南京信息工程大学气象仪器实验报告

1 南京信息工程大学 实验 实习 报告 实验 实习 名称 气象仪器实验 实验 实习 日期 2013 3 得分 指导教师 院 信息与控制 专业 测控技术与仪器年级 2010 班次 1 姓名 周宏运 学号 一 一 实验内容 实验内容 1 测风 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 最多风向是指在规定时间段内出现频数最 多的风向 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 最大风速是指在某个时段内出现的最 大十分钟平均风速值 极大风速 阵风 是指某个时段内出现的最大 瞬时风速值 瞬时风速是指三秒钟的平均风速 风的平均量是指在 规定时间段的平均值 有三秒钟 二分钟和十分钟的平均值 人工观测时 测量平均风速和最多风向 配有自记仪器的要作风 向风速的连续记录并进行整理 自动观测时 测量平均风速 平均 风向 最大风速 极大风速 测量风的仪器主要有 EL 型电接风向风速仪 EN 型系列测风数 据处理仪 海岛自动测风站 轻便风向风速表 单翼风向传感器和 风杯风速传感器等 中文名称 测风塔 英文名称 wind measureme 定义 安装风速 风向等传感器以及风数据记录器 用于测量风 能参数的高耸结构 2 应用学科 电力 一级学科 可再生能源 二级学科 测风塔的组成 测风塔的组成 包括塔底座 1 塔柱 2 横杆 斜杆 3 风速仪支架 4 避雷针 5 拉线 用于对近地面气流运动情况进行观测 记录的塔形构筑物 以前多 由气象 环保部门建造 用于气象观测和大气环境监测 近年来 随着全球对风能资源的普遍关注和风力发电行业的迅速发 展 各国政府 企业或是风电开发商开始投资兴建测风塔 为将来 风电场的投资建设获取第一手风能资料 测风塔架设在风电场场址内 多为绗架式结构和圆筒式结构 采用 钢绞线斜拉加固方式 高度一般为 10 150 米 在塔体不同高度处安 装有风速计 风向标以及温度 气压等监测设备 可全天候不间断 地对场址风力情况进行观测 测量数据被记录并存储于安装在塔体 上的数据记录仪中 测风塔结构设计 测风塔结构设计 常见的测风塔结构形式有自立式和拉线式两种 自立式测风塔塔体下部较宽 塔架材料用量相对较大 对基础要求 也较高 拉线式测风塔受力较为合理 可靠性高 塔体截面小 塔 架材料用量小 但拉线基础数量多 施工工艺复杂 测风塔塔架可采用单根钢管 三角形桁架及四边形桁架等结构形式 单根钢管结构形式所需钢管直径大 迎风面积亦大 材料量大 三 角形桁架结构形式较为稳定 塔架受风荷载作用较小 最为经济 四边形桁架结构形式较为稳定 一般情况下当三角形桁架不能满足 受力及变形要求或不经济时 塔架可选用四边形桁架结构形式 3 测风塔的主要功能 测风塔的主要功能 环境监测 风 气压 湿度等资源数据采集 为相应的仪器设备的安装做支撑 适用单位 适用单位 发电厂前期规划 海岛测风 气象数据采集 环境监测 等部门 优点 优点 风荷载系数小 抗风能力强 塔身挡风面积小 利于采集数 据准确客观 将实测数据和实际数据的差距降到最低 采集塔柱采 用外法兰盘连接 螺栓受拉 不易破坏 钢绞线加固 塔柱正三角 型布置 节约钢材 跟开小 占地面积小 节约土地资源 造价低廉 仅为角钢自立塔的 1 3 或更少 选址便利 塔身自重轻 运输和安 装便捷 建设工期短 塔型随风荷载曲线变化设计 线条流畅 遇罕 遇风灾不易倒塌 安全系数高 设计符合国家钢结构设计规范和塔桅 设计规程 结构安全可靠 执行标准 执行标准 风电场风能资源测量方法 GB T 18709 2002 抗风能力 抗风能力 最大抗风 60 米 秒 抗震烈度 8 度 设计重量 1 吨 具体重量根据地域而定 西部地区 沿海多风 区与中部地区略有差异 测风数据被用来进行风资源评估和投资前景预测 接地电阻 4 主要参数 主要参数 基本设计依据 钢结构设计规范 TJ17 74 基本参 数 设计风速 60 米 每秒 抗 震 8 级 裹 冰 5 10 毫米 垂 直 度 1 1000 适宜温度 45C 45C 防腐处理 热镀锌 使用寿命 30 年 4 2 EL 型电接风向风速计是由感应器 指示器 记录器组成的 有线遥测仪器 感应器由风向和风速俩部分组成 风向部分由风标 风向方位块 导电环 接触簧片等组成 风速部分由风杯 交流发 电机 蜗轮等组成 指示器由电源 瞬时风向指示盘 瞬时风速指 示盘等组成 记录器由 8 个风向电磁铁 自记钟 自计笔 笔挡 充放电线路等部分组成 EL 型电接风向风速计 5 3 热线风速计 一根被电流加热的金属丝 流动的空气使它散热 利用散热速率 和风速的平方根成线性关系 再通过电子线路线性化 以便于刻度 和读数 即可制成热线风速计 热线风速计分旁热式和直热式两 种 旁热式的热线一般为锰铜丝 其电阻温度系数近于零 它的表 面另置有测温元件 直热式的热线多为铂丝 在测量风速的同时可 以直接测定热线本身的温度 热线风速计在小风速时灵敏度较高 适用于对小风速测量 它的时间常数只有百分之几秒 是大气湍流 和农业气象测量的重要工具 优点 感应速度快 时间常数只有百分之几秒 在小风速时灵 敏度较高 探头体积小 对流场干扰小 响应快 能测量非定常流 速 宜应用于室内和野外的大气湍流实验 缺点 金属色过细 易断 对工作环境要求较高 灰尘不易过 多 热线测量的主要误差 气温变化造成的误差 测风热线方向与 气流方向不垂直造成的误差 要求夹角 10 度 空气密度的改变造 成的误差 4 声学风速表 6 在声波传播方向的风速分量将增加 或减低 声波传播速度 利用这种特性制作的声学风速表可用来测量风速分量 声学风速表 至少有两对感应元件 每对包括发声器和接收器各一个 使两个发 声器的声波传播方向相反 如果一组声波顺着风速分量传播 另一 组恰好逆风传播 则两个接收器收到声脉冲的时间差值将与风速分 量成正比 如果同时在水平和铅直方向各装上两对元件 就可以分 别计算出水平风速 风向和铅直风速 由于超声波具有抗干扰 方 向性好的优点 声学风速表发射的声波频率多在超声波段 声波风速仪是一基于微机 能以可靠的精度进行一到三维风速 测量的风传感器 仪器设计成通过沿着在固定而又互相垂直方向发射与接受声波 讯号来测量风速的分量 微机随后处理这些信息进行三维声速计算 因无移动部件介入气流的动力平衡 声波风速仪 温度计能快速响应 风速的起伏 它线性响应声速 而且不受其它速度分量及压力 温 度和相对湿度的干扰 传感器的标定由设计参量确立 因此可用作 绝对测量仪器 探头阵列的设计最大限度减小了由支架导致的气流扭变 达到 了垂直分量的无障碍广范围覆盖 阵列可任意指向 但理想情况垂 直轴应装在两水平轴的上风处 压电晶体制的换能器完全密封 适 用于苛刻的室外使用条件 电子器件全部装在探头杆架中 这样仪器就可安装在塔顶运行 经得起十分恶劣的环境条件考验 换能器的运行 声波函数及所有 7 数据的计算和传输 均由微机控制 83 超 声 风 速 仪 特点 单分量风速 快速响应温度 极端精确 微机控制 固态数 字运算 无活动部件 无人监管运行 易安装 抗糙建构 低功耗 直流电源 功能 可由串行口遥控 内标定保持精度 用户程选数据采样率 平均范围 1 分钟至 200Hz 选择数据平均或中位过滤 数种输出格 式可选 数种波特率可选 同步声波运算至外部触发 可输出触发 脉冲给其它仪器 选择 声速 和 或 温 度输出 改变风速 风 向的水平速度矢量而保持垂直分量及温度 选择数据质量计算方法 去除尖峰 用户调整数据质量的计算 可在输出格式中提供数据质 量状态 气流扭变校准可 开 或 关 用户调整气流扭变校准的 计算 5 轻便风速表 构造 风杯感应部分 机械指示部分 感应部分 四个半球形风杯 刻度盘中心大指针指示十位数和个位数 右边小指针指示百位数 8 左边小指针指示千位数 轻便风速表一般用于小气候观测 或 特殊观测 2 测雨 常用的测量降水的仪器有雨量器 翻斗式雨量器 虹吸式雨 量计和双阀容栅式雨量传感器等 1 雨量器是用来收集降水的专用器具 并通过与之配套的雨量 量筒 用来测定以毫米为单位的降水量 适用于气象台 站 水文 站 环保 防汛排涝以及农 林等有关部门用来测量降水量 测量在某一段时间内的液体和固体降水总量的仪器 一般为直径 20 厘米的圆筒 为保持筒口的形状和面积 筒质必须坚硬 为防止雨 水溅入 筒口呈内直外斜的刀刃形 雨量器有带漏斗和不带漏斗的 两种 9 常见的雨量器外壳是金属圆筒 分上下两节 上节是一个口径为 20 厘米的盛水漏斗 为防止雨水溅失 保持容器口面积和形状 筒口 用坚硬铜质做成内直外斜的刀刃状 下节筒内放一个储水瓶用来收 集雨水 测量时 将雨水倒入特制的雨量杯内读出降水量毫米数 降雪季节将储水瓶取出 换上不带漏斗的筒口 雪花可直接收集在 雨量筒内 待雪融化后再读数 也可将雪称出重量后根据筒口面积 换算成毫米数 产品概述产品概述 气象站雨量器安装在观测场内固定的架子上 器口保持水平 距地 面高 70 米 2 单翻斗传感器构造原理 是用来自动测量降水量的仪器 主 要由承水器 过滤漏斗 翻斗 干簧管 底座和专用量杯等组成 降水通过承水器 再通过一个过滤斗流入翻斗里 当翻斗流入一定 量的雨水后 翻斗翻转 倒空斗里的水 翻斗的另一个斗又开始接 水 翻斗的每次翻转动作通过干簧管转成脉冲信号 1 脉冲为 0 1mm 传输到采集系统 仪器测量范围 0 4mm min 安装与调整 单翻斗雨量传感器应安装在观侧场内预制水泥座上 筒口离地 70cm 高 保持筒口水平 10 安装与检查 先将承水器外筒安在观测场内 底盘用三个螺钉固 定在混凝土底座或木桩上 要求安装牢固 器口水平 感应器安在 外筒内 注意当上翻斗处于水平位置时 漏斗进水口应对准其中间 隔板 最后将电缆线与室内仪器联接 电缆线不能架空 必须走电 缆沟 管 安装完毕 将清水徐徐注入感应器漏斗 随时观察计数翻斗翻动 过程 有无不发信号或多发信号现象 检查室内仪器上是否采集到 数据 最后注入定量水 60 70mm 如无不发信号或多发信号的现象 且室内仪器的数据与注入水量相符合 说明仪器正常 否则须检修 调节 单翻斗雨量器 3 SL3 1 双翻斗雨量传感器由集水器 翻斗 调节螺钉 干 簧管等构成 在测量过程中 随着翻斗间歇翻倒动作 带动开关 发出一个个脉冲信号 将非电量转换成可以进行计量的物理信号 产品特点 采用双翻斗 测量精度高 适合气象常规业务观测 传 统测量方法 可靠性高 机械原理设计 易维护 国产自主创新研发 性价比高 采用不锈 钢材质 美观耐用机械原理设计 易维护 11 典型应用 适用于各种常规气象站 水文站 环保 防汛排涝以及 农 林等有关部门用来测量降水量 并将降雨量转换为可以进行计 量的物理信号 SL3 1 型雨量传感器 4 虹吸式雨量计 虹吸式雨量计用于连续记录液态降水量 并可用来测定降水强度和 降水起止时间 适用于气象台 站 水文站 农业 林业等有关单 位 承水口使用铸铜件 筒身使用镀锌铁板锡焊成型 它是用来连续记录液体降水的自动仪器 由承水器 通常口径为 20cm 浮子室 自记钟和虹吸管等组成 开始使用前必须按照顺序进行调整检查 1 调整零点 往承水器里倒水 直到虹吸管排水为止 2 用 10ml 清水 缓缓注入承水器 注意自计笔尖移动是否灵活 如摩擦太大 要检查浮子顶端的直杆能否自由移动 自计笔右端的 导轮或导向卡口是否能顺着支柱自由滑动 3 继续将水注入承水器 检查虹吸管位置是否正确 12 虹吸式雨量器 5 测雨雷达 测雨雷达又称天气雷达 是利用雨滴 云状滴 冰晶 雪花等对电 磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中大滴的浓度 分布 移 动和演变 了解天气系统的结构和特征 测雨雷达能探测台风 局 部地区强风 冰雹 雨和强对流云体等 并能监视天气的变化 雷达图像是根据未经处理的原始资料制作的 只能定性地反映降水 情况 雷达测雨是根据雷达回波来推算雨量的 是一种间接的测雨 方法 因此 雷达图只能反映非定量的降水情况 通过与用常规方 法测雨结果的比较 人们可以从雷达测量结果中获得定量降水信息 组成部分测雨雷达是利用物体对电磁波的散射作用来对云 雨 雪 雹等进行观测的 当雷达天线发射出去的电磁波在空间传播时 若遇 到云 雨 雪 雹等目标物 就有一部分辐射能会被反射回来 并 13 被雷达天线接收 这时在显示器上就会出现许多亮度不等的区域 即云 雨 雪 雹等的回波图像 简称气象回波 所以 用测雨雷 达可似随时提供几百公里范围内的降水分布和结构等气象情报 与气 象卫星云图相比 测雨雷达提供中尺度的降水信息 对于补充地面 站的不足十分有效 利用雷达回波可以测定降雨云团的方位 高度 距离等三维信息 通过纪录还可以测定降雨的历时和变化过程 配 合地面雨量站的实时校正 雷达测雨的精度很高 713 雷达 国产的一种测雨雷达 波长 5 6CM 天线直径 3 7 米 天线增益 38dB 波束宽度 1 2 度 发射脉冲功率为 250kw 脉冲宽度 2 微秒 脉冲重复频率为 200HZ 最小可测功率为 107dB mw 最大探测距 离为 400KM 配有 PPI 平面位置显示器 RHI 距离高度显示器 和 RHI 距离仰角显示器 合用的显示器和 A R 显示器 并配有视 频信号处理器 可对降水进行较准确的测量 主要装备于地区气象 台和部分省级气象台 以及气象研究机构 14 蒸发量 蒸发量 蒸发量 evaporation 水由液态或固态转变成汽态 逸入大 气中的过程称为蒸发 而蒸发量是指在一定时段内 水分经蒸发而 散布到空中的量 通常用蒸发掉的水层厚度的毫米数表示 水面或 土壤的水分蒸发量 分别用不同的蒸发器测定 一般温度越高 湿 度越小 风速越大 气压越低 则蒸发量就越大 反之蒸发量就越 小 土壤蒸发量和和水面蒸发量的测定 在农业生产和水文工作上 非常重要 雨量稀少 地下水源及流入径流水量不多的地区 如蒸 发量很大 即易发生干旱 15 常用仪器常用仪器 测量蒸发的仪器常用的有小型蒸发器 大型蒸发桶和蒸发皿等几 种 小型蒸发器是口径为 20 厘米 高约 10 厘米的金属的圆盆 盆口 成刀刃状 为防止鸟兽饮水 器口上部套一个向外张成喇叭状的金 属丝网圈 测量时 将仪器放在架子上 器口离地 70 厘米 每日放 入定量清水 隔 24 小时后 用量杯测量剩余水量 所减少的水量即 为蒸发量 大型蒸发桶是一个器口面积为 0 3 平方米的圆柱形桶 桶底中心 装一直管 直管上端装有测针座和水面指示针 桶体埋入地中 桶 口略高于地面 每天 20 时观测 将测针插入测针座 读取水面高度 根据每天水位变化与降水量计算蒸发量 蒸发皿的规格大都和雨量筒一样 也是 20 厘米直径的圆形器皿 皿 口上沿也高出地面 70 厘米 蒸发皿深 10 厘米 正是因为它的厚度 小于直径才称为皿 每天向蒸发皿中加进 2 厘米深的水层 晚上把余水倒进量杯 量 16 出剩余水深 把 20 厘米减去剩余水深就是当天的蒸发量 如果当天 有雨 余水中还要扣除当天的降水量 这就是蒸发皿的直径和离地 面高度都要和雨量筒一致的原因 否则 两者就不能简单相减 中国采用的直接观测水面蒸发的仪器有 20 厘米直径小型蒸发器 80 厘米直径套盆式蒸发器 60 年代初选用 E 601 型蒸发器为全国 标准仪器 蒸发实验站则采用 20 和 100 平方米蒸发池和漂浮蒸发 器 大水体的蒸发量的确定要用各种蒸发器测得的蒸发量乘以折算 系数 折算系数随蒸发器面积大小 季节和气候区等不同而异 太阳辐射 太阳辐射 太阳辐射 solar radiation 是指太阳向宇宙空间发射的电磁 波和粒子流 地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向