热敏电阻和双金属片测温精度对比分析

热敏电阻和双金属片测温精度对比分析热敏电阻和双金属片测温精度对比分析 章 毅 南昌市气象局 刘铃 南昌市气象局 摘要 摘要 本文分析了影响热敏电阻和双金属片测温精度的主要原因 并采用均方差 离散率 对实时探测资料进行对比分析 说明测温元件的稳定性和可靠性 关键词关键词 测温元件 测温精度 对比分析 0 引言引言 目前我国投入业务使用的各种探空仪 其测温元件主要还是热敏电阻和双金属片两种 一般还没达到 WMO 的要求 特别是 20KM 以上的观测结果 为了使各种类型的探空资料 具有可比性 清除不同探空仪之间的误差 确定探空仪测温元件的各种误差来源 进行各 种类型探空仪元件的对比分析是十分必要的 而温度测温元件对比分析是其中最关键一环 1 影响电码探空仪和数字探空仪温度的主要原因影响电码探空仪和数字探空仪温度的主要原因 探空仪测量温度的误差主要是滞后误差和辐射误差 此外还有因元件沾湿和气球的热 空气尾流引起的误差文献 1 1 1 滞后误差 热滞温度系数与通风量有关 即 k PU n 热滞系数 式中 n k 为常数 P 为空 气密度 U 为通风速度 当高度愈高 值愈大 由于大气温度是线性变化 热滞引起 的误差为 T 可由气球升速 及大气的垂直减温率 T z 求出 即 所以 T 例 当升速 6m s 减温率 1 C 100m 时 取地面的 3s 10km 高度处 6s 时 可 分别算出滞差为 0 18 C 及 0 36 C 即大气减温率增大时 滞差加大 电码探空仪的测温元件 双金属片的热滞系数 在气球升速 米 分钟时 hpa 约为 hpa 处大约为 数字探空仪 棒状敏电阻 在 hpa 约为 hpa 处大约为 10 6S 表 为 不同气压下的热滞系数 表 1 为常用测温元件不同气压时的热滞系数 单位 秒 文献 1 P hpa测温元件 1000 100 10 数字探空仪温度感应元件 棒状热敏电阻 4 5 10 6 30 电码探空仪温度感应元件 双金属片 5 13 5 35 1 2 辐射误差 由于太阳辐射加热 测温元件产生的探空仪示度与周围气温的差值称为辐射误差 而 辐射误差的大小是由太阳辐射加热量与通风量决定 前者取决于太阳高度角 后者与气球 升速及探空仪所在高度有关 目前我国使用 日夜较差法 它是经过大量观测统计得出 的辐射误差值 日夜较差法是假定高空日夜温差变化很小 把同一高度上日夜温度差作为 辐射误差值 在实际工作中 对 400hpa 以上高度的高空测温都要减去辐射误差值 电码 探空仪的测温元件虽外加防辐射罩 太阳辐射反射例与元器件的通风量仍然较差 数字探 空仪采用棒状热敏电阻测温元件 棒状热敏测电阻体积小 其测温元件的涂层反射例较高 并具有较强的散热能力 辐射误差比较小 表 表 分别为电码探空仪和数字探空仪的 辐射误差值表 表 双金属片辐射误差值表文献 2 P hpa日高角 200 100 50 20 10 5 00 2 0 3 0 7 0 7 1 3 2 9 100 6 0 7 1 1 1 8 3 6 7 8 200 7 0 8 1 2 2 1 4 2 9 1 300 7 0 8 1 3 2 2 4 3 9 4 600 8 0 9 1 4 2 4 4 7 10 3 901 0 1 2 1 8 3 2 6 2 13 5 表 热敏电阻辐射误差值表差文献 3 P hpa日高角 200 100 50 20 10 5 0 0 2 0 3 0 5 0 9 1 3 1 8 10 0 4 0 6 0 9 1 4 1 8 2 4 20 0 6 0 8 1 2 1 8 2 2 2 7 30 0 6 0 8 1 2 1 7 2 1 2 7 60 0 6 0 7 1 0 1 5 2 0 2 6 90 0 5 0 7 1 0 1 5 1 9 2 5 2 温度探测资料稳定性和可靠性对比分析 温度探测资料稳定性和可靠性对比分析 为了表示随机变量取值集中度 温度探测资料对比分析采用均方差来表示资料的稳定 性和可靠性 采用两倍标准偏差的离散率来衡量离散程度 文献 4 中专门提供了一个用于 求均方差的计算公式 但文献 4 中的公式计算烦琐 从互联网上找到了 统计软件 数据处 理 CS10 31 可以方便的表示均方差和离散程度 以下是 2005 年 12 月 07 时 19 时平均值 均方差 离散率统计资料 图 1 2005 年 12 月 07 时和 19 时温度平均值 1000 800 600 400 200 0 200 400 20 30 50 70 100 200 250 300 500 600 700 850 hpa 07时温度 数字 07时温度 电码 19时温度 数字 19时温度 电码 注 数码探空仪的测温元件为热敏电阻 电码探空仪的测温元件为双金属片 图 2 2005 年 12 月 07 时均方差 离散率统计资料 0 5 10 15 20 25 30 20 30 50 70 100 200 250 300 500 600 700 850 hpa 07时 均方差 数字 07时 均方差 电码 07时 离散率 数字 07时 离散率 电码 注 数码探空仪的测温元件为热敏电阻 电码探空仪的测温元件为双金属片 图 3 2005 年 12 月 19 时均方差 离散率统计资料 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 30 50 70 100 200 250 300 500 600 700 850 hpa 19时 均方差 数字 19时 均方差 电码 19时 离散率 数字 19时 离散率 电码 注 数码探空仪的测温元件为热敏电阻 电码探空仪的测温元件为双金属片 从以上图表资料分析 07 时记录 500 百帕以下两者温度较接近 温度相差在 0 1 0 3 温度曲线重合 500 百帕以上温度相差较大 温度相差最大处在 100 百帕 70 百 帕之间 温度差 2 2 数字探空仪所测温度高于电码探空仪 19 时记录 500 百帕以下两者温度相差 0 1 0 3 500 百帕以上差值最大在 20 百帕 两者相差 1 2 从差值稳定性看 电码探空仪 07 时记录受辐射影响引起超差点较多 19 时记录因不受辐射影响稳定性好于 07 时 200 百帕以下两套系统的均方差在 0 93 1 63 之间 离散率在 0 19 35 之间变动 数 码探空仪的均方差和离散率分别为 0 93 1 62 和 0 3 23 之间变动 电码探空仪的均方差 和离散率分别为 1 06 1 63 和 0 19 35 之间变动 说明 200 百帕以下两套系统温度测量比 较接近 从均方差和离散率曲线波动幅度来看 数码探探空仪的稳定性更好 精度更高 200 百帕以上数码探空仪的均方差和离散率分别在 1 22 1 98 和 0 10 之间变动 电码探空 仪的均方差和离散率分别在 1 59 3 4 和 7 14 24 14 之间变动 200 百帕以上从曲线波动 幅度来看电码探空仪的稳定性 精度更差 因不受太阳辐射影响 19 时记录的均方差和离 散率曲线波动幅度比 07 时记录小 稳定性更高 3 结论结论 因热敏电阻测温元件的滞后误差和辐射误差都小于双金属片测温元件 并且从实测资 料分析热敏电阻测温元件的均方差和离散率 热敏电阻的均方差和离散率曲线波动相对平 稳 说明热敏电阻测温元件的探测精度和稳定性明显高于双金属片测温元件 参考文献参考文献 1 张霭琛 现代气象观测 北京 北京大学出版