自动站基础知识要点.docx

1、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

2、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

3、“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

4、。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

5、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

6、、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

7、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

8、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

9、 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100，以0作为基点温度，在温度t时的电阻值Rt为Rt=R0(1+t+t2) , 式中，、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103.9左右,-10时电阻值为96.1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1.5

10、m。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01V（对应0100%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

11、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(110-5 -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

12、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

13、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-A

14、E2）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 7 ZQZ-AE型（室内型）图表 8 ZQZ-AE型（室外型，蓄电池外置）图表 9 ZQZ-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

15、时间备注气温-50+500.10.26次/分1min雨量0999.9mm雨强04mm/min0.1mm10mm时，0.4mm；10mm时，4有雨即采累计值风向03602.851秒3s，2min，10min风速075m/s0.1m/s(0.3+0.03V)m/s0.25秒3s，2min，10min湿度0100RH1RH5RH（80RH时）3RH（80RH时）6次/分1min气压5501060hPa0.1 hPa0.3 hPa6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1RS23215米内有线无单站好好2RS4851200米内有线无单站好好