廖 鑫，李生慧，徐泽东

(青海省大气探测技术保障中心，西宁810000)

0 引言

自动气象站是利用传感器进行气象观测、记录、编码和发送数据的自动化设备，目前自动气象站被广泛应用于地面气象观测中。地温是地面气象观测中的一项观测要素，地温包括地表温度、浅层地温和深层地温，测量深度分别为地表、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、80 cm、160 cm和320 cm，1套自动气象站需配备9支地温传感器。地温传感器的感温元件为铂电阻，利用铂电阻的电阻值能够随温度变化的原理测量温度。规范要求所有传感器都要在观测场地沟或管道中布线，最后接至采集器，但此项要求给传感器的撤换、检定及维护工作带来了极大的不便，文章对此进行研究，并得出合理且便于实施的改进方法。改进前后分别对传感器进行测温实验，比较并分析传感器改进前后所测得的数据差异及传感器的连续采集能力。

1 改进方法

按照GB/T 35233-2017《地面气象观测规范 地温》中对浅层地温传感器的安装要求，与各浅层地温传感器连接的电缆线埋入土中的长度不小于1 m。因此，当传感器损坏或者撤换检定时，必须将旧传感器连同电缆线一同从地沟或管道中抽出，再将新的传感器安装回原位置。由于地沟或管道内有较多传感器的电缆线且电缆线容易相互缠绕，给更换工作带来了极大的不便，因此需将传感器的电缆线进行裁剪。对裁剪过的电缆线线头做进一步处理，制作成便于插拔且不影响数据传输的插头。自动气象站所用的地温传感器采用四线制的测量方法，因此选用四芯的航空插头对裁剪后的线头两端进行改造，形成便于维护、维修的插拔式插头。

2 改进方法的可行性验证

2.1 理论验证

自动气象站所用的地温传感器为Pt100型铂电阻，通过测量其电阻值的变化来反映温度的变化，采用四线恒流源电桥的测量方法，有效避免导线长度对其阻值的影响，具体测量方法如图1所示。

图1 测温原理

图中R0为标准电阻，R0=100 Ω，Rt为铂电阻，测量V1、V2值即可求得Rt值：

Rt=R0×V1/V2

(1)

铂电阻计算公式：

Rt=R0×(1+At+Bt2)

(2)

式(2)中，A为常数，其值为3.9083×10-3℃-1；B为常数，其值为-5.7750×10-7℃-2。

根据式(1)、(2)可以计算出温度t的值，且温度t的值只与V1和V2有关，而V1和V2分别为铂电阻和标准电阻在有恒流源A时两端的电压值，该电压值在恒流条件下，只与电阻本身有关，并不受连接信号线的影响[1]。因此，对地温传感器导线进行裁剪并增加可插拔的航空插头，并不影响铂电阻自身电阻值的测量，对最终测算出的温度值也无影响，此改进方法理论上是可行的。

2.2 实验验证

改进工作进行前后，分别随机选取8支地温传感器对其测温准确度进行检定，按照JJG(气象)002-2015《自动气象站铂电阻温度传感器》检定规程检定，前后两次检定采用相同的标准器和相同的检定系统，且由相同的检定人员进行操作，使两次实验的系统误差无限接近，力求能真实反映传感器改进前后的误差变化。

3 实验结果

3.1 误差变化

对比改进前后传感器所测数据的差异，主要分析两组数据的误差变化，误差变化是指改进前后传感器误差值之差，能够直接反映出改进前后传感器的偏差(表1)。

表1 改进前后传感器误差差值 ℃

从表中数据可以看出：改进前后的传感器误差变化在±0.02 ℃范围内，变化范围较小。且传感器改造前后的测量结果均符合GB/T 35221-2017《地面气象观测规范 总则》中对自动气象站地温技术指标的要求，表明此改进方法对传感器测量准确性的影响较小。

3.2 不确定度

测量不确定度是表征合理赋予被测量值的分散性与测量结果相联系的参数。测量不确定度是一个能够评定测量结果可信程度的参数，引入不确定度可以科学合理地对测量结果的准确程度作出评价[2]。不确定度越小，表示测量结果与真值相差越小，测量结果越可靠；反之，不确定度越大，测量结果与真值相差越大，其可靠性越差，则仪器的使用价值就越低。

此次实验对选取的检定点进行了4次误差值的测量，因测量次数较少，根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》选用极差法计算实验标准偏差s(x)，则A类不确定度uA为：

(3)

式(3)中，n为测量次数。根据式(3)，计算改进前后A类不确定度，见表2、表3。

表2 改进前A类不确定度 ℃

表3 改进后A类不确定度 ℃

改进前后均采用相同的标准器和相同的检定系统检定，且由相同的检定人员进行操作，因此改进前后B类不确定度是相同的，uB为0.03 ℃。将改进前后uA和uB代入式(4)，从而计算出扩展不确定度U为：

(4)

其中，k为包含因子，一般取2。

通过计算，改进前后传感器测量结果的扩展不确定度U均为0.03 ℃，并未发生变化，且扩展不确定度值较小，表明其测量结果的可靠程度较高。

3.3 连续采集能力

连续采集能力是指传感器改造后，能否连续采集观测数据。衡量传感器改进后的工作性能是否发生变化，通常采取两种方式：一是在实验室检定时，观察改进后的传感器是否能够正常采集与读取数据；二是在改进后的试点台站的地温数据中随机抽取2 d的单日数据，检查是否存在分钟数据缺测现象。经检查，改进后的传感器能够正常采集与读取数据，且无分钟数据缺测情况。由此证明，此改进方法对地温传感器的连续观测能力没有影响。

4 结束语

文章所采用的改进方法并未改变地温传感器的观测性能，且有效缩短了地温传感器现场更换、维护的时间，减小了地温场的施工创面，最大限度降低了对地温场探测环境的破坏，缩短了地温资料缺测的时间。同时极大提高了地温传感器实验室检定的效率，保障了地温传感器观测数据的准确性和可靠性。