水温计和一等水温计之间的水温误差均达到此要求，且其水温误差分布总体要好于自动水温计与SW-1 型水温计之间的水温误差分布。由图1—4 可以看出，热水试验下自动水温计与人工观测水温在各观测时间的吻合度均好于冷水试验下吻合度，其相关系数均在0.9 以上，其中热水试验下自动水温计与SW-1 型水温计、一等水温计观测水温之间的相关系数总体要好于冷水试验下的相关系数。