自动站基础知识要点.docx
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自动站基础知识要点
自动站基础知识——中尺度篇
一、相关的地面气象要素
1、风向、风速
空气运动产生的气流，称为风。
地面气象观测中测量的风是两维矢量（水平运动），用风向和风速表示。
风向是指风的来向。
人工观测，风向用十六方位法；自动观测，风向以度（°）为单位。
风速是指单位时间内空气移动的水平距离。
风速以米/秒（m/s）为单位，取一位小数。
（台站上，一些观测员尤其是老观测员，也常常习惯把风速单位读作秒米。
）
风的平均量是指在规定时间段的平均值，有3秒钟、2分钟和10分钟的平均值。
风向、风速采用指数滑动平均，每秒钟取一个样本值，以1秒钟为步长计算3秒钟滑动平均值（即瞬时风向、瞬时风速）、1分钟和2分钟滑动平均值。
并以1分钟为步长，计算10分钟滑动平均值，自动站中实时输出的风向、风速值为该分钟前的10分钟滑动平均值，每分钟更新一次。
最大风速是指在某个时段内出现的最大10分钟平均风速值。
也就是说，最大风速及其相应的风向和出现的时间是从滑动过程中的每10分钟平均值中挑取。
极大风速是指某个时段内出现的最大瞬时风速值。
也就是说，极大风带及其相应的风向和出现的时间是从滑动过程中的3秒钟平均值中挑取。
2、温度
中尺度自动气象站中所说的温度特指空气温度（简称气温），是表示空气冷热程度的物理量，以摄氏度（℃）为单位，取一位小数。
地面气象观测中，常用干湿球温度表来测定空气的温度和湿度，其中气温由干球温度表测定，因此，我们也常用“干球温度”来表述所测的气温。
气温每10秒钟取一样样本值，一分钟共取6个样本值。
剔除一个最大值和一个最小值，该分钟的平均值即为余下的4个样本值的等要算术平均，一分钟更新一次。
一分钟的平均值也就是瞬时值。
最高气温是指某个时段内出现的最高空气温度；最低气温是指某个时段内出现的最低空气温度。
最高气温和最低气温都是从瞬时值中挑选出来。
3、湿度
空气湿度（简称湿度）是表示空气中的水汽含量和潮湿程度的物理量。
湿度分为绝对湿度和相对湿度，中尺度自动站中所说的湿度是指相对湿度。
相对湿度（U）——空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比，以百分数（%）表示，取整数。
湿度每10秒钟取一样样本值，一分钟共取6个样本值。
剔除一个最大值和一个最小值，该分钟的平均值即为余下的4个样本值的等要算术平均，一分钟更新一次。
一分钟的平均值也就是瞬时值。
最小相对湿度是指某个时段内出现的最小湿度，从瞬时值中挑选。
与湿度相关的要素还有水汽压和露点温度。
水汽压（e）——空气中水汽部分作用在单位面积上的压力。
以百帕（hPa）为单位，取一位小数。
露点温度（Td）——空气在水汽含量和气压不变的条件下，降低气温达到饱和时的温度。
以摄氏度（℃）为单位，取一位小数。
在中尺度自动气象站中，水汽压和露点温度是通过温度、湿度等推算得到。
4、雨量
从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的水称为降水。
某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度称为降水量，以毫米（mm）为单位，取一位小数。
在自动气象站中，每分钟测一次1分钟雨量累计值，以此为基础进行累加得到小时和日累计雨量（以北京时20时为日界）。
5、气压
气压是作用在单位面积上的大气压力，以百帕（hPa）为单位，取一位小数。
过去，气压也常用毫巴（mb）为单位，1mb=1hPa。
气压每10秒钟取一样样本值，一分钟共取6个样本值。
剔除一个最大值和一个最小值，该分钟的平均值即为余下的4个样本值的等要算术平均，一分钟更新一次。
一分钟的平均值也就是瞬时值。
最高气压是指某个时段内出现的最高大气压力；最低气压是指某个时段内出现的最低大气压力。
最高气压和最低气压均从瞬时值中挑选出来。
二、传感器
1、传感器的选型
气象要素
传感器型号、名称
生产厂家
风向
ZQZ-TF型测风传感器
江苏省无线电科学研究所有限公司
风速
ZQZ-TF型测风传感器
江苏省无线电科学研究所有限公司
温度
ZQZ-TW2型温度传感器
江苏省无线电科学研究所有限公司
HMP45D湿度与温度探测器
芬兰Vaisala公司
相对湿度
HMP45D湿度与温度探测器
芬兰Vaisala公司
雨量
SL3-1型遥测雨量传感器
上海气象仪器厂
气压
PTB220系列数字气压表注
芬兰Vaisala公司
GQY-1D型数字式智能气压传感器
北京力成龙威华测控技术有限公司
2、传感器的原理
1）测风传感器
测风传感器包括风向传感器和风速传感器，它们一般情况下成对配套使用。
风向传感器的感应元件为风向标组件，角度变换电路为格雷码盘加光电电路。
当风向标组件随风向旋转时，带动主轴及码盘一同旋转，每转动一个角度，位于光电器件支架上下两边的七位光电变换电路就输出一组格雷码，经整形电路整形并反相后输出。
每组格雷码有七位，代表一个风向。
由于码盘外圈是128等分，故风向分辨力为360°/128=2.8125°，也就是说每转过2.8125°输出一组新的格雷码。
风速传感器的感应元件为三杯式风杯组件，信号变换电路为霍尔开关电路。
在水平风力的驱动下，风杯组旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的36只磁体形成18个旋转的小磁场。
风杯组每旋转一圈，在霍尔开关电路中感应出18个脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加。
测出频率就可以计算出风速，一般为线性关系，计算公式为：
V=0.1f，式中V为风速，f为脉冲频率（单位为Hz）。
风向传感器和风速传感器一般安装在风传感器支架（也称为横臂）上使用，如下图所示。
图表1风向、风速传感器及横臂
使用时，测风传感器应安装在牢固的高杆或塔架上，并附设避雷装置。
风速感应器（风杯中心）距地高度10-12m；若安装在平台上，风杯中心距平台面（平台有围墙者，为距围墙顶）6-8m，且距地面高度不得低于10m。
2）温湿度传感器
在需测温度而不需测湿度的自动站中，温度传感器选用ZQZ-TW2型温度传感器；在温、湿度均需测量的自动站中，选用HMP45D型温湿度传感器。
图表2温、湿度传感器
无论是ZQZ-TW2型还是HMP45D型，其感温元件均为Pt100铂电阻。
Pt100具有良好的温度特性，其电阻值随温度的变化而变化，在0℃时的电阻值R0为100Ω，以0℃作为基点温度，在温度t时的电阻值Rt为Rt=R0（1+αt+βt2）,式中，α、β为系数。
经标定，可以求出其值。
在日常维护、维修过程中，为了方便起见，我们可以将此公式近似为Rt=100+0.39t。
例:
10℃时电阻值为103.9Ω左右,,-10℃时电阻值为96.1Ω左右。
铂电阻温度传感器采用四线制接法，测量方法采用恒流源法，可以消除引线电阻的影响。
使用时，温度传感器安装在百叶箱或防辐射罩内，感应元件的中心部分离地面高度1.5m。
HMP45D的感湿元件为高分子湿敏电容。
高分子湿敏电容的电容CH随高分子膜的吸、放湿而变化，CH是RC振荡电路中的重要参数。
测出RC振荡电路的频率即可计算出CH值，从而计算出大气相对湿度值。
中尺度自动站中，为HMP45D提供的电源电压为+12V。
HMP45D的湿度输出信号为直流0～1V（对应0～100%RH的湿度值）。
3）雨量传感器
雨量传感器的核心部件是上下排列的三个翻斗，从上而下分别称为上翻斗、计量翻斗、计数翻斗。
计量翻斗翻转一次，表示下了0.1mm的雨。
为了计量正确,上有上翻斗作为过渡,以保证无论大雨小雨,计量翻斗受到相同的冲击力。
下有计数翻斗,装有计数用的磁钢,计量翻斗翻转一次,计数翻斗也翻转一次,并使安装在固定支架上的干簧管通断一次,输出一个脉冲。
图表3雨量传感器
4）气压传感器
芬兰Vaisala公司制造的PTB220数字气压表的感应元件是硅电容压力敏感元件，硅电容Cp值随大气压的变化而变化。
在一个高级RC振荡电路中，硅电容压力敏感元件的CP是重要参数。
测出RC振荡电路的频率即可计算出CP值，从而计算出大气压值。
传感器由两个一端密封的同轴圆筒组成。
内筒为振动筒，其弹性模数的温度系数很小（α≤±1×10-5℃-1）。
外筒为保护筒。
两个筒的一端固定在公共基座上，另一端为自由端。
线圈架安装在基座上，位于筒的中央。
线圈架上相互垂直地装有两个线圈，其中激振线圈用于激励内筒振动，拾振线圈用来检测内筒的振动频率。
两筒之间的空间被抽成真空，作为绝对压力标准。
内筒与被测气体相通，于是筒壁为作用在筒内表面的压力所张紧，这一张力使筒的固有频率随压力的增加而增加，测出其频率即可知压力。
图表4气压传感器
气压传感器已智能化，其自身带RS-232C串行通信口，通过该通信口可直接读取气压值。
中尺度自动站中，为PTB220传感器提供的电源电压为+12V，为振筒式气压传感器提供的电源电压为+5V。
中尺度自动站出厂时，气压传感器已安装在数据采集器中，不需要再进行现场安装。
5）其它传感器
早期的中尺度自动站测量温度和湿度时，所选用的传感器为通风干湿球传感器。
它的感应元件是性能相同的两支铂电阻，称为干球和湿球，测得的干球温度即气温，湿度则通过干球温度和湿球温度按一定的计算公式计算得出。
图表5通风干湿球传感器
前些年，应用户的特殊要求，中尺度自动站中还用过一些测量其它气象要素的传感器，如超声波蒸发传感器、紫外线传感器、海水温盐仪等，这里不再一一介绍。
图表6中尺度自动站曾用过的其它特种要素传感器
三、采集器
1、功能
数据采集器是自动站的核心，数据采集、计算处理、存贮、通信等功能均由采集器实现。
1）测量
能自动测量气压、温度、湿度、风向、风速、雨量等气象要素，可计算生成露点温度、水汽压等相关要素。
能对测量及计算得到的数据进行质量控制。
2）存贮
老的中尺度站（如ZQZ-AE、ZQZ-AE2）数据采集器内可保存七天的正点气象观测资料，目前主打产品ZQZ-A型的数据采集器可保存一个月的正点资料，外加七天以上的加密资料。
3）通信
通过标准RS-232C串行通信口对外进行命令交互的数据传输。
目前，ZQZ-AE和ZQZ-AE2提供两个串口，可同时使用；ZQZ-A型只有一个串口。
在中尺度自动站的后续改进工作中，将保证中尺度站对外提供二个串口，以满足用户的需求。
2、各型采集器简介（历史延革）
图表7ZQZ-AE型（室内型）
图表8ZQZ-AE型（室外型，蓄电池外置）
图表9ZQZ-AE型（室外型，蓄电池内置）
图表10移动式
3、主要测量性能
要素
测量范围
分辨力
准确度
采样速率
计算
平均时间
备注
气温
-50～+50℃
0.1℃
±0.2℃
6次/分
1min
雨量
0～999.9mm
雨强0～4mm/min
0.1mm
≤10mm时，±0.4mm；
＞10mm时，±4％
有雨即采
累计值
风向
0～360°
2.8°
±5°
1秒
3s，2min，10min
风速
0～75m/s
0.1m/s
±（0.3+0.03V）m/s
0.25秒
3s，2min，10min
湿度
0～100％RH
1％RH
±5％RH（＞80％RH时）
±3％RH（≤80％RH时）
6次/分
1min
气压
550～1060hPa
0.1hPa
±0.3hPa
6次/分
1min
3、
五、通信方式
图表11多种通信方式
多种通信方式比较：
方式
距离
有线/无线
通信费用
组网
容量
通信
可靠性
实时性
1
RS232
15米内
有线
无
单站
好
好
2
RS485
1200米内
有线
无
单站
好
好
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