《欧洲计量创新和研究计划(EMPIR)项目开发了非捕获式降水量计量器具的校准方法》

  • 编译者: 张宇
  • 发布时间:2024-10-20
  • 该项目的工作确保了那些无法使用既定方法校准的降水量计量器具的可追溯性。

    大气降水,最常见的形式是雨或雪,对日常生活有着深远的影响,从交通和生产力到娱乐和个人安全。它还被世界气象组织(WMO)定义为基本气候变量,因此其测量和特征描述对于研究气候变化的影响至关重要。

    用于测量降水的最常见仪器是捕获型计量器具,它们通过物理方式收集降水以确定体积(例如,翻斗式雨量计)或质量(例如,称重式雨量计)。然而,由于直接暴露在自然环境中,这些仪器会受到恶劣环境条件的影响(例如极低的温度或大风),因此需要经常维护。此外,这些器具可能会由于雨滴粘附在仪器的收集漏斗上而低估了实际降水量。

    非捕获型计量器具(如光学雨滴谱仪)它们不是直接收集降水,而是通过“感应”降水,因此受这些问题的影响较小,并且除了降水强度之外,还能提供额外的信息,如雨滴大小、分布和能见度。由于它们不需要与环境直接接触,因此也非常适合在偏远地区或自动气象站使用。

    然而,由于非捕获型计量器具不收集降水,因此无法使用参考流速或流量和时间的可追溯标准品进行校准。相反,需要用已知的液滴大小、频率和下落速度来重现降雨事件的特征。这意味着非捕获型计量器具一直没有可用的可追溯校准技术。

    EMPIR项目基于非捕获型计量器具测量液态/固态大气降水的校准和准确性(18NRM03,INCIPIT)开发了用于非捕获式降水量计量器具的可追溯校准方法,专门用于可以纳入 CEN 和 ISO 标准的形式来实施。这里面包括对 CEN/TC 318/WG 12(降雨强度)和 ISO/TC 113(水文测量)的估算。

    该项目开发了三种雨滴发生器,用于非捕获型计量器具的校准。

    第一种由丹麦指定机构 DTI 开发,能够生成直径从 0.2 毫米(使用平头针)到 7 毫米(使用特制喷嘴)的液滴。第二种由热那亚大学

    (UNIGE) 开发,使用高精度注射泵产生直径在4.5 mm 到 20 mm 之间的液滴,然后使用高分辨率相机进行测量。第三个由比利时国家计量研究所 (SMD) 设计,使用蠕动泵和不同的喷嘴几何形状来产生直径在 2.2 mm 到 4.9 mm 之间的液滴。

    DTI 的雨滴发生器已成功用于实验室和现场测试的校准测量,而 UNIGE的雨滴发生器现在在 UNIGE 雨量计实验室运行,主要用于研究和提高用户对气象测量中可追溯性重要性的认识。SMD的雨滴发生器用于实验室内测试。

    该项目在瑞士 Payerne 和意大利 Vigna di Valle 的两个 WMO 认可的现场测试点进行了实验室和现场的测量活动。在瑞士,DTI 和 UNIGE 雨滴发生器被用来验证一台激光测距仪。该装置还使用了 INRiM 开发的专用结构,允许液滴从 10 米处垂直落下,穿过仪器的感应区域而不受风力偏转。在意大利,UNIGE 发生器被用于验证一台光散射测距仪。

    这是第一次进行这种现场和实验室验证。

    该项目为 CEN 技术报告 CEN/TR 17993:2023“非捕获式降雨测量仪器的校准和准确性”和欧洲标准 CEN/prEN 18097:2024 草案“水文测量 - 降水强度测量 - 非捕获型雨量计的计量要求和测试方法”都做出了贡献。

    该项目已经发表了多篇论文,包括发表在《气象应用》期刊上的“非捕获型降水测量仪器的校准:综述”和发表在《传感器》期刊上的“非捕获型降水量计的校准不确定性”。

    项目协调员 Andrea

    Merlone (INRiM) 在谈到该项目的工作时说:

    “非捕获和非接触式仪器在环境测量中的应用越来越普遍,计量学界也迅速响应并为这些新兴技术建立了可追溯性服务。INCIPIT 是一个规范性项目,起源于更广泛的MeteoMet项目‘家族’中,参与其中的各个国家计量机构和指定的研究所以独特的方式直接参与了气候、农业和水文保护等基本测量领域:降水。该项目在技术开发和测试的仪器校准等最佳实践方面的成果,立即以发布新标准和指南的形式直接传达给了用户社区。该项目成果还吸引了制造商的兴趣,他们的使命是通过更好地了解自己的测量能力来提供不断完善的系统。

    这个EMPIR项目由欧盟的地平线2020研究和创新计划以及EMPIR参与国共同资助。

相关报告
  • 《欧洲计量创新和研究计划(EMPIR)项目助力推出全球首款自给式便携露霜点校准仪》

    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2025-05-09
    • 高性能的光学方法将服务于湿度测量供应链。 在超纯工艺气体(如氩气、氮气和氢气)中,痕量水分是最大的基质污染物。它会影响使用这些气体的产品质量。尽管超纯气体的生产服务于许多关键技术领域,如高价值半导体制造和制药,但在本项目之前,痕量水分测量在相关范围和基质气体中仍然缺乏计量可追溯性。 最近完成的欧洲计量创新和研究计划(EMPIR)项目“超纯工艺气体中的痕量水分计量”(20IND06,PROMETH2O)致力于填补计量可追溯性方面的知识空白。该联盟开发了可追溯且改进的光学测量方法,用于测量超纯工艺气体生产中仅几亿分之一的痕量水分污染。 世界首款 该项目的研究使合作伙伴Qrometric能够以其霜点发生器达到前所未有的精度,验证温度低至-100°C的霜点,而此前没有任何商业便携式校准仪覆盖这一温度范围。该霜点发生器系统是世界上首款自给式便携露/霜点校准仪,可在现场提供测量可追溯性。 现在,用于湿度传感器和分析仪的现场校准仪器首次问世。该仪器的校准温度测量范围为-100 °C至0 °C,精度在0.5 °C至0.05 °C之间,能够在比大多数主校准标准更低的温度下进行测量。 这一进步将有助于提高痕量水分测量的准确性,支持欧洲战略部门(如微电子和能源气体)减少浪费,并为制药业提供更好的生产环境。 来自意大利国家计量研究院(INRIM)的项目协调员Vito Fernicola表示: “PROMETH2O项目成功解决了超纯气体中痕量水分污染计量可追溯性方面的关键问题。通过开发经过验证的方法并支持QROMETRIC公司推出低霜点发生器(LFPG),该项目实现了在-100°C霜点下对湿度传感器进行准确的现场校准,确保测量结果的可靠性和可追溯性。 这款世界首创的仪器代表了该领域的一项重大进展,因为它可以在痕量水分水平(十亿分之几)直接校准传感器和分析仪,极大地提升了工业校准系统的先进性。 改进后的准确性和可追溯性将提高微电子和制药等行业的质量控制水平,从而提高产品的可靠性。这一成就凸显了欧洲计量研究在支持行业需求方面,通过高精度测量解决方案所产生的影响。” 该EMPIR项目由欧盟的“地平线2020”研究与创新计划以及EMPIR参与国共同资助。
  • 《欧洲计量创新与研究计划(EMPIR)项目开发便携式单光子源以及新的量子测量范式》

    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2024-07-06
    • 创造单光子源的能力将大大推进目前正在开发的许多基于量子的技术,如量子计算、量子通信以及增强的成像和传感技术。然而,生产按需发射一个光子并具有可调节重复性的光源并不是一项简单的任务。 欧洲计量研究计划(EMRP和EMPIR)内的项目支持应对这一挑战。 EMRP量子技术单光子源项目(EXL02,SIQUTE)首次基于钻石中的氮价中心对单光子源进行了全面的计量表征。 在此基础上,作为新量子标准的EMPIR项目单光子源(17FUN06,SIQUST)开发了一套新的金刚石单光子发射器,包括注入锡(Sn)、铅(Pb)、硅(Si)和锗(Ge)等离子的发射器。还研究了单光子量子点,包括有史以来第一个基于砷化铟镓(InGaAs)的量子点,用于校准单光子探测器。根据这项工作,该项目开发了两种便携式单光子源,除了用于校准外,还可以用于量子密钥分布测试床。 一种新的量子防护测量方法 除了第一个表征单光子源的标准化技术以及如何提供常见的不确定性估计程序外,该项目还首次实现了一种新的量子测量范式,该范式有可能在量子领域产生巨大影响。 在量子水平上,光子可以以一种以上状态的“叠加”形式存在。测量光子会导致这种“相干性”崩溃为一种或另一种状态。换句话说,测量量子系统会影响系统的结果。结果是,有必要检测统计上显著数量的光子,以获得感兴趣的测量可观测值的忠实估计。 新方法利用了一种称为量子齐诺效应的现象。这预测,如果一系列重复的测量足够快速和平滑,那么这将保持叠加,而不是使其崩溃。 在新的量子“保护性测量”范式中,单个偏振光子被“制备”并通过一系列仪器发送,如双折射晶体和偏振板。光子与每个光子的相互作用较弱,经历了一个“相互作用-干涉-选择”过程。如果它存活下来,它就会作为一个新的“准备好的”相干光子出现。由于已知幸存光子的特性(例如偏振),这起到了间接可观察到的作用,在没有直接测量的情况下提供光子状态的信息,并且简单地利用其在x/y平面中的位置信息提供状态的“指针”。 理论上,光子可以被发送通过无限多个这样的“选择”阶段,从而获得每个阶段的状态信息。 这是保护性测量的首次实现,证明了其保持系统状态相干性的能力,同时从单光子测量事件中提取可观测值的期望值。 尽管新范式仅处于原理验证阶段,但这项工作为其在量子计量和传感中的应用铺平了道路。 此外,该项目发表了46篇开放获取文章,在121次会议上发表,并提供了9个培训课程。 量子计量的单光子和纠缠光子源项目(20FUN05,SEQUEM)的工作仍在继续,该项目专注于单光子水平测量所需的协议和仪器。 这些EURAMET项目的工作预计将加强欧洲在量子技术领域的地位,促进密码学、通信、天文学和健康等领域的新发展,并有助于改进国际单位制光坎德拉的实践。 该EMPIR项目由欧盟地平线2020研究和创新计划和EMPIR参与国共同资助。 EMRP联合研究项目是EURAMET欧洲计量研究计划的一部分。EMRP由EURAMET内的EMRP参与国和欧盟共同资助。