自动气象站原理与测量方法.ppt

自动气象站原理与测量方法 主讲 唐晓丽四川省气象培训中心 第一章概述 1 自动站的涵义顾名思义 它是一个能自动采集 处理 存储和传输地面气象信息的设备 装置 其功能类似一个自动气象站 但它还不能完全代替一个观测员的人工观测 自动气象观测系统 在网络系统中 自动气象站也称子站 将许多子站和一个中心站用通讯网络连接起来 形成自动气象观测系统 从狭义上说是指自动气象站 从广义上说是指自动气象站网 自动气象站的组成一般由传感器 数据采集器 微机 系统电源 通讯接口等组成 传感器将气象参数转换成数据采集器所需的模拟量 数字 频率等 以便进行测量 数据采集器将传感器送来的参量按设定的要求进行处理 经过处理的气象资料用有线或无线方式传输给用户 或存储起来 2 使用自动站的目的 使用自动气象站可以提高观测站网的均一程度和资料的时空密度 提高我国大气探测的现代化水平 减少人工观测引起的误差 从而提高地面观测资料的可靠性 减轻观测人员的劳动强度 在现有台站建设自动气象站 可以提高现有气象台站观测资料的时间密度 在野外建设自动气象站 可以提高观测资料的空间密度 如目前大量建设的区域气象观测站 随着大量自动气象站建设投入使用 提升了我国地面气象观测站网的时空密度 对增强监测 警报 预测能力 为科学研究 科学试验 天气预报 气候预测 人工影响天气 城市环境气象和气象灾害决策服务等方面 提供了更准确 更及时 更有效的地面气象观测资料 3 自动观测与人工观测的差异 仪器原理差异时空差异样本差异时次差异 4 自动气象站的基本要求 主要功能要求 1 自动采集各类气象要素的观测数据 经处理后发送至终端设备 2 按照规定公式自动计算海平面气压 水汽压 相对湿度 露点温度等 以及所需的各种统计数据 3 按照业务需求 编发各类气象报文 编制各类气象报表 数据文件 和发送实时观测数据 主要技术性能指标自动气象站的主要技术性能指标 测量要素及其测量范围 数据采样率 数据处理方法 准确度 数据存储能力 数据传输方式等 5 自动气象站的种类 自动气象站有不同的分类方法 按提供数据的时效性 通常分成实时自动气象站和非实时自动气象站两类 世界气象组织仪器和观测方法委员会 cimo 把自动气象站分成提供实时资料的实时自动气象站和记录资料供非实时分析用的非实时自动气象站两类 实时自动气象站 能按规定的时间实时提供气象观测数据的自动气象站 非实时自动气象站 只能定时记录和存储观测数据 但不能实时提供气象观测数据的自动气象站 根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为有人值守的自动气象站和无人值守的自动气象站 有人值守的自动气象站是一种人机结合的自动气象站 配有终端设备 目前在业务上使用的就是这类自动气象站 无人值守的自动气象站是一种全自动的自动气象站 只含有能实现自动测量的气象要素 要素的多少根据用户的需要而定 可以定时或非定时的采集数据 直接远距离传输给用户 也可以把此数据存储在本站存储器内 定时回收处理 6 国内 国外自动气象站发展概况 第一代自动气象站 20世纪50年代末 有前苏联研制的m36型自动气象站 美国研制的amos iii型自动气象站 缺点 观测要素少 结构简单 准确度低 第二代自动气象站 60年代中期 能适应较严酷的气候条件 缺点 未能解决存储和传输问题 无法形成完整的自动观测系统 第三代自动气象站 70年代初 大量采用集成电路 实现了软件模块化 硬件积木化 单片微处理器的应用使其具有较强的数据处理 记录和传输能力 并逐步投入业务使用 成熟的自动气象站 进入90年代以来 自动气象站在许多发达国家得到了迅速发展 建成了业务性自动观测网 如美国的 asos 日本的 amedas 芬兰的 milos 和法国的 mistral 自动化观测系统等 我国自动气象站研制工作始于20世纪50年代后期 至今已有40年代的历史 70年代初研制出5台无人自动气象站 90年代后期 我国第一批自动气象站设计定型 并获准在业务中使用 截至2003年 全国有1000多个台站使用了自动气象站 并实现了组网 国产的自动站在质量 性能 适应恶劣气候的能力方面与发达国家生产的自动气象站有较大差距 主要受科学技术水平和经济因素的制约 第二章结构及工作原理 1 组成自动站的种类很多 但不管是哪一种 其组成与原理大致是相同的 自动气象站由硬件和系统软件组成 硬件包括传感器 采集器 通讯接口 系统电源 计算机等 系统软件有采集软件和地面测报业务软件 为了实现组网和远程监控 还须配置远程监控软件 将自动气象站与中心站联接形成自动气象观测系统 自动站组成框图 2 工作原理 各个传感器的感应元件随着气象要素值的变化 使得相应传感器输出的电信号产生变化 这种变化由cpu实时控制的数据采集器所采集 进行线性化和定标处理 实现工程量到气象要素量的转换 对数据进行质量控制 通过预处理后 得出各个气象要素的实测值 比如温度 它采集到的是一个模拟量 是一个低压信号 与温度是一一对应的关系 那么在采集器里面经过定标处理后就转化成实时的气象温度值了 如果配上微机终端可实时按设定的菜单将气象要素值显示在计算机屏幕上 并按规定的格式存储在计算机的硬盘上 在定时观测的时刻 数据采集器将采集到的数据传到计算机里经过微机处理后 还将气象要素值存入规定格式的定时数据文件中 同时可按规定 生成各种气象报告 对观测资料进一步加工处理后 生成全月数据文件 利用配备的打印机可打印输出气象记录报表 如果需要将观测数据远距离发送 可在设定程序控制下 通过发送设备定时进行观测数据的传输 也可通过收发送设备进行应答式数据收集和传输 若配有数据存储卡 模块 可按设定时次将观测数据存入其中 定期收回处理 此外 还可对运行状态进行远程监控 华创升达生产的caws600型自动站介绍 第三章传感器 1 定义传感器是指能感受规定的被测对象并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换器组成 2 传感器的组成 传感器一般由敏感元件 变换元件组成 变换元件也称变换器 有时将变换器也作为传感器的一部分 敏感元件 直接感受 响应 被测量 并输出与被测量成确定关系的电的或非电的信号的元件 变换器 接受敏感元件输出的信号 转换为标准电信号输出的器件 由于电信号便于测量 传输 变换 储存和处理 因此气象传感器一般为电信号输出 输出的电信号通常有 电压 电阻 电容 电流 频率等 气象传感器是直接从大气中获得信息的前沿装置 传感器是否准确 可靠是影响自动气象站观测结果的关键 3 传感器的特性 传感器将输入的被测量参数转换为电信号输出 这种输出与输入关系是传感器的基本特性 1 线性度 所谓线性度就是在理想的情况下 传感器的输出与输入应是直线关系 这种直线关系便于显示记录和处理 但是通常情况下 传感器输出与输入的关系并非直线 一般都以多向式方程来表示它 然后通过拟合的方式或通过计算机来进行直接处理 使线性程度变好 2 灵敏度所谓灵敏度就是指传感器在稳态工作时 输出量的变化值与输入量的变化值之比 称为传感器的灵敏度 3 响应时间 滞后时间 通常传感器用来测量每一个被测参数时 它都不能立即响应参数的真实情况 它总是逐渐地接近被测参数的情况 这种滞后现象称为传感器的滞后性或叫惯性 当被测参数将要变化时 一般传感器都是随将要变化的参数而变化 那么这种将要变化从开始将要的时间 我们就称为传感器的实际常数 过去常用的 时间常数都是i变化量达到63 2 的时候经历的时间 这个时间它是决定传感器的反映速度快慢的一个重要参熟 现在大多数都采用的响应时间是达到90 0 所需要的时间来作为响应的时间 这样可减少响应的时间 缩短其滞后性 4 分辨率 就是传感器测量时能给出被测量的间隔 分辨率要求能满足气象资料的要求就可以了 比如空气温度能达到0 1就可达到要求 没有必要精确到0 01 5 量程 传感器测量时能给出的最大范围 6 漂移 自动站传感器的漂移有2种测量法 一个叫直漂 还有一个叫横漂 所谓直漂就是指所有量不变时 传感器输出的规定时间内发生变化 横漂是与外界环境温度的变化允许传感器输出量的变化 如何控制这个漂移就需要厂家按气象的要求来生产传感器 4 自动气象站上使用的传感器 由于电信号便于测量 传输 变换 存储和处理 因此自动站中所用的传感器都是电信号输出 输出的电信号通常有电压 电阻 电流 频率等 下面讲气象上所有测量要素的传感器 4 1气压传感器 1 硅膜盒电容式气压传感器 2 振筒式气压传感器两种气压传感器在结构上的区别 硅膜盒电容式气压传感器在结构上比较复杂 工艺制造的难度较大 这种传感器在国内还没有完好的产品 只有从芬兰visl公司引进的产品才配有此种传感器 而振筒式气压传感器结构上看起来较简单 分内外筒 中间抽成真空 内有一个激振线圈 还有一个拾振线圈 缺点是样式难以突破 更换不方便 测量原理 硅膜盒电容式气压传感器 就是当改变容硅膜盒外界大气压发生变化时 单晶硅膜盒随着发生弹性变形 从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化 而电容量的变化有一个频率变化 只要测定频率与电压值的变化 我们就能测定出气压的变化 因为这种传感器内部有5个电容 因此精度较高 目前我们采用的自动站气压传感器都是这种传感器 而振筒式气压传感器是通过激振线圈与外界相通后 随着大气压力的变化产生电容频率或电压的变化而测量出气压的变化值 两种内部都有温度补偿电容 都不会因为外界温度的变化而使测量值发生变化 保证了测量的精度 3 气压传感器的误差和缺陷 1 校准漂移值 基点漂了或没有漂不好确定 在日常工作中难以发现 2 温度的影响 环境温度的影响较大3 电磁干扰的影响 在使用这种电信号测量气压的传感器一般受电磁干扰是避免不了的 应该采取屏蔽措施才行 4 运行方式的影响 不同的运行方式会得到不同的结果 4 2温度传感器 用来测量气温的传感器有很多 有电的和非电的如我们人工用的玻璃棒 自动站使用的主要有以下2种 1 铂电阻 在我国所有的自动站系列中温度传感器均采用的是铂电阻 2 热敏电阻 在美国普遍所有此传感器 1 铂电阻我国采用的测温传感器也是从芬兰引进 我们国家测量湿度的传感器不太理想 引进芬兰的这个传感器温湿度不是做在一起的 铂电阻和温度的关系也即电阻与温度的关系用以下公式来表示 rt r0 1 t t2 其中r0为0 时的金属电阻 100 0欧 rt为温度t 时的温度a和b为电阻的一次和二次项电阻温度系数 测定电阻值就可知道温度值 从电阻与温度的关系式就可以知道铂电阻是随着环境温度的变化而变化 这种测量方法是用恒流源的方式 电流在电路中是不变的 这种测量方法还消除了导线测量的影响 2 热敏电阻热敏电阻的阻值与绝对温度t的依赖关系可以用下式表示 rt aeb tab是元件系数 a的大小反映了元件的电阻大小 b的大小反映了rt对温度的灵敏度 热敏电阻随温度的增加而在减小 热敏电阻与铂电阻等金属传感器相比 有一些优点 一个是有较大的温度系数 灵敏度较大 半导体材料元件优于金属 电阻可以做得很小 不仅惯性小 响应快 而且价格比较低廉 所以在国外普遍用热敏电阻做为自动站的温度感应元件 它的缺点是非线性大 稳定性不如铂电阻 复合性也比较差 所以给大的精密仪器来进行测量比较困难 4 3湿度传感器 1 高分子薄膜湿敏电容 2 干湿球传感器第 1 种是一种普遍使用的传感器 而干湿球由于在5度以下就不好使用 所以自动站常用的是第 1 种 第 1 种的测湿原理是在外界相对湿度变化时 作为感应膜的高分子聚合物能对水汽分之进行吸收和释放 其介电常数随之变化 促使湿敏电容量发生变化 电容变化过程中具有一个频率的变化 前面讲过电容都是接在电路中 频率变化就产生了电压值 电压值与相对湿度的变化对应是1 1 为便于测量 这个变化值用放大电路放大出来 对电路要求要高一些 使模拟电压放大后尽量要与相对湿度拟合程度高一些 这样才能使测量值真实地反映客观实际 湿敏电容的误差湿敏电容具有较好的线性度 湿度系数小 响应速度快 在相对湿度80 以下测湿的精度在3 左右 在 10度以内 它比毛发湿度测湿准确 但在高湿时误差较大 尤其在高温高湿环境中测量误差更大 2 干湿球传感器测湿原理 大家对这种测湿早就熟悉 不论是玻璃的还是金属做的干湿球传感器的测湿原理都是一样的 2支相同的温度表 一支做为干球 另一支包上纱布 纱布寝在蒸馏水中 再将蒸馏水通过纱布吸附到球部 就成了湿球 通过2支温度表观测的差值查算常用表或计算出相对湿度 干湿球测湿的误差不同气温下 干球或湿球温度误差0 1度 引起相对湿度的误差随温度的降低而增大 尤其在零下30度以后 误差就更大 在零上温度随温度的增高 相对湿度的误差在正负1 所以在台站自动站使用的都是湿敏传感器 主要的就是避免干湿球传感器在零下结冰时产生的过大误差 4 4风向 风速传感器 1 风向在风向标的轴承上有一个七位的格雷码盘 当风向标随着外界自然风转动时 格雷码盘转动的角度的度数可以换算成二进制的数字信号进去 大家知道 二进制就是0和1 而风向的电路上采用的是二极管 当转动到有光时 二极管发亮 此时规定0 当暗时 二极管不亮 规定为1 那么大家永远记住 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 二进制通过数据总线输出 格雷码最大的优点是它转换成的二进制与实际风的来向是一一对应的 它永远都不会乱跳 格雷码的分辩率是3度 我们气象上要求的精度达到10度就可以了 所以它的精度还是较高的 这就风向的测量原理 2 风速传感器 工作原理 多齿光盘固定在风杯轴上 光盘上面装有发光二极管 下面装有光敏三极管 当风杯带着光盘转动时 光敏三极管时而导通时而截止 这样就能得到与风杯转速成正比的频率信号 由计数器计数 经转换就可得到实际的风速 4 5雨量传感器 翻斗式雨量传感器工作原理 台站普遍使用的 结构 主要有承水器 上翻斗 限位调节螺丝 节流管 干簧管 汇集漏斗 计量翻斗 计数翻斗 定位螺丝 底座等工作原理 当有降水时 节流管接到到一定的量流到干簧管处时 干簧管下的电磁阀开关就闭合一次 这时计数翻斗就翻一次 我国规定降水分辩率为0 1mm 因此计一次为0 1mm 翻斗式雨量传感器的误差理想情况下翻斗翻动应该很灵活 但实际工作中由于转轴的摩擦力 如果加上斗上的沾水或泥沙的影响都会造成测定雨量的误差 大雨时 由于翻斗的惯性来不及翻转 造成雨量流失 使得测定的雨量有较大的误差 甚至计算失真 这种翻斗雨量传感器结构简单 使用方便 小到中雨的测量值还是可以用的 另外平时的维护很重要 特别是每天的清洁 不要让虫子 数叶等落在漏斗里 阻挡了降水的下漏 4 6蒸发传感器 自动气象站测量蒸发量用的是超声波传感器 它安置在e601b蒸发桶内 自动测量桶内水面高度的变化 测量原理 该传感器由超声波发生器和不锈钢圆筒组成 根据超声波测距原理 选用高精度超声波探头 对e601b蒸发器内水面高度h进行连续的检测 水的温度不同 传播的速度有变化 因此有一个温度补偿 使超声波传感器的精度保证在1 5 内 限于0 50度的温度 结冰就不能用了 第四章数据采集器 1 概述2 组成与工作原理概述 数据采集器是自动站的核心 其主要功能是将传感器测得的各种电信号进行获取 处理并计算出相应的工程量 按一定的格式存储 主要功能是数据采样 数据处理 数据存储及数据传输 数据采集器一般连接于单片的采集板上 它与pc机的接口通常是r232接口 由于数据的传输 数据采集器主要有以下方式 模拟量包括电压 电流 电阻 如常用的温度传感器铂电阻 频率量如风速的输出 脉冲量的输出也叫开关量如翻斗雨量计 数字变码信号如风向码盘 智能的接口r232等数据采集器为了能够测量多路模拟信号 必须具备以下电路 多路模拟开关 自动量程放大器从12位到22位转换器将模拟信号变为数字信号 恒流源有利于传感器的节流源 数据采集器的基本要求 1 速率 算法数据采样速率及算法符合附表1中的要求2 数据存储功能采集器的电源能保证采集器至少七天正常工作 数据存储器至少能存储三天的每分钟气压 气温 相对湿度 风向 风速 降水量和下表列各项目的每小时正点观测数据 能在计算机中形成规定的数据文件 详见 地面气象观测数据文件和记录簿表格式 3 数据显示功能能直接从数据采集器的显示器上读取以下所需的数据 可读取瞬时的数据有 风向 风速 气温 相对湿度 本站气压 海平面气压 降水量 各层地温 各种辐射的辐照度等 可读取人工编报所需的定时数据有 2分钟平均风向2分钟平均风速气温露点温度本站气压海平面气压 3小时变压24小时变温24小时内最高气温24小时内最低气温12小时内最低气温1小时内累计雨量3小时内累计雨量6小时内累计雨量24小时内累计雨量1小时内极大风速的风向1小时内极大风速6小时内极大风速的风向6小时内极大风速 4 采集器时钟数据采集器的时钟准确度要求为 时钟误差不超过30秒 月 5 数据采集器的电源供应采集器应配有蓄电池及电源控制系统 同时数据采集器可以使用交流或直流供电 6 自检功能要求采集器在通电后或通过控制命令 进行采集器自检 并将自检结果 采集器工作状态 上报给上位机或在采集器的显示器上显示 7 报警功能采集器在正常工作时 应具有在线检测功能 当采集器检测出故障时 如出现某个测量通道测量值超差 电源电压等故障时 采集器应输出相应的报警信息 8 故障定位功能维护人员可通过相应命令对采集器进行查询 要求采集器将故障定位到最小可更换单元 2 组成与工作原理 组成 主要有模拟接口适配电路 数字接口适配电路 a d转换电路 微处理器控制电路 电源控制单元及通信等部分组成 3 采集软件 采集软件主要功能有 1 接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整 时钟也可在采集器上直接调整 但必须保证采集器和计算机的时钟一致 2 实时和定时采集各传感器的输出信号 经计算 处理成各气象要素值 3 存储 显示和传输各气象要素值 4 大风报警 5 运行状态监控 第五章电源和外围设备 电源自动气象站具备高稳定性 无干扰的系统电源 在有市电的地方 使用市电 并对备用电池浮充电 以备市电出现故障时使用 若使用计算机 则还配备不间断电源 ups 和后备电池 在无市电的地区 自动气象站可用电池供电 这时 可用辅助电源对电池充电 可作辅助电源的有 柴油或汽油发电机 风力发电机 太阳能电池板等 内部电源大部分自动气象站有内部电源 给功耗很低的日期时钟芯片供电 用以保证日期时间的连续 也有些自动气象站同时给存储器或部分存储器供电 用以保证重要的数据或信息不丢失 内部电源主要靠电池供电 在有外电源供电时切换到外电源供电 外电源关闭时切换到内部电源供电 主电源系统主电源是指地面自动气象站的主要电源 它包括电池和检测 控制电路部分 一种主电源大部分时间是靠市电变换后输出供电的 只有在无市电时才切换到电池供电 还有一种主电源大部分时间是依靠免维护的铅酸电池输出供电的 在需要充电时 可以用市电转换后给它充电 也可以用太阳能给它充电 还可以用其它能源给它充电 比如发电机等 我国现在城市 农村 边远地区用电的现状参差不齐 后一种主电源适用范围更宽一些 外围设备自动气象站的外围设备主要包括微机 打印机 显示器 通讯及远程监控等设备组成 完成气象观测数据显示和图形显示 气象报表的打印输出 人机对话 远程通讯及远程监控等功能 第六章采样与算法 采样 1 采样顺序 自动站的数据采样在采集器中完成 采样顺序 气温 湿度 降水量 风向 风速 气压 地温 辐射 日照 蒸发 2 采样的速率 气温 湿度 气压 地温 辐射为每分钟6次 去掉一个最大和一个最小值 余下的4次求算术平均值 1分钟平均值为瞬时值 风向 风速的采样速率为每秒种1次 求3秒种 2分钟 10分钟的滑动平均值 3秒种的平均值为瞬时值 降水量 日照和蒸发量的采样速率为每分钟1次 算法 平均值气温 湿度 气压 地温 辐射均为1分钟内有效采样值的算术平均 风向 瞬时风速以1秒钟为步长 求3秒钟的滑动平均值 以1秒钟为步长 求1分钟和2分钟滑动平均值 以1分钟为步长 求10分钟滑动平均风速 风向 风速采用滑动平均方法 计算公式为 yn k yn yn 1 yn 1k 3t t式中 yn n个样本值的平均值 yn 1 n 1个样本值的平均值 yn 第n个样本值 t 采样间隔 s t 平均区间 s 风向过零处理采用以下算法 计算yn yn 1 e若e 180 则从e中减去360 若e 180 则在e上加360 再用此e值重新计算yn 若新计算的yn 360 则减去360 若新计算的yn 0 则加上360 2 极值的挑选最大风速从10分钟平均风速值中选取 其他要素的极值 含极大风速 均从瞬时