《称重式降水传感器校准规范》编写说明

1、称重式降水传感器校准规范编制说明称重式降水传感器校准规范JJFXXXX-20XX）编写说明起 草单 位：宁夏大气探测技术保障中心山东省气象局大气探测技术保障中心称重式降水传感器校准规范编制说明目录1任务来源 . .13编写过程 . .24编写依据 . .25修订规范的简要过程 . .35.1调研情况 .35.2规范的重点突出问题 .56规范主要内容说明 . .56.1范围 .56.2引用文献 .56.3术语 .66.4概述 .66.5计量特性 .67校准条件 . .77.1环境条件 .77.2标准器的选择 .78校准项目 . .88.1承水口直径 .88.2零值误差 .88.3灵敏阈 .88.

2、4示值误差 .88.5检定结果的处理 .99 复校时间间隔 . .910附录 . .911初步的试验验证 . .912测量不确定度评定说明 . .11称重式降水传感器校准规范编制说明1 任务来源经全国气象专用计量器具计量技术委员会向国家质量监督检验检疫总局申报，由宁夏大气探测技术保障中心制定称重式降水传感器校准规范。国家质量监督检验检疫总局于 2016 年 6 月通过审定并批准立项，以国质检办量函【2016】203 号文“ 2016 年国家计量技术法规制定修订计划项目表”的通知下达制订任务，称重式降水传感器校准规范归口于全国气象专用计量器具计量技术委员会。2 修订本规范的目的和意义称重式降水传

3、感器是实现降水自动化观测的智能传感器， 可用于固态及液态降水的观测。近几年，我国引进了全天候称重式降水测量技术，经过改进研制生产出称重式降水传感器，并已在全国气象台站广泛使用。因缺少相关的计量检定规范与校准规范，传感器无法进行检定 /校准，观测数据的可靠性大大降低。为保证观测数据质量和早日开展该类型传感器的检定 /校准工作，迫切需要研究称重式降水传感器校准方法和制定校准规范，为称重式降水传感器的校准提供技术依据。国内未见有该类降水传感器的检定校准方法。国家质量监督检验总局在2003 年发布了 JJG669-2003称重传感器检定规范，规定了质量测量中使用的称重传感器的主要静态计量性能和静态评定

4、方法。只有传感器的核心部件载荷单元适用，称重式降水使用该规范。 随着降水观测自动化的深入， 计量检测技术的滞后制约着设备效能的发挥，急需开展相关设备计量检定方法的开发研究称重式降水传感器是近两年才推广应用的新型降水类观测仪器， 目前已在我国气象台站广泛使用。早期投入使用的设备已经都到了周期检定的时间， 因缺少相关计量检定规范， 各省计量检定部门还无法开展该型设备的检定工作； 设备经过两年时间的运行， 当前技术性能状况如何不经实验室检定也无1称重式雨量传感器校准规范编制说明从知道。所以迫切需要制定称重式降水传感器的检定规范，对期适用范围、计量器具控制、检定方法等方面的内容进行制定。通过广泛的调研

5、，参照最新版本的国际建议和国家规范，制定适合我国气象台站各型号的称重式降水传感器的检定规范，对于规范我国称重式降水传感器的检测方法，提高我国气象台站使用的称重式降水传感器的观测准确度，有保证量值传递的准确一致，有效开展量值传递活动将具有积极的现实意义。3 编写过程宁夏大气探测技术保障中心作为本规范的主要起草单位，2016 年 8 月初召集参加起草单位山东省大气探测技术保障中心的起草人组成编写组。编写组由张红英、杨茂水、王锡芳、王少辉、韩广鲁、任燕、宫军 7 名同志组成。张红英作为该规范的第一起草人，重点完成了规范的申请、编写过程，完成了规范征求意见稿的编写、测量不确定度分析报告。杨茂水作为第二

6、起草人提出了规范结构、规范主要内容，围绕规范进行试验的组织、以及试验报告的具体编写工作。王少辉承担了规范征求意见稿具体内容的起草工作；王锡芳、韩广鲁、任燕、宫军承担了规范所需试验的具体试验工作。2017 年完成了实验方案，对山东省各台站的称重式降水传感器进行了校准测试。2018 年 8 月形成规范编写的初稿，2018 年 92019 年 12 月编写组在小范围内对相关报告进行了征求意见。2020 年 1 月底对根据修改意见对相关报告进行了讨论和修改。2020 年 2 月上报送审讨论稿。4 编写依据在编写本规范时， 编写组首先注重参考国际国内已正式发行的相关规范或规范的最2称重式雨量传感器校准规

7、范编制说明新版本，本规范的编写格式遵从了JJF 1002-2010国家计量检定规范编写规则 的要求，编写过程中参考了JJF1001-2011通用计量术语及定义、JJF1094-2002测量仪器特性评定及 JJF1059 -2012测量不确定度评定与表示等国家规范。5 修订规范的简要过程5.1 调研情况调研气象部门所用称重降水传感器的类型通过三种途径调研、收集了我国台站所使用的称重降水传感器类型，一是通过互联网，登录与中国局长期合作的几家气象设备生产商网站，在其产品宣传中查询；二是通过查阅中国气象局的产品考核或定型公告；三是通过台站实地调研， 利用到台站出差的机会，了解台站安装了哪个厂家何种型号

8、。到目前为止，全国总共有3 种型号的称重式降水传感器通过了中国局的产品考核和定型（具体见表1），投入台站业务使用。表 1：称重式降水传感器类型序号生产商规格型号1江苏省无线电科学研究所有限公司DSC12中国华云技术开发公司DSC23中环天仪天津气象仪器厂有限公司DSC3搜集资料，了解传感器的工作原理称重式降水传感器基于载荷测量技术原理设计,通过对质量变化的快速响应测量降水量，主要由承水口、外壳、内筒、载荷原件及处理单元、底座组件、防风圈等部件组成，基本结构见图 1。载荷元件脉冲处终端理RS232/485信号变换电路单元、3称重单元外围组件（收集容器、外壳、底盘、基座、防风圈等）称重式雨量传感器

9、校准规范编制说明图 1 称重式降水传感器原理结构框图通过对重量变化的快速响应测量降水，降水以毫米为单位的降水。 称重单元通过温度补偿、数字滤波等技术达到全量程范围内的降水准确测量。称重换算出雨量是在一个降水量管理程序的支配下，由一个芯片微处理器（MCU）控制；通过载荷元件输出的重量信号，结合温度、风等环境干扰要素的过滤与修正，得到准确的降水量值，降水量计管理程序常驻于MCU的单片 EPROM（可编程只读存储器） 中，工作原理框图如图2 所示。输出的数据信号为RS232数字信号和下拉5V 脉冲信号，上述两种信号同步输出。图 2 工作原理框图目前，称重式降水传感器所采用的测量的技术主要有两种。1)

10、 基于电阻应变测量技术。 敏感梁在外力的作用下产生弹性变形， 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，进而得到降水的质量。2) 振弦测量技术。以固定频率振动的弦丝作为弹性部件，根据其所受拉力与振动频率的对应关系，通过相应的测量电路得到降水的质量。基于电阻应变测量技术DSC1 型称重式降水传感器由江苏省无线电科学研究所有限公司引进芬兰VAISANA公司全天候称重式降水测量技术经改进后研制生产。DSC3 型称重式降水传4称重式雨量传感器校准规范编制说明感器由中环天仪天津气象仪器厂引进美国贝拉斯公司全天候称重式降水

11、测量技术改进后研制生产。 这两种型号的仪器均采用电阻应变测量技术， 敏感元件测量来自压力带来的电阻应变片组织变化，经测量电路转换为电信号，进而得到重量结果。基于振弦测量技术DSC2 型称重式降水传感器由中国华云技术开发公司引进挪威Geonor 公司全天候称重式降水测量技术经改进后研制生产，此型号的仪器采用振弦测量技术，以谐振传感器(弦丝 )为弹性部件，压力变化带来振动频率发生变化， 通过相应的测量电路得到重量。收集降水的集水桶经称重单元悬挂在圆柱体支座的上法兰盘上， 集水桶内的降水由称重单元进行称重，根据称的降水重量即可换算成降水量。5.2 规范的重点突出问题(1)从称重单元的众多技术参数中找

12、出与降水要素观测指标相关性研究，凝练出称重降水传感器的主要技术指标。(2)探索了称重降水传感器底层原始数据读取方法。(3)进行了性能指标检测方法研究和流程设计。6 规范主要内容说明本规范主要是对称重式降水传感器检定规范中范围、概述、计量性能要求、通用技术要求、计量器具控制等内容提出了要求和规定，并给出了对于这些规定进行的检查方法。6.1 规范第 1 条 范围由于降水传感器承水口内径影响降水误差值的计算，规定了本规范适用于承水口内径 200mm、测量范围在（ 0400）mm的称重式降水传感器的校准。 6.2 规范第 2 条 引用文献5称重式雨量传感器校准规范编制说明本校准规范承水口、降水称重单元

13、、降水处理单位的术语参照QX/T320-2016 称重式降水测量仪中的术语给出，灵敏阈、基值测量误差、零值测量误差参照 JJF1001通用计量术语及定义中的定义给出。规范提及的测量原理参照QX/T320-2016称重式降水测量仪计量特性参照JJG669称重传感器检定规程中的技术特性给出。6.3 规范第 3 条 术语讲述引用到本规范中的基本术语。规范中引用到零值误差，所以术语中3.5 提到了零值误差的定义6.4 规范第 4 条 概述依据 QX/T320-2016 称重式降水测量仪讲述称重式降水传感器的结构原理和测量原理。6.5 规范第 5 条 计量特性规定称重式降水传感器的承水口内径承水口内径为

14、 200+0.6mm。2011年 9 月中国气象局综合观测司颁布的 降水观测规范称重式降水传感器 （试行）给出了“承水口形状为内径200mm 的正圆，口缘呈内直外斜刀刃形”的规定。气象部门研发使用的降水观测设备大多数承水口形状为内径200mm 的正圆，这方面沿袭了以往的技术标准， 会涉及到降水量的定量计算。在以往的降水检定规范中一直有规定，本次也延用。规定称重式降水传感器的测量性能要求称重式降水传感器的测量性能要求见表1。2011 年颁布的降水观测规范称重式降水传感器（试行）中，对传感器测量6称重式雨量传感器校准规范编制说明性能的要求传感器要求能够满足一次为400mm 的降水过程的测量，因此传

15、感器的最大称量范围是一个关键性的指标。分辨力依据 QX/T320-2016 称重式降水测量仪的规定称重式降水传感器的分辨力为0.1mm。零值误差因为是称重测量， 所以每次测量前需要测量一下基值， 所以确定测得值为零值时的基值测量误差。灵敏阈表 1 中要求分辨力为 0.1mm，这是气象学方面的术语，即要求传感器能够记录下一次为 0.1mm 的大的降水过程，或一次大的降水过程希望能以 0.1mm 的精度记录。在国家检定规范JJG619-1996虹吸雨量计检定规范的中提到灵敏阈的概念，即能对 0.1mm 的降水做出文中引用虹吸雨量计检定规范中的提法，灵敏阈要求不大于 0.1mm。最大允许误差依据 Q

16、X/T320-2016 称重式降水测量仪表 2 中对示值测量给出两种不同降水量下的最大允许测量误差，继续沿用。示值误差：± 0.4mm， 10mm 时；± 4%， >10mm 时。7 规范第 6 条 校准条件7.1 环境条件说明校准环境条件7.2 标准器的选择7称重式雨量传感器校准规范编制说明称重降水传感器的标定主要针对的是称重传感器，在国家的质量检定系统表中标准器采用的是标准砝码，因此标准器选择是M1 等级标准砝码。承水口内径的测量需要游标卡尺。8 规范第 7 条校准项目说明操作步骤的设计。8.1 承水口直径用游标卡尺在互成120°角的三个方向上测量承水口

17、的内径，三次测量结果的平均值应为 200+0.6mm。8.2 零值误差首先在在传感器托盘上放置一个 1kg 砝码，开启电源初始化仪器，稳定 5min 读数后移除，重复测量 3 次，计算平均值。8.3 灵敏阈首先在在传感器托盘上放置一个 1Kg 砝码，开启电源初始化仪器，每次放置 3.14g 标准砝码，稳定 5min 后读数，重复上述过程 5 次，计算 5 次的读数平均值，误差应不超过± 3g。8.4 示值误差首先在在传感器托盘上放置一个 1kg 砝码，开启电源初始化仪器， 第一次放置 314g （相当于 10mm降水）砝码，稳定 5min 后读数，连续记录 3 次；第二次放置 942

18、g（相当于 30mm降水）砝码，稳定 5min 后读数，连续记录 3 次；第三次放置 1.57kg （相当于 50mm降水）砝码，稳定 5min 后读数，连续记录 3 次；第三次放置 6.28kg （相当于200mm降水）砝码，稳定 5min 后读数，连续记录 3 次；第三次放置 10kg（相当于 400mm 降水）砝码，稳定 5min 后读数，连续记录 3 次；计算每次读数的平均值误差。原始记录格式见附录 A。示值误差按公式（ 1）计算：H=H-HS（1）8称重式雨量传感器校准规范编制说明H降水误差Hs标准砝码对应降水量值H被校传感器示值8.5 规范 9 检定结果的处理说明了检定结果处理方法

19、，给出检定证书和检定结果通知书的参考格式。9 规范 10 复校时间间隔从实际调研情况和其测量原理看，作为一个电子元件感应部分传感器，规定复校间隔为 1年。10 附录本规范附录 A 给出了现场校准数据记录表格式。附录 B 为校准证书一面格式。附录 C、D 为校准证书内页格式。附录 E 为测量不确定度评定实例。11 初步的试验验证2017 年 10 月 10 日，在青岛即墨站针对DSC1 型称重式降水传感器进行了初步试验，实验过程如下表：时间标准砝码降水量Time now is 2017-10-10 10:54:19重启设备2017-10-10 10:55002017-10-1010:57-零 =

20、1Kg （相当于 31.85mm ）65.92017-10-1011:06-零66.02017-10-1011:14-零 +1Kg97.92017-10-1011:26-零 +1Kg +1Kg129.69称重式雨量传感器校准规范编制说明2017-10-1011:34-零+1Kg+1Kg +5Kg304.82017-10-1011:54-零+1Kg+1Kg+5Kg +31.4g305.72017-10-1011:56-零+1Kg+1Kg+5Kg +31.4g305.82017-10-1012:02-零+1Kg+1Kg+5Kg +31.4g+3.14g305.92017-10-1012:08-零+

21、1Kg+1Kg+5Kg +31.4g +3.14g+3.14g306.02017-10-1012:11-零+1Kg+1Kg+5Kg+31.4g315.72017-10-1012:13-零+1Kg+1Kg+5Kg+31.4g315.82017-10-10 12:19零+1Kg+1Kg+5Kg+31.4g315.72017-10-1012:20-零 +3.14g66.22017-10-1012:27-零66.1从表数据可看出：1）10:57 分，采集器输出有一个基础数据，这是传感器自检产生的初始数据，经质控后作为起始数据使用，不会是输出。2）10:57-11:13、11:54-12:01、12:1

22、1-12:18 三个时段，虽没有在增加砝码，但传感器输出有 0.1 的变化，这是由传感器的输出不稳定造成；3） 11:14，施加1Kg 的砝码后（相当于31.85mm 降水），传感器输出变化了97.9-66=31.9；11:54，施加 31.4g 的砝码后（相当于1mm 降水），传感器变化305.8-304.8=1；12：02 和 12:08，施加 3.14g 的砝码后（相当于0.1mm 降水），传感器变化：305.9-305.8=0.1306-305.9=0.1，输出变化都为0.1；4）12:11-12:19，施加 314g 的砝码后（相当于 10mm 降水），传感器输出：315.8-306=9.8或 9.7，基本也是 10，有变差是由于使用砝码的不同等级造成的。10称重式雨量传感器校准规范编制说明5）本次使用的 3.14g 和 31.4g 砝码就是 F1 等级的标准砝码， 1KG 是 M1 等级的；5Kg 就是普通的，可以看出11:34 分加载 5Kg 砝码时（相当于159.2mm 降水）输出误差也比加大 ,304.8-129.6=175.2。因此标准砝码的等级对测量影响比较大，做好选用F1等级的标准砝码。可以看出