區(qū)域氣象站現(xiàn)場核查設(shè)備工作原理及使用方法研究

田世芹，劉 非， 孫亞麗

(濱州市氣象局，山東 濱州 256600)

0 引言

區(qū)域氣象站是按照國際氣象組織氣象觀測標(biāo)準(zhǔn)，在國家級氣象站網(wǎng)的空隙中，為進(jìn)行加密觀測而布設(shè)的自動氣象站。區(qū)域氣象站一般采用太陽能供電，可采集溫度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速等信息，每小時(shí)通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)自動傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)前，我國氣象探測領(lǐng)域在用的各類區(qū)域氣象站已達(dá)5萬套以上，伴隨著氣象現(xiàn)代化的穩(wěn)步推進(jìn)[1]，數(shù)量還在不斷增加。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，自動氣象站所采用的傳感器需要定期檢測和標(biāo)定[2]，以保證探測數(shù)據(jù)的可用性。羅淇[3]等提出了自動氣象站現(xiàn)場核查的概念，張莉莉[4]等研究了自動氣象站現(xiàn)場溫度核查系統(tǒng)，劉昕[5-7]等研究了自動氣象站風(fēng)向、風(fēng)速現(xiàn)場核查方法。本文著重介紹區(qū)域氣象站各類傳感器現(xiàn)場核查設(shè)備的工作原理及使用方法[8-11]，以幫助業(yè)務(wù)人員盡快掌握區(qū)域氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)，保障區(qū)域站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 區(qū)域氣象站現(xiàn)場核查工作簡介

區(qū)域氣象站現(xiàn)場核查工作主要包括對溫度、濕度、氣壓、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速等設(shè)備的現(xiàn)場核查。由于國內(nèi)區(qū)域站大多分布在野外，所以用于現(xiàn)場核查的設(shè)備必須脫離交流電的限制，并能通過串口相連，實(shí)現(xiàn)自動核查、記錄核查結(jié)果和打印核查報(bào)告等功能。

2 各設(shè)備的工作原理及使用方法

2.1 GRZ3800精密數(shù)字溫度計(jì)

GRZ3800精密數(shù)字溫度計(jì)采用32位單片機(jī)、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微功耗集成電路模塊化設(shè)計(jì)。該設(shè)備采用四線制測溫原理，利用鉑電阻值隨溫度變化來實(shí)現(xiàn)測溫的目的。其轉(zhuǎn)換電路將隨溫度變化的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，經(jīng)采集器采集并計(jì)算，從而輸出溫度值。溫度傳感器測量原理如圖1所示。

圖1 溫度傳感器測量原理圖

GRZ3800可以檢測Pt100二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和Pt25一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，溫度測量范圍為-60～+100 ℃，最大允許誤差為±0.05 ℃，通信接口為RS-232和以太網(wǎng)。其具有電容觸摸屏漢字?jǐn)?shù)字顯示、性能穩(wěn)定、交直流兩用(內(nèi)置電池)、抗干擾能力強(qiáng)和操作方便等特點(diǎn)，廣泛適用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)過程中的精密溫度測量，符合ITS-1990國際溫標(biāo)。

另外，該設(shè)備在使用前需預(yù)熱20 min后才可以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，使用時(shí)需注意兩個通道標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)是否接反，檢查標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)接線柱有沒有松動以及接線順序是否正確。

2.2 JJS2型雨量校準(zhǔn)儀

JJS2型雨量校準(zhǔn)儀由水槽、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量球、進(jìn)水閥、出水閥、流量控制閥、計(jì)數(shù)器等部分組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 JJS2型雨量校準(zhǔn)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是設(shè)備中與大氣相通的U型管中的水，平衡時(shí)兩端都處于同一高度。根據(jù)此原理，可實(shí)現(xiàn)往標(biāo)準(zhǔn)球中注水和雨量待校準(zhǔn)結(jié)束后自動停水；關(guān)閉出水閥，打開進(jìn)水閥，儲水槽中的水受到重力作用往標(biāo)準(zhǔn)球中注水，標(biāo)準(zhǔn)球水滿時(shí)多余的水通過溢流口流出，關(guān)閉進(jìn)水閥，完成往標(biāo)準(zhǔn)球中注水的過程。打開出水閥，標(biāo)準(zhǔn)球中的水通過出水閥、流量控制閥、三通后流入雨量傳感器翻斗。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)球水位下降與三通平衡時(shí)，出水過程便自動停止。通過這兩個過程，把標(biāo)準(zhǔn)球的量值傳遞到被測雨量傳感器中。該設(shè)備具備量值傳遞準(zhǔn)確可靠、堅(jiān)固耐用、外形輕巧，操作簡單、測試結(jié)果精確度高等特點(diǎn)，適用于不同口徑翻斗雨量傳感器的現(xiàn)場標(biāo)定。

在使用過程中，如果大雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)的校準(zhǔn)結(jié)果均為偏大或偏小，可以通過調(diào)節(jié)計(jì)量翻斗兩邊的定位螺絲來消除計(jì)量誤差。當(dāng)誤差為負(fù)值時(shí)，應(yīng)向內(nèi)調(diào)節(jié)定位螺絲，使翻斗內(nèi)的盛水量減少，計(jì)數(shù)值增加；當(dāng)誤差為正值時(shí)，應(yīng)向外調(diào)節(jié)定位螺絲，使翻斗內(nèi)盛水量增加，計(jì)數(shù)值減少。調(diào)整時(shí)，應(yīng)同時(shí)調(diào)整兩邊翻斗的定位螺絲，定位螺絲調(diào)節(jié)的量應(yīng)相同，以保持計(jì)量翻斗的水平。

2.3 JJE10型風(fēng)向核查儀

JJE10型風(fēng)向核查儀主要用于各類風(fēng)向傳感器的定性定量測試，是集風(fēng)向傳感器的驅(qū)動控制、檢測、顯示于一體的新型檢測設(shè)備。該設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向的產(chǎn)生是采用了固定風(fēng)向傳感器主體方式，使用步進(jìn)電機(jī)拖動風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動的辦法，達(dá)到風(fēng)向檢測的目的。標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)置360°刻度線的碼盤，通過光電開關(guān)傳感器將采到的數(shù)據(jù)反饋到控制器中作為標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該設(shè)備還配備了角度盤，用于操作人員實(shí)際觀察使用，也可在不使用自動模式時(shí)手動旋轉(zhuǎn)支撐桿，用眼觀察數(shù)值，起到輔助測量的作用。

該設(shè)備由校驗(yàn)臺和便攜式控制器兩大部分組成。校驗(yàn)臺用于安裝各類風(fēng)向傳感器。進(jìn)行風(fēng)向校驗(yàn)時(shí)，被測傳感器配套不同的風(fēng)座轉(zhuǎn)接件，安裝在校驗(yàn)臺上，用支撐桿固定風(fēng)向標(biāo)。便攜式控制器控制步進(jìn)電機(jī)帶動風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動，采用閉環(huán)控制原理，使得校驗(yàn)儀精度得到保證。在使用時(shí)，選擇配套的風(fēng)座轉(zhuǎn)接件固定在校驗(yàn)儀上，將傳感器連接好線纜安裝在風(fēng)座轉(zhuǎn)接件上，固定好后按照刻度指示調(diào)節(jié)好伸縮桿高度；向下壓尾翼托架轉(zhuǎn)動到尾翼?xiàng)U上，托架受彈簧桿力量頂住尾翼，提高檢定精度。

JJE10型風(fēng)向檢查儀安裝示意圖如圖3所示。

圖3 JJE10型風(fēng)向核查儀安裝示意圖

2.4 JJE3型風(fēng)速校驗(yàn)儀

JJE3型風(fēng)速校驗(yàn)儀主要用于各類風(fēng)速傳感器的定性定量測試，是集風(fēng)速模擬、檢測、顯示于一體的專用杯式風(fēng)速傳感器檢測設(shè)備。進(jìn)行風(fēng)速傳感器校驗(yàn)時(shí)，去掉傳感器的風(fēng)杯，用軟管連接傳感器軸，通過機(jī)械傳動方式強(qiáng)制風(fēng)速傳感器軸轉(zhuǎn)動，使風(fēng)速傳感器輸出信號，校驗(yàn)儀顯示與轉(zhuǎn)速相關(guān)的風(fēng)速值。其標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速發(fā)生器有內(nèi)置帶碼盤的直流無刷電機(jī)，使用直流無刷電機(jī)拖動風(fēng)速傳感器同步轉(zhuǎn)動；電機(jī)通過變頻調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，通過連接電機(jī)的編碼器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速來獲得標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速和設(shè)置轉(zhuǎn)速一致，電機(jī)內(nèi)部采用比例積分控制算法，保證了標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速和設(shè)備轉(zhuǎn)速的高度一致。

該設(shè)備外觀簡潔、性能可靠，對測試環(huán)境要求較低，方便用戶在室內(nèi)和室外進(jìn)行不同種類風(fēng)速傳感器的測試，操作簡單，使用方便。在使用時(shí)，還應(yīng)對風(fēng)杯的外觀、轉(zhuǎn)動性能和平衡特性進(jìn)行認(rèn)真的檢查，并對檢查不合格的傳感器進(jìn)行修理或判定為不合格。

3 結(jié)束語

現(xiàn)場核查是日常驗(yàn)證觀測設(shè)備及其測量系統(tǒng)性能的一項(xiàng)維護(hù)性工作。本文通過介紹區(qū)域氣象站各類傳感器現(xiàn)場核查設(shè)備的工作原理及使用方法，指出了GRZ3800精密數(shù)字溫度計(jì)、 JJS2型雨量校準(zhǔn)儀、JJE10型風(fēng)向核查儀、JJE3型風(fēng)速校驗(yàn)儀等設(shè)備的高穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和便攜性等優(yōu)點(diǎn)。這些設(shè)備適合用于相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場核查工作，同時(shí)為業(yè)務(wù)人員在設(shè)備安裝、巡檢、維護(hù)、維修或更換部件后的現(xiàn)場核查提供技術(shù)依據(jù)。