稱重式降水傳感器測量誤差變化研究

邱實，楊茂水*，孫嫣，任燕，吳舉秀

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 濟南 250031；2.山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，山東 濟南 250031)

我國氣象部門廣泛采用稱重式降水傳感器進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確可靠的方法是對其定期校準[1-2]。稱重式降水傳感器校準工作以現(xiàn)場形式為主，即人員攜帶標準砝碼或加液器等標準設(shè)備，向傳感器的稱重單元加以標準的重量或降水量，儀器示值與標準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，計量性能出現(xiàn)偏移，需進行維修維護。

目前我國尚無稱重式降水傳感器的校準方法，因此研究人員按各行業(yè)的實際情況設(shè)計了兩種確保傳感器采集數(shù)據(jù)準備可靠的方法。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準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準砝碼進行校準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，校準數(shù)據(jù)僅包含對1～2個校準點的測試等問題，導(dǎo)致對這類校準方法和校準數(shù)據(jù)缺乏分析。因此，如何通過分析基于標準砝碼校準的計量數(shù)據(jù)，從而對傳感器測量誤差偏離程度進行評價成為氣象探測領(lǐng)域中一項亟待解決的問題。

1 稱重降水傳感器測量原理和校準方法

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、防風圈、外殼、內(nèi)筒、載荷原件法蘭盤等部件組成?，F(xiàn)場校準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，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準彈簧，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標準砝碼作為基準質(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標準砝碼，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)校準點標準降水量得到測量誤差。當任意校準點測量誤差絕對值大于等于標準降水量的4%時，判定該傳感器測量誤差超差，計量性能不合格，應(yīng)及時更換或維修。

2 校準數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 稱重式降水傳感器現(xiàn)場校準示意圖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數(shù)據(jù)，在這一時期共開展現(xiàn)場校準工作206次，獲得203組有效校準數(shù)據(jù)。如圖4所示，共校準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)場校準工作量統(tǒng)計Fig.4 Field calibration workload statistics of the weighing precipitation sensor during 2019 to 2021

原始校準數(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)場校準時發(fā)現(xiàn)傳感器無示值，或示值嚴重偏離標準值。

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，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，使傳感器長期滿負荷或超負荷運行，標準彈簧持續(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，測量誤差滿足要求。

2.2 合格率統(tǒng)計

2.2.1 按年度統(tǒng)計

如圖5所示，對上述203組現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，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Fig.5 Overall annual acceptance rate for measurement error of the sensor

2.2.2 按傳感器類型統(tǒng)計

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)場校準數(shù)據(jù)按傳感器類型統(tǒng)計，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Fig.6 Annual acceptance rate of the two types of sensors

2.2.3 按不合格原因統(tǒng)計

如圖7所示，由于個別不合格傳感器在一次校準中產(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個校準點均存在計量性能偏移的情況， 1.0 mm校準點出現(xiàn)超差現(xiàn)象次數(shù)最多(19次)，400.3 mm校準點無超差現(xiàn)象，其余校準點出現(xiàn)超差現(xiàn)象的次數(shù)較少(不超過2次)。

圖7 各校準點不合格數(shù)量統(tǒng)計Fig.7 Nonconformity quantity statistics at each calibration point

3 校準數(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數(shù)據(jù)每個傳感器的測量誤差進行逐年分析，計算各校準點觀測誤差絕對值的最大值占校準點標準值的百分比。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)與標準值較接近。某支傳感器在指定校準點偏離程度αij的計算方法為

,

(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校準點對應(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點的偏離程度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數(shù)據(jù)每個傳感器在同一校準點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，偏離程度年變化率βij的計算方法為

(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校準點對應(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點偏離程度年變化率為0。

表2 稱重式降水傳感器在各校準點偏移程度年變化率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點測量誤差超過標準值的4%時，即視為該傳感器計量性能不合格，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。事實上，測量誤差是屬于傳感器的一種固有誤差，國內(nèi)外校準研究發(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

本文基于歷史校準數(shù)據(jù)設(shè)計了一種計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)通過分析校準數(shù)據(jù)，為山東省自動氣象站稱重式降水傳感器計量數(shù)據(jù)質(zhì)量受控可控提供了數(shù)據(jù)支撐。校準數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，稱重式降水傳感器總體合格率、逐年合格率等指標良好，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點。在全部不合格傳感器中，1.0 mm校準點測量誤差超差情況占比67.9%，因此傳感器在這個校準點易發(fā)生計量性能偏移。由于1.0 mm降水對應(yīng)的為3.14 g，質(zhì)量較輕，校準1.0 mm降水時現(xiàn)場大風可使標準彈簧發(fā)生輕微抖動，導(dǎo)致標準彈簧的形變程度與3.14 g質(zhì)量對應(yīng)的形變程度不一致，不能達到校準所需的穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)場校準時可在傳感器外圍進行一定遮擋，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)境對小雨量校準的影響。