CN113702887A - 一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，包括：挡板、数显游标卡尺、电流测量模块、中央处理模块。还提供一种超声波蒸发传感器水平式检定校准方法，读取数显游标卡尺的数显值以及待测超声波蒸发传感器的电流值，计算各个测量标准蒸发量高度的相对误差。采取水平测量方式，体积更小，受温度形变影响较小；采用游标卡尺水平滑动测量，可以调节基准水位，同一个装置适用于各类型号的超声波蒸发传感器的检定或校准用，适用性更广泛，精度更高。

Description

一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统及方法

技术领域

本发明属于超声波蒸发器校准技术领域，尤其涉及一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统及方法。

背景技术

超声波蒸发传感器是气象用于观测蒸发量的智能传感器，超声波蒸发传感器根据超声波测距原理，对蒸发器内水面高度变化进行测量。

目前自动气象站中超声波蒸发传感器检定使用的是标准量块来模拟水位标准高度，但各种型号的蒸发器由于制造工艺上有细微差异导致基准水位并不一样，且测量基准水位时不可调节，即不同型号的蒸发传感器需要不同高度的基准量块。

除此之外，由于标准量块的高度是固定的且不可调节，只能在垂直方向上相互拼接，因此使用标准量块作为标准测量基准水位会增加误差。例如由于各个高度的标准量块最大允许误差为±0.04mm，因此使用三个标准量块的最大允许误差为0.12mm，使得多个标准量块拼接在一起后最大允许误差成倍增加，导致后续检定数据不准确，系统误差增加。

标准量块检定方式还具有以下缺点：

1.金属标准量块有热胀冷缩效应，其膨胀系数与温度相关性较强，冬天和夏天用同一标准量块测量蒸发传感器的误差不同；

2.标准量块组并在一起体积较大，金属量块组重量大，检定或校准使用时需要不停的拼接组合成不同的高度，使用繁琐，不便于携带，不但增加了检定或校准时的系统误差，并且增大了检定或校准过程的复杂性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统及方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，包括：挡板，用于阻挡待测超声波蒸发传感器发出的超声波；数显游标卡尺，用于确认所述挡板与所述待测超声波蒸发传感器的发射端之间的水平距离；电流测量模块，用于测量所述待测超声波蒸发传感器的电流值；中央处理模块，用于根据所述电流测量模块测量的电流值以及所述数显游标卡尺的数显值计算出各个测量标准蒸发量高度的相对误差。

进一步的，所述中央处理模块包括：零位误差值计算单元，用于当所述电流测量模块测量的电流值接近4.03mA时，根据所述电流测量模块测量的实际电流值计算零位误差值，计算公式如下：

h₀＝100×(I-4)/(20-4)；

上式中，h₀为零位误差值；I为所述电流测量模块测量的实际电流值。

进一步的，所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，还包括：驱动模块，用于驱动所述挡板移动，以改变所述挡板与所述待测超声波蒸发传感器的发射端之间的水平距离；其中，所述挡板设置在所述数显游标卡尺的活动测量爪上。

进一步的，所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，还包括：到位模块，用于当所述挡板移动至接近测量标准蒸发量高度为20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的位置点时通知所述驱动模块停止移动。

进一步的，所述中央处理模块还包括：相对误差计算单元，用于当所述挡板移动至接近测量标准蒸发量高度为20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的位置点时，根据所述电流测量模块测量的电流值以及所述数显游标卡尺的数显值计算各个位置点的相对误差，计算公式如下：

上式中，Δh为相对误差；h为所述电流测量模块测量的实际电流值根据公式h＝100×(I-4)/(20-4)换算后的高度值；I为所述电流测量模块测量的实际电流值；h_s为各位置点游标卡尺的数显值。

本发明还提供一种超声波蒸发传感器水平式检定校准方法，包括：

S1：将待测超声波蒸发传感器与数显游标卡尺上设置的挡板置于同一水平高度，以使得所述挡板阻挡所述待测超声波蒸发传感器发出的超声波；

S2：零位标定，获取零位误差值；

S3：向远离所述待测超声波蒸发传感器的发射端一侧滑动所述挡板，使得所述数显游标卡尺的数显值接近各个测量标准蒸发量高度值并固定，读取所述数显游标卡尺的数显值以及所述待测超声波蒸发传感器的电流值，并计算各个测量标准蒸发量高度的相对误差。

进一步的，步骤S2包括：当所述待测超声波蒸发传感器的电流值接近4.03mA时，根据所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值计算零位误差值，计算公式如下：

h₀＝100×(I-4)/(20-4)；

上式中，h₀为零位误差值；I为所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值。

进一步的，依据下式计算各个测量标准蒸发量高度的相对误差，公式如下：

上式中，Δh为相对误差；h为所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值根据公式h＝100×(I-4)/(20-4)换算后的高度值；I为所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值；h_s为游标卡尺的数显值。

本发明所带来的有益效果：

1.本发明采取水平测量方式，使得整体测量装置体积更小，受温度形变影响较小；

2.本发明采用数显游标卡尺水平滑动测量，可以调节基准水位，同一个装置适用于各类型号的超声波蒸发传感器的检定或校准用，适用性更广泛，精度更高；

3.本发明易于操作，体积小，重量轻，便携性好，造价低。

附图说明

图1是本发明超声波蒸发传感器水平式检定校准系统的测量状态图；

图2是本发明水平底座、数显游标卡尺与挡板的位置示意图；

图3是本发明超声波蒸发传感器水平式检定校准系统的控制原理图；

图4是本发明超声波蒸发传感器水平式检定校准方法的流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

在一些说明性的实施例中，如图1-3所示，本发明提供一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，应用于气象行业里自动气象站中的超声波式蒸发传感器的检定或校准，包括：挡板3、数显游标卡尺2、电流测量模块4、中央处理模块6、驱动模块7、到位模块8。

数显游标卡尺2与待测超声波蒸发传感器5设置在水平底座1上，水平底座1起到水平支撑作用，支撑待测超声波蒸发传感器5和数显游标卡尺2，使得两者在一个测量水平面上。数显游标卡尺2，用于确认挡板3与待测超声波蒸发传感器5的发射端之间的水平距离。

挡板3设置在数显游标卡尺2的活动测量爪上，具体的是数显游标卡尺2的可以进行移动的外测量爪上，因此，挡板3可相对于水平底座1进行左右移动。挡板3垂直于水平底座1的上表面，以使得水平放置于水平底座1上的超声波蒸发传感器5的发射端与挡板3垂直，挡板3能够阻挡超声波蒸发传感器5发射的超声波。

电流测量模块4与待测超声波蒸发传感器5的信号输出线连接，电流测量模块4用于实时检测超声波蒸发传感器5输出的电流信号，即测量待测超声波蒸发传感器5的电流值。

中央处理模块6，用于根据电流测量模块4测量的电流值以及数显游标卡尺2的数显值计算出各个测量标准蒸发量高度的相对误差。

待测超声波蒸发传感器5以4mA-20mA电流输出方式，对应的水位高度为0mm-100mm，每小时测得蒸发水位之差就是上一时次的小时蒸发量，当日每小时的蒸发量求和就是当日的日蒸发量。

检定依据《JJG(气象)006-2011-自动气象站蒸发传感器》进行，检定规程要求蒸发传感器测量标准20mm、40mm、60mm、80mm、90mm的蒸发量时最大相对误差≤1.5％即为合格，否则为不合格。其中，本文所提到的测量标准蒸发量高度包括：20mm、40mm、60mm、80mm、90mm五个数值。

中央处理模块6包括：零位误差值计算单元601及相对误差计算单元602。

零位误差值计算单元601，用于当电流测量模块4测量的电流值接近4.03mA时，根据电流测量模块4测量的实际电流值计算零位误差值。上文中，接近4.03mA是指电流测量模块4显示的数值的个位数值为4，十分位数值为0，百分位数值为3，无论千分位显示的是什么数字均可判定此时电流测量模块4测量的电流值接近4.03mA。计算所使用的公式如下：

h₀＝100×(I-4)/(20-4)；

上式中，h₀为零位误差值；I为电流测量模块测量的实际电流值。

相对误差计算单元602，用于当挡板3移动至接近测量标准蒸发量高度为20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的位置点时，根据电流测量模块4测量的电流值以及数显游标卡尺2的数显值计算出各个位置点的相对误差。其中，接近测量标准蒸发量高度为20mm是指数显游标卡尺2的数显值的十位数数值为2，个位数数值为0，此时无论小数点右侧位显示任何数字均可判定挡板3已接近测量标准蒸发量高度为20mm的位置点。用上述方式同理解释挡板3接近测量标准蒸发量高度为40mm、60mm、80mm和90mm的位置点。

具体计算相对误差的公式如下：

上式中，Δh为相对误差；h为电流测量模块测量的实际电流值根据公式h＝100×(I-4)/(20-4)换算后的高度值；I为电流测量模块测量的实际电流值；h_s为各位置点游标卡尺的数显值。

本发明还包括：驱动模块7，驱动模块7用于驱动挡板3移动，以改变挡板3与待测超声波蒸发传感器5的发射端之间的水平距离。在一些说明性的实施例中，驱动模块7可以利用电机实现，电机通过齿轮齿条传动机构将旋转运动转换为直线运动，以驱动挡板3进行移动。

本发明还包括：到位模块8，用于当挡板3移动至接近测量标准蒸发量高度为20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的位置点时通知驱动模块7停止移动。在一些说明性的实施例中，到位模块8可以利用距离传感器实现，当到位模块8检测到挡板3到位后发送通知信息至中央处理模块6，中央处理模块6下发控制信号至驱动模块7，控制驱动模块7停止移动，开始进行微调，以使得挡板3接近测量标准蒸发量高度为20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的位置点。

在一些说明性的实施例中，如图4所示，本发明还提供一种超声波蒸发传感器水平式检定校准方法，应用于气象行业里自动气象站中的超声波式蒸发传感器的检定或校准，包括如下步骤：

S1：将待测超声波蒸发传感器与数显游标卡尺上设置的挡板置于同一水平高度，以使得挡板可以实时阻挡待测超声波蒸发传感器发出的超声波。其中，同一水平高度是指当柱状的超声波蒸发传感器横放在某一高度时，挡板的高度正好可以阻挡到待测超声波蒸发传感器发出的超声波。

待测超声波蒸发传感器接电，用万用表的电流档接待测超声波蒸发传感器的信号输出线，实时获取待测超声波蒸发传感器的电流值。待测超声波蒸发传感器的发射端正对着挡板，因此待测超声波蒸发传感器发射的超声波可被挡板阻挡，利用数显游标卡尺滑动来带动挡板移动。

S2：零位标定，获取零位误差值。

具体的，向远离待测超声波蒸发传感器的发射端的一侧滑动数显游标卡尺上的挡板，观察待测超声波蒸发传感器的输出电流信号由4.01mA开始变化时停止滑动，并调整滑动区间使得待测超声波蒸发传感器的电流值接近4.03mA，此时将游标卡尺2清零，此点确定为零位点，并根据待测超声波蒸发传感器的实际电流值计算零位误差值。公式如下：

h₀＝100×(I-4)/(20-4)；

上式中，h₀为零位误差值；I为待测超声波蒸发传感器的实际电流值。

步骤S2中，接近4.03mA是指万用表显示的数值的个位数值为4，十分位数值为0，百分位数值为3，无论千分位显示的是什么数字均可判定此时待测超声波蒸发传感器的电流值接近4.03mA。

S3：继续向远离待测超声波蒸发传感器的发射端一侧滑动挡板，使得游标卡尺的数显值接近各个测量标准蒸发量高度值并固定，读取游标卡尺的数显值以及待测超声波蒸发传感器的电流值，计算各个测量标准蒸发量高度的相对误差。

待测超声波蒸发传感器以4mA-20mA电流输出方式，对应的水位高度为0mm-100mm，每小时测得蒸发水位之差就是上一时次的小时蒸发量，当日每小时的蒸发量求和就是当日的日蒸发量。

检定依据《JJG(气象)006-2011-自动气象站蒸发传感器》进行，检定规程要求蒸发传感器测量标准20mm、40mm、60mm、80mm、90mm的蒸发量时最大相对误差≤1.5％即为合格，否则为不合格。其中，本文所提到的测量标准蒸发量高度包括：20mm、40mm、60mm、80mm、90mm五个数值。

以20mm为例进行说明步骤S3，步骤S3具体过程为向远离待测超声波蒸发传感器的发射端一侧滑动挡板，使得数显游标卡尺的数显值接近20mm并固定，此时，读取数显游标卡尺的数显值以及待测超声波蒸发传感器的电流值，并计算测量标准蒸发量高度20mm的相对误差。公式如下：

上式中，Δh为相对误差；h为待测超声波蒸发传感器的实际电流值根据公式h＝100×(I-4)/(20-4)换算后的高度值；I为待测超声波蒸发传感器的实际电流值；h_s为数显游标卡尺的数显值。

其中，接近测量标准蒸发量高度为20mm是指数显游标卡尺的数显值的十位数数值为2，个位数数值为0，此时无论小数点右侧位显示任何数字均可判定挡板已接近测量标准蒸发量高度为20mm的位置点。用上述方式同理测量挡板接近测量标准蒸发量高度为40mm、60mm、80mm和90mm的位置点时的相对误差。

现有检定方式是纵向垂直式测量距离，金属标准量块膨胀系数受温度影响较大，带来测量误差，本发明的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统及方法改为水平测量方式，受温度形变影响较小，检定校准系统体积也更小。

现有检定方式使用的标准量块测量基准水位时不可调节，即不同型号的蒸发传感器需要不同高度的基准量块，本发明的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统及方法采用数显游标卡尺水平滑动测量，可以调节基准水位，同一个测量方式和系统适用于各类型号的超声波蒸发传感器的检定或校准用，适用性更广泛。且游标卡尺的精度最高为0.02mm，可高于标准量块的精度0.04mm。本发明各个测量点误差不会叠加，所以整体的测量精度误差最小时比原装置要高一个数量级。

现有检定装置体积大，金属量块重量大，便携性差。本发明简单实用，体积小，重量轻，便携性好，造价低。

现有检定方式为手动测量，金属量块手动转换费时费力，本发明增加具有步进电机的游标卡尺实现自动化检定或校准。

现有金属标准量块检定超声波蒸发传感器的检定数据如下表：

本发明测量检定超声波蒸发传感器的检定数据如下表：

由上表对比可知，本发明的测量精度更大，相对误差更小。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (8)

1.一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，其特征在于，包括：

挡板，用于阻挡待测超声波蒸发传感器发出的超声波；

数显游标卡尺，用于确认所述挡板与所述待测超声波蒸发传感器的发射端之间的水平距离；

电流测量模块，用于测量所述待测超声波蒸发传感器的电流值；

中央处理模块，用于根据所述电流测量模块测量的电流值以及所述数显游标卡尺的数显值计算出各个测量标准蒸发量高度的相对误差。

2.根据权利要求1所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，其特征在于，所述中央处理模块包括：零位误差值计算单元，用于当所述电流测量模块测量的电流值接近4.03mA时，根据所述电流测量模块测量的实际电流值计算零位误差值，计算公式如下：

h₀＝100×(I-4)/(20-4)；

上式中，h₀为零位误差值；I为所述电流测量模块测量的实际电流值。

3.根据权利要求2所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，其特征在于，还包括：驱动模块，用于驱动所述挡板移动，以改变所述挡板与所述待测超声波蒸发传感器的发射端之间的水平距离；

其中，所述挡板设置在所述数显游标卡尺的活动测量爪上。

4.根据权利要求3所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，其特征在于，还包括：到位模块，用于当所述挡板移动至接近测量标准蒸发量高度为20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的位置点时通知所述驱动模块停止移动。

5.根据权利要求4所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准系统，其特征在于，所述中央处理模块还包括：相对误差计算单元，用于当所述挡板移动至接近测量标准蒸发量高度为20mm、40mm、60mm、80mm和90mm的位置点时，根据所述电流测量模块测量的电流值以及所述数显游标卡尺的数显值计算各个位置点的相对误差，计算公式如下：

上式中，Δh为相对误差；h为所述电流测量模块测量的实际电流值根据公式h＝100×(I-4)/(20-4)换算后的高度值；I为所述电流测量模块测量的实际电流值；h_s为各位置点游标卡尺的数显值。

6.一种超声波蒸发传感器水平式检定校准方法，其特征在于，包括：

S1：将待测超声波蒸发传感器与数显游标卡尺上设置的挡板置于同一水平高度，以使得所述挡板阻挡所述待测超声波蒸发传感器发出的超声波；

S2：零位标定，获取零位误差值；

S3：向远离所述待测超声波蒸发传感器的发射端一侧滑动所述挡板，使得所述数显游标卡尺的数显值接近各个测量标准蒸发量高度值并固定，读取所述数显游标卡尺的数显值以及所述待测超声波蒸发传感器的电流值，并计算各个测量标准蒸发量高度的相对误差。

7.根据权利要求6所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准方法，其特征在于，所述步骤S2包括：当所述待测超声波蒸发传感器的电流值接近4.03mA时，根据所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值计算零位误差值，计算公式如下：

h₀＝100×(I-4)/(20-4)；

上式中，h₀为零位误差值；I为所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值。

8.根据权利要求7所述的一种超声波蒸发传感器水平式检定校准方法，其特征在于，依据下式计算各个测量标准蒸发量高度的相对误差，公式如下：

上式中，Δh为相对误差；h为所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值根据公式h＝100×(I-4)/(20-4)换算后的高度值；I为所述待测超声波蒸发传感器的实际电流值；h_s为游标卡尺的数显值。

Images