新型自动气象站实习实训(修改)

1 实习实训实习实训 1 1 电子技术基础电子技术基础 1.1 1.1 目的要求目的要求 1.掌握数字万用表的基本使用方法。 2.能够对基本的电子元器件进行识别和测试。 3.了解 DZZ4 和 DZZ5 电源系统结构和原理， 掌握电源系统的测试步骤。 1.21.2 学时学时 4 学时 1.31.3 预习内容预习内容 1.电子技术基础。 2.新型自动站电源结构。 1.4 1.4 设备与工具设备与工具 1.数字万用表。 2.电阻、电容、电感、二极管、保险管。 3.DZZ4 和 DZZ5 新型自动站电源箱。 1.5 1.5 原理与说明原理与说明 1.基本概念 电压：静电场中电荷在某一点所具有的势能，又称电势能，用符号 U 表示。单位：伏特（V） 。 电流：电荷的定向移动，电流的大小称为电流强度，用符号 I 表示。 2 单位：安培（A)。 电阻：导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻，用符号 R 表示。单 位：欧姆（） 电功率： 描述电做功快慢的物理量， 也称为单位时间内电能所做的功。 W=P*t（电功） ，P=U*I（电功率） 电流、电压、电阻的关系： U=R*I I=U/R R=U/I 2.数字万用表是一种数字化新型测量仪表，输入阻抗高、测量对象和量程 宽、读数显示准确直观。数字万用表可以测量交、直流电压、电流、电阻 图 1.1 UT51 型数字万用表 等， 有的还能测量电容、 电感、 晶体管参数、 频率、 温度等。 图 1.1 为 UT51 型数字万用表外形，面板上部为液晶显示屏，显示屏左下方设有整机电源 开关（POWER） ，按下为“开” ，再按一下使其弹起为“关” 。面板中央为测 3 量选择开关，使用时，转动旋钮至适当挡位即可。面板下部有 4 个插孔， 分别是公共端插孔“COM” ；测量电压、电阻和二极管插孔“V” ；测量较 低电流插孔“A” ；测量较高电流插孔“10A” 。使用时，将黑表笔插入“COM” 插孔，红表笔插入相应插孔。 3. DZZ4 型自动气象站电源供电采用交流供电系统， 如图 1.2 所示， 主 要由空气开关、开关电源、防雷组件、蓄电池和充电保护模块等组成。供 电单元的输入为 AC220V。供电单元的输出有两组，均为 DC12V，分别给 主采集箱和各分采集箱进行供电。电源系统供电线路图如图 1.3 所示，交 流输入端经过空气开关后，接入开关电源输入端，交流防雷模块与空气开 关和开关电源输入端并联。开关电源通过转换输出三组直流电，一组（橙 黑线）通过充电保护模块给电池充电，一组（红蓝）经过防雷器作为主采 集器的检测电源，一组（棕黑）经过防雷器作为主采集器的供电电源。当 空气开关断开时，电池通过橙黑两条线给主采集器供电。 图 1.2 DZZ4 电源箱 4 空气开关空气开关 交流防雷交流防雷 模块模块 开关电源开关电源 直流防雷直流防雷 模块模块 （检测检测） 充电充电 保护模块保护模块 电池电池 直流防雷直流防雷 模块模块 （电池电池） 蓝蓝棕棕 蓝蓝棕棕 蓝蓝棕棕 蓝蓝棕棕 棕棕 蓝蓝 橙橙 橙橙 红红 红红 橙橙 黑黑 黑黑 红红蓝蓝 红红 蓝蓝 黑黑 黑黑 黑黑 黑黑 红红红红 棕棕 黑黑 红 红 蓝 蓝 棕棕黑黑 红 红 蓝 蓝 红 红蓝 蓝 棕棕黑黑 + + - - 电源输出电源输出 （主采集主采集） 电源输出电源输出 （备用备用） 交流输入交流输入 接地接地 接地接地 接地接地 接地接地 + + - -+ + - - + + - -+ + - - + + - - + + - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + +- - + +- - + +- - L LN N L LN N L L N N 图 1.3 DZZ4 电源系统供电线路图 图 1.4 DZZ5 电源结构 4.DZZ5 自动气象站的电源系统为交流供电电源系统，如图 1.4 所示， 由四部分组成，分别是空气开关、防雷器、电源控制器和免维护电池。供 电单元的输入为 AC220V，输出电压为 DC13.8V。电源模块负责将交流电 转化为 DC13.8V，供自动站所有设备工作。蓄电池为后备电源，当没有交 流电输入时，保证自动站能够连续工作。电源系统供电线路图如图 1.5 所 示，交流输入端经过空气开关后，一路接入电源控制器输入端，一路连接 5 空气开关，接入环形变压器的输入端，环形变压器降低交流电压后给能见 度加热。电源控制器输出两组直流电，一组连接蓄电池，一组通过保险管 和刀开关给主采集器供电，同时接入 12V 升 24V 模块，给能见度供电。空 气开关断开时，蓄电池连接保险管和刀片开关给主采集器供电，通过 12V 升 24V 模块给能见度供电。 图 1.5 DZZ5 电源系统供电线路图 1.6 1.6 内容与步骤内容与步骤 1.熟悉数字万用表结构和使用方法； 2.对电阻进行色环识别，并用万用表测试其电阻值； 序号序号 色环识别值色环识别值 万用表测试值万用表测试值 备注备注 6 3.对电容器进行容量识别，并用万用表测试其电容容量值； 序号序号 元件标示元件标示值值 万用表测试值万用表测试值 备注备注 4.用万用表对二极管进行测试、并判断其好坏； 序号序号 正向显示正向显示 反向显示反向显示 好坏判断好坏判断 5.用万用表对保险管和直流刀开关的通断进行测试，记录下万用表是 否蜂鸣； 6.熟悉 DZZ4/DZZ5 自动气象站电源系统结构和原理； 7.电源系统测试： 连接相应的电源电缆线后，对系统进行上电。 空气开关输入电压：U1= ； 开关电源输入电压：U2= ； 开关电源输出电压：U3= ； 蓄电池电压：U4= ； DZZ5 电源系统中能见度供电模块测试： 能见度供电电压 U5= ; 7 能见度加热部分电压 U6= 。 8.仪器整理 先断电（先关闭交流电、再关闭直流电） ，然后进行传感器等部件 的拆卸及复位； 万用表、工具等摆放整齐； 检查工具是否完整，仪器设备是否完好。 1.71.7 注意事项注意事项 （一）万用表使用注意事项： 1使用万用表测量时，必须正确选择参数档和量程档，同时应注意 两支测量表笔的正、负极性； 2满量程时，仪表仅在最高位显示数字“1”无穷大，这时应选择更 高的量程。如果无法预先估计被测电压或电流的大小，应先拨至最高量程 挡测量一次，再视情况逐渐把量程减小到合适位置； 3测量中若需转换量程，必须在表笔离开电路后才能进行，否则选 择开关转动产生的电弧易烧坏选择开关的触点，造成接触不良的事故； 4测量时，手指不要触及表笔金属部分和被测元器件； 5若显示屏上出现符号，表示电池电压低。万用表在低电压下工 作，读数可能出错，为避免错误的读数，显示低电压符号时应及时更换电 池； 6测量电阻时注意，用大量程测小电阻会出现“000” ，无阻值；用 小量程测大电阻会出现“1”无穷大； 7测量完毕，功能开关应置于交流电压最大量程档，以防下次测量 时由于疏忽而损坏万用表。 8 （二） 电源系统测试注意事项： 1.连接电源电缆线之前，应检查系统是否断电； 2.对系统进行上电时，应先开直流电，再开交流电； 3.测试结束，系统断电时，要先关闭交流电，再关闭直流电。 1.8 1.8 课堂小结课堂小结 1.使用万用表测量时，必须正确选择参数档和量程档，同时应注意两 支测量表笔的正、负极性。 2.测量电压或电阻时，万用表与被测电路或电阻并联，测量电流时， 与被测电路串联。 3.DZZ4 和 DZZ5 自动气象站电源系统交流电为 220V 左右，直流电为 12-15V 之间。DZZ5 中能见度供电电压为 24V 直流电，能见度电加热部分 供电电压为 24V 交流电。 9 实习实训实习实训 2 2 新型自动气象站的结构与原理新型自动气象站的结构与原理 2 2.1.1 目的要求目的要求 1.熟悉新型自动气象站各组成部分，了解其功能。 2.熟悉主采集器电源接口、测量通道、通信接口及接线位置，能够对 主采集器的供电电源正确测试并初步判断是否正常。 3.能够将电源、分采集器、通信线缆、传感器与主采集器正确连接， 能够根据主采集器的指示灯状态判断其工作是否正常。 2 2.2.2 学时学时 2 学时 2 2.3 .3 预习内容预习内容 1.新型自动气象站组成结构及各部分功能。 2.主采集器电源接口、测量通道、通信接口及接线位置。 2 2.4 .4 设备与工具设备与工具 1. DZZ4 和 DZZ5 型新型自动气象站电源箱、主采集器、温湿度分采集 器、地温分采集器、传感器等各一套。 2.各种线缆，计算机。 3.万用表、工具。 2 2.5 .5 原理与说明原理与说明 1.新型自动气象站组成结构 10 图 2.1 DZZ5 结构框图 新型自动气象站分为四大部分：采集系统、传感器系统、通讯系统和 供电系统。采集系统负责自动气象站所有数据的收集、存储及分析运算。 传感器系统是根据不同的观测需要，配置不同的传感器，用以测量相应的 11 气象要素。通讯系统用以将采集核心处理后的数据，传输到计算机。分为 有线通讯和无线通讯。供电系统用以提供整个自动气象站系统运行的电力 供应。一般分为交流供电、太阳能供电和交流与太阳能供电并用的三种方 式。结构框图如图 2.1、2.2。 图 2.2 DZZ4 结构框图 2.主采集器传感器通道 WUSH-BH采集箱采集箱 CAN总线总线 气压气压 雨量雨量 风向风向 风速风速 CF 存储卡存储卡 RS232 系统调试系统调试 本地本地 通信通信 电源电源 输入输入 WUSH-PD1电源箱电源箱 电池电池交流交流 电源电源 输出输出 交流交流 220V WUSH-BTH 温湿分采温湿分采 温度传感器温度传感器 湿度传感器湿度传感器 风速传感器风速传感器 风向传感器风向传感器 雨量传感器雨量传感器 气压传感器气压传感器 WUSH-PBF 光纤通信盒光纤通信盒 终端计算机终端计算机 （用户自备用户自备） 门开关门开关 光纤光纤 模块模块 防雷防雷 模块模块 空气空气 开关开关 12 表 2.1 主采集器传感器通道 传感器类型 通道类型 数量 气温 模拟（铂电阻） 1 湿度 模拟（电压） 1 气压 RS232 1 风向 数字（7 位格雷码） 1 风速 数字（频率） 1 降水量 数字（计数） 1 总辐射 模拟（差分电压） 1 能见度 RS485（无锡）RS232（华云） 1 蒸发量 模拟（电流） 1 门开关 数字（电平） 1 3.主采集器的通信接口配置 表 2.2 主采集器的通信接口配置 4.主采集器的外界存储器配置 13 （1）1 个 CF 卡； （2）2 个 USB 端口。 图 2.3 DZZ5 主采集器实物图 图 2.4 DZZ4 主采集器实物图 14 5.主采集器的指示灯配置 （1）系统指示灯（秒闪） ； （2）CF 卡指示灯。 6.主采集器的在线编程接口 （1）RS 232 （2）RJ 45。 2 2.6 .6 内容与步骤内容与步骤 1.复习新型自动气象站的电源系统，保证用电安全。 2.认识新型自动气象站的结构，见图2.5，熟悉各部件名称及接线情 况。熟悉各传感器连线插头位置及在主采集器上的通道。 图 2.5 DZZ5、DZZ4 主采集器实物图 15 3.认识主采集器的外界存储器配置。 4.连接传感器。 5.连接主采集器与计算机，接通主采集器电源（先开直流电源，后开 交流电），打开气象观测业务软件。 6.找到正确位置，用万用表的直流电压20V档测量主采集器的供电电 压U= 伏。 7.认识主采集器的指示灯配置，并能根据指示灯状况判断工作是否正 常。 8.关闭计算机，关闭采集器电源（先关闭交流电、再关闭直流电） ， 然后进行传感器等部件的拆卸及复位；万用表、工具等摆放整齐；检查工 具是否完整，仪器设备是否完好。 9.主采集器维护 （1）保持采集箱内清洁，不覆盖。 （2）不随意搬动、开关电源和复位。 （3）实时监控采集器状态灯：主采集器 RUN 灯是否为秒闪、CF 卡在 进行读写操作时是否会亮，分采集器的 SYS 灯和收发状态灯是否正常等。 （4）每天定时对时，误差小于 30 秒。 2 2.7 .7 注意事项注意事项 1.DZZ5 新型自动气象站的电源部分在主采集器箱，熟悉交流输入、输 出位置，注意用电安全。 2.安装、拆卸传感器时应在断电的条件下进行。 3.测量时，注意选择正确的（电阻、电压及最大值）档位。 2 2.8 .8 课堂小结课堂小结 16 1.新型自动气象站分为四大部分：采集系统、传感器系统、通讯系统 和供电系统，采集系统是核心。 2.分清各部分之间的通信或连接方式。 3.对主采集器的供电电源正确测试。 17 实习实训实习实训 3 3 温湿度及地温分采集器、传感器安装、测温湿度及地温分采集器、传感器安装、测 试、维护，气压传感器安装、测试、维护。试、维护，气压传感器安装、测试、维护。 3.13.1 目的要求目的要求 1.熟悉温度、湿度、气压传感器测量原理及接线定义。 2.熟悉温湿度、地温分采集器电源接口、测量通道、通信接口及接线 位置，能够对分采集器的供电电源正确测试并初步判断是否正常。 3.能够将温度、 湿度传感器与温湿度分采集器正确连接， 能够对温度、 湿度传感器正确测试并估算温度、湿度值。 4.能够将地温传感器与地温分采集器正确连接，能够对地温传感器正 确测试并估算地温值。 5.能够将气压传感器与主采集器正确连接及静压装置的安装，能够对 气压传感器正确测试并初步判断是否正常。 6.掌握对温度、湿度、气压传感器及分采集器的维护要求与方法。 3.23.2 学时学时 4 学时 3.3 3.3 预习内容预习内容 1.温度、湿度、气压传感器测量原理及接线定义。 2.温湿度、地温分采集器电源接口、测量通道、通信接口及接线位置。 3.温度、湿度、气压传感器及分采集器的维护要求与方法。 18 3.4 3.4 设备与工具设备与工具 1.温度、地温、湿度、气压传感器各一个及相关电缆。 2.DZZ4 和 DZZ5 温湿度分采集器、地温分采集器。 3.DZZ4 和 DZZ5 主采集器、电源箱。 4.万用表、工具。 3.5 3.5 原理与说明原理与说明 1.温度测量原理 铂电阻传感器测量温度采用四线制法（见图 3.1） 。假定传感器的四根 导线电阻为 r， 在 2、 3 端接入标准电阻 R0， 和待测电阻 Rt串联并形成回路。 由恒流源提供电流 I0，由于电压对导线的电阻值不敏感，所以 I0=V1/Rt=V2/R0，即得出 Rt=R0V1/V2。 根据铂电阻计算公式，换算出温度计算公式： t=A+BRt+CRt 2 其中 A、B 、C 为常数，t 为温度（） ，R0为标准电阻值 100。 测量 2、3 或 1、4 端电阻 R1，测量 1、2 或 3、4 端电阻 R2，Rt= R1- R2。 铂电阻温度传感器在 0的阻值 100 欧，温度系数约为 0.385。T（Rt 100）/0.385，估算出此时的温度值。 2.湿度测量原理 19 湿度变化引起湿敏电容的变化由信号变换电路将电容的变化转换为 电压信号，当相对湿度由 0%100 %变化时，信号变换电路输出 0100 mV 电压，经放大得到 01V 的电压，电压值与相对湿度为线性对应关系，见 图 3.2。 测量湿度传感器的输出电压估算出此时的湿度值。 图 3.2 输出电压与相对湿度比例关系示意图 其接线图如下。 图 3.3 DZZ5 温湿度分采接线图 20 图 3.3 DZZ4 温湿度接线定义 3.气压测量原理 膜盒式电容气压传感器的感应元件为真空膜盒。当大气压力发生变化 时，真空膜盒的弹性膜片产生形变而引起其电容量的改变，通过测量电容 量来测量气压。气压传感器为智能传感器，采用 RS232 串行输出。通信口 接线定义见下图。 图 3.4 DZZ4 型自动气象站气压传感器通信口接线定义 图 3.5 DZZ5 型自动气象站气压传感器通信口接线定义 21 3.6 3.6 内容与步骤内容与步骤 1.安装 （1）温湿度传感器 认识温度、温湿度传感器及电缆接口、温湿度分采集器接口及传感 器的接线位置。 铂电阻温度传感器、湿度传感器用支架安装在百叶箱或防辐射罩 内，感应器直立，头部向下，感应元件的中心部分离地面高度 1.5m。见图 3.6。 图 3.6 温湿传感器安装示意图 将传感器电缆从百叶箱底部叶片的间隙中穿出。间隙可能不够大， 如果传感器电缆的插头穿不出来，可利用百叶箱木质结构的弹性，用有一 定强度的工具(如大螺丝刀)扩大百叶箱底部叶片的间隙。百叶箱内电缆不 宜留太长，应以便于安装或拆卸为宜，多余电缆可放入百叶箱立柱内。最 后将湿度传感器头部的黄色帽套摘掉。 使用专用固定结构件将温湿度分采集器固定在百叶箱的连接支架 上（如图 3.7）。 最后分别将温度传感器、湿度传感器、CAN/电源电缆的接插件与温 22 湿度分采集器进行对接，传感器的连接电缆要正确连接、固定牢靠。 图 3.7 温湿度分采集器固定示意图 将 CAN/电源电缆的另一端接头与主采集器相连。 （2）地温传感器 地面温度传感器可以与 5cm、10cm、15cm、20cm 浅层地温传感器采 用同一个支架安装。地面温度传感器安装在浅层温度传感器支架板的顶端 板条孔中，5cm、10cm、15cm、20cm 浅层地温传感器分别安装在浅层温度 传感器支架的相应板条孔中（见图 3.8）。在观测地段挖一个小坑，将装 好传感器的支架放入坑内，传感器在支架的南侧，支架位于地温观测地段 东西轴线上，保证支架最上端地表传感器的轴线于地表面相平，再慢慢地 将挖出的土壤填回坑内，使每个传感器与土壤紧密接触而又不改变其位 置，最终使地表温度传感器感应体的下半部分能埋入地表土壤内，并与土 壤紧密接触，上半部分露出地面，并保持干净（见图 3.10）。地面温度传 感器也可以可以采用正方形塑料框架安装，浅层地温传感器采用支架安装 见图 3.9。传感器的五根引线应穿在套管内埋入地下后引至地温采集机箱 旁待接线，不宜露在地面，在传感器端多余的线应用塑料纸包裹后埋于地 下。见图 3.11。 23 图 3.8 地温与浅层地温采用同一个支架安装 图 3.9 地温与浅层地温采用不同支架安装 图 3.10 地面、浅层地温、草温安装示意图 图 3.11 地面分采集器安装示意图 24 深层（40、80、160、320cm）地温传感器各安装在一根木棒（或三 节棒）上，木棒的长度依深度而定（可使用原直管温表的木棒）。其安装 示意图如图 3.12 所示。整个木棒及传感器放在专用套管内。木棒顶端有 一个金属盖，用以盖住专用套管。木棒上几处缠有绒圈，金属盖内装有毡 垫，以阻滞管内空气对流和管内外空气交换，也可防止降水等物落入套管 内和防止传感器过快下落受震。然后将传感器安装在相应的专用套管内。 传感器按自东向西、由浅而深、间隔 0.5 米的原则排列成一行，其信号缆 线从外套管顶端起用 PVC 塑料管做防护送入土壤中，送至分线井，接入地 温采集箱。 图3.12 深层地温穿管器安装示意图 草温/雪温传感器安装在距离地温场西侧 50 cm 处，高度距地 6 cm， 南北方向安置，感应头朝南，并与地面大致平行。草温传感器的中心应处 于地温场中心东西线上（见图 3.10、3.13）。连接电缆穿入套管，与套管 一起埋设在土壤中， 但在传感器一端应留有 0.5 m 左右的电缆露出地面 （北 方积雪较深地区外留电缆线视常年最大雪深确定），以方便移动。 25 图 3.13 草温安装实景图 （4）气压传感器 气压传感器及其组件安装在采集器机箱内，其感应部位与台站水银气 压表的感应部位高度一致， 如果无法调整到一致， 则要重新测定海拔高度。 气压传感器应避免阳光的直接照射和风的直接吹拂。 2.测试 （1）温度传感器 连接好万用表，选取合适量程（200档） ，准备测量温度传感器输出 正确与否。 DZZ5 温湿度分采集器 打开至温湿度分采集器上盖，正确找到测点。见图 3.14。 测量铂电阻温度传感器HYA-T连线插头1、3脚（或2、4脚）电阻值 R1= ，测量1、2脚（或者3、4脚）之间的电阻值R2= ，求得铂 电阻的电阻Rt= R1- R2= ，利用公式T（Rt100）/0.385，估 算出此时的温度值T 。并初步判断传感器是否正常。 26 图 3.14 DZZ5 温湿度分采集器及接线定义 DZZ4 温湿度分采集器 图 3.15 DZZ4 温湿度分采集器及接线定义 打开至温湿度分采集器上盖，正确找到测点。见图3.15。测量温度传 温度接线 湿度接线 27 感器的全阻值R1= （白-蓝，或棕-黑间阻值） ，测量导线电阻值R2= （棕-白，或蓝-黑间阻值） ，则温度传感器温度测量部分的电阻值Rt= （R1R2）= ；估算出测量时的温度值T（Rt100）0.385= （） 。并初步判断传感器是否正常。 （2）地温传感器 将地温传感器连线插头插入地温分采集器相应插口，参照上述方法测 量地温传感器的输出温度值，并初步判断传感器是否正常。 （3）湿度传感器 将CAN线一端插入温湿度分采集器的“CAN”插口，另一端主采集器“温 湿分采”插口连接，给主采集器加电。 DZZ5 温湿度分采集器 用万用表的直流电压 20V 档测量温湿度分采集器 HY1101 内部“湿度” 连接端子（见图 3.14）1 脚（红线）与 3 脚（黑线）间电压 U= 伏， 2 脚（绿线）与 3 脚（黑线）间电压 U= 伏。并初步判断分采集器 供电、传感器是否正常。 DZZ4 温湿度分采集器 用万用表的直流电压 20V 档测量温湿度分采集器内部“湿度”连接端子 （见图3.15） 棕、 绿线间电压U= 伏， 红、 黄线间电压U= 伏。 并初步判断分采集器供电、传感器是否正常。 （4）DZZ5气压传感器 将主采集器交直流开关断开，自动站设备断电。 将气压传感器PTB210的静压管安装在主采集器的机箱上，将气压传 感器PTB210连接线安装在主采集器RS232-5插口。 28 主采集器加电进行数据采集，用万用表测量1、4脚（RS232-5插口 从左向右依次为1-4脚， 见图3.8） 电压U= 伏， 2、 4脚电压U= 伏， 3、4脚电压U= 伏。 图3.15 DZZ5 主采集器及气压接线位置 3.仪器整理 （1）先断电（先关闭交流电、再关闭直流电） ，然后进行传感器等部 件的拆卸及复位； （2）万用表、工具等摆放整齐； （3）检查工具是否完整，仪器设备是否完好。 4.维护 （1）温度、湿度传感器的维护 安装传感器的百叶箱只能用湿布擦拭或毛刷刷拭，擦拭时传感器不 得移除百叶箱外。 冬季在巡视观测场时，要小心用毛刷把百叶箱顶、箱内和壁缝中的 雪和雾凇扫除干净。 定期用纯净水清洗湿敏电容传感器的头部保护滤膜，防止感应元件 被尘埃污染，不得用手触摸湿敏电容；每月定期更换保护滤罩。 气压接口 29 定期查看传感器感应部位是否处在离地面 1.5m 处。 定期检查温湿传感器与数据传输线的连接。 每 2 年进行一次现场检查、校准。 （2）气压传感器维护 室外：保持静压管连接完好，气孔畅通。 安装或更换传感器时应在断电的条件下进行。 应避免阳光的直接照射或气流的影响。 每 2 年进行一次现场检查、校准。 （3）分采集器维护 保持采集箱内清洁，不覆盖。 实时监控采集器状态灯，SYS 灯和收发状态灯是否正常。 3.7 3.7 注意事项注意事项 1.DZZ5 新型自动气象站的电源部分在主采集器箱，熟悉交流输入、输 出位置，注意用电安全。 2.测量电阻时，要在断电的条件下，注意关闭电源。 3.安装、拆卸传感器时应在断电的条件下进行。 4.测量时，注意选择正确的（电阻、电压及最大值）档位。 3 3.8 .8 课堂小结课堂小结 1.温度传感器输出为 100左右电阻信号，湿度传感器输出 01V 电 压信号，气压传感器采用 RS232 输出。 2.分采集器及湿度、气压传感器的供电电压为直流 12V。 3.对温度、湿度传感器正确测试并估算温度、湿度值。 30 实习实训实习实训 4 4 翻斗式雨量传感器的安装、测试、维护翻斗式雨量传感器的安装、测试、维护 4.14.1 目的要求目的要求 1.熟悉翻斗式雨量传感器的结构和基本工作原理 2.掌握翻斗式雨量传感器的安装、测试以及维护方法 4.24.2 学时：学时：2 学时 4.34.3 预习内容预习内容 1.数字万用表的使用方法 2.翻斗式雨量传感器的结构 4.44.4 设备与工具设备与工具 1.翻斗式雨量传感器 2.数字万用表 3.工具箱 4.54.5原理与说明 1.雨量传感器用于测量液体降水量、降水强度，常用的双翻斗雨量传 感器为 SL3-1 型。主要由承水器(直径为 2Ocm)、上翻斗、汇集漏斗、节流 管、计量翻斗、计数翻斗、调节定位螺钉和干簧管等组成(见图 4.1) 。在 上翻斗和计量翻斗两侧分别有一对调节螺钉，松开螺钉上的锁紧螺帽，调 节螺钉位置就能调整翻斗的翻转倾角，即能改变启动翻斗所需水量。在计 数翻斗上还装有磁钢，磁钢极性与转轴垂直。汇集漏斗的出水咀镶有一节 31 流铜管(直径约为 3 毫米)。上翻斗与汇集漏斗组成的主要作用，是使不同 的自然降水强度积聚成近似固定的量，通过汇集漏斗节流铜管人为地使注 入计量翻斗的雨水成为一股一股的水流，其流量相当于 6 毫米/分钟的降 水，不发生雨水滞留现象，又不使注入计量翻斗的雨水强度过大。节流铜 管管口高出漏斗底面约 0.5 毫米，目的是使水柱流完时残留水滴不多于三 滴。干簧管是一个开关接点，接点封装在注有惰性气体的玻璃管内，平时 常开。 图 5.1 SL3-1 型雨量传感器 2.雨水由承水器汇集，通过装有小圆护网的小漏斗及其下端的引流管 注入上翻斗。当雨水积到一定量时，由于水本身重力作用使上翻斗翻转， 水进入汇集漏斗，再经过汇集漏斗节流铜管流入计量翻斗。当计量翻斗雨 量承积到相当 0.1mm 降水时(也有的为 0.5mm 或 lmm 翻斗)，计量翻斗把降 水倾倒到计数翻斗，使计数翻斗翻转一次。计数翻斗在翻转时，与它相关 的磁钢对干簧管扫描一次。干簧管因磁化而瞬间闭合一次。这样，降水量 每达到0.1mm降水时， 就送出一个开关信号, 采集器就自动采集存储0.lmm 32 降水量。 4.64.6 内容与步骤内容与步骤 1.安装 将雨量电缆穿入预埋的穿线管中，电缆带插片的一头从预埋基座穿 出，另一头引到采集器处。 在三个地脚螺钉上先分别拧上一个 M8 螺母，这三个螺母实际上起 到调节雨量筒水平的作用。调节水平使雨量筒传感器不锈钢外筒口缘距离 地面保持 70CM 高度。 （一般雨量预埋基础高度为 20CM） 卸下雨量传感器不锈钢外筒，将雨量电缆带插片的一头从下往上从 雨量传感器底盘的穿线孔中穿入，将雨量电缆打个结,以避免误操作将雨 量电缆拉出。 把雨量传感器底盘的三个安装孔分别套入这三个螺丝然后分别调 节下面的三个螺母使雨量传感器底座呈水平状态，即水平泡在中心圆圈 内，然后在三个螺钉上再分别拧上一个 M8 螺母并旋紧。不要用力过猛， 而导致雨量传感器变形。 将电缆从底座小孔内穿入，并打一个结，将电缆一端的红、黑线缆 正确安装在翻斗雨量传感器的红、 黑接线柱上， 并旋紧接线柱的紧固螺母。 旋紧时注意用力不要太大，以免因接线柱背面的焊片跟转而损坏干簧管。 另一端插入主采集器“雨量”插口。 用剪刀把固定翻斗用的四根橡皮筋剪断并拿走，用手指轻轻拨动各 翻斗以检查其能否灵活翻转。最理想的方法是缓慢地在承水漏斗处加适量 的水，检查各层翻斗是否灵活翻转。同时可用万用表电阻档在两个接线柱 33 上检查干簧管是否工作正常，计数翻斗每翻动一次，万用表应检测到一次 通断过程。 将所有雨量翻斗拨向一个方向后，套上不锈钢外筒，并旋紧外筒壳 紧固螺钉，用水平尺调节外筒水平。用接地线把雨量筒外壳与接地片连接 好。 为确保翻斗雨量桶安装、连接无误，应对翻斗雨量进行一次测试。 用 20cm 直径雨量器的专用量杯，向雨量桶中缓缓注入 10mm 水，用 MDATA 命令检查翻斗雨量的分钟测量结果，并进行累加，累加结果应当在 10mm 左右。 2.测试 （1）将主采集器交直流开关断开，自动站设备断电。 （2）拆卸雨量传感器外筒。 （3）翻动雨量传感器翻斗，用数字万用表蜂鸣档测量传感器红、黑 接线柱，检查翻斗计数功能是否正常。 （4）用万用表蜂鸣档测主采集器防雷板上“雨量”对应的脚口，翻 动雨量传感器翻斗，检查线路联通是否正常。 3.仪器整理 先断电（先关闭交流电、再关闭直流电） ，然后进行传感器等部件 的拆卸及复位； 万用表、工具等摆放整齐； 检查工具是否完整，仪器设备是否完好。 4.维护 （1）调整传感器 34 新仪器(包括冬季停用后重新使用或调换新翻斗)工作一个月后的第 一次大雨，应作准确度对比，即将自身排水量与采集值相比。如发现差值 超过4%时，应首先检查干簧管有无漏发或多发信号现象。如确是由于仪 器的基点位置不正确所造成时，应作基点调整（一般不轻易动基点） 。 调整方法：向外或向里旋动计量翻斗的两个定位螺钉。将一个定位螺 钉旋动一圈，其差值改变量为 3%左右；如两个定位螺钉都往外或往里旋动 一圈，其差值改变量为 6%左右。 如差值( 100% )是-8%时，可将两个定位螺钉都往 外旋动 4/3 圈。如差值是正 6%时，可将两个定位螺钉都往里旋动一圈。 为使调节位置准确， 在松开定位螺帽前， 需在定位螺钉上作位置记号。 调节好后，需拧紧定位螺帽。 每一次降水过程将采集值与自身排水总量比较，如多次发现 10mm 以 上降水量的差值超过4%，则应及时进行检查。必要时应调节基点位置。 （2）检查维护 仪器每月至少定期检查一次，清除过滤网上的尘沙、小虫等以免堵 塞承水口漏斗。夏季雨量筒内部可能结有蜘蛛网，影响翻斗翻转； 无雨或少雨的季节， 可将承水器口加盖， 但注意在降水前及时打开； 结冰期长的地区，在初冰前将感应器的承水器口加盖，不必收回室 内； 翻斗内壁禁止用手或其它物体抹试，以免沾上油污。 定期检查雨量传感器的器身是否稳定、器口是否水平，发现不符合 规范要求时应及时纠正。 避免碰撞承雨器的器口，严防器口产生变形。 排水量 计数值排水量 35 风沙较大的地区，雨量传感器使用一段时间后，翻斗内可能会沉积 泥沙，应定期清淤；可用干净的脱脂毛笔刷洗，必要时可加入适量的洗涤 剂，然后用清水冲洗干净。 定期检查翻斗翻转的灵活性。发现有阻滞感，应检查翻斗轴向工作 游隙是否正常、轴承孔是否有微小的尘沙、翻斗轴是否变形或磨损，并及 时采取有效的措施。 严禁往轴承孔内注油、脂或其它所谓润滑材料。 严禁随意调整翻斗下方的调节螺钉。该项调整直接影响计量精度， 它要求调教人员有较高的技能水平、 熟练程度， 还需具备相应的检测手段。 可按下列操作对雨量传感器做常规维护： 松开地盘两侧的固定螺钉，向上取下外筒； 从安装板上断开电缆线； 拿出防堵罩和长过滤网，用清水将外筒、防堵罩和长过滤网冲洗干 净，再按原样装好防堵罩和长过滤网； 小心取出翻斗和短过滤网，用清水冲洗干净后再按原位小心放回， 注意不能用手触摸翻斗内壁； 取下出水口上的防虫罩，用清水冲洗干净后装回； 观察传感器底盘上的水平器中的水泡是否居中，通过调整支架底盘 上的三个调整螺钉，将传感器调成水平状态； 按原位接好二芯电缆，安装上外筒，拧紧固定螺钉。 4.74.7 注意事项注意事项 1.为安全起见，在安装传感器时，应将主采集器交直流开关断开，自 动站设备断电。 36 2.严禁往轴承孔内注油、脂或其它所谓润滑材料。 3.严禁随意调整翻斗下方的调节螺钉。该项调整直接影响计量精度， 它要求调教人员有较高的技能水平、 熟练程度， 还需具备相应的检测手段。 4.84.8 课堂小结课堂小结 1.雨量传感器输出为开关通断信号。 2.雨量传感器底座呈水平状态，外筒呈水平状态。 3.只能测量液态降水量、降水强度。 37 实习实训实习实训 5 5 风向、风速传感器风向、风速传感器安装、测试、维护安装、测试、维护 5.15.1 目的要求目的要求 1熟悉风向、风速传感器的工作原理及接线定义； 2掌握风向、风速传感器的安装方式与基本维护操作； 3掌握 DZZ4 和 DZZ5 两种型号自动站的风向、风速传感器供电方式 的区别、输出信号测量点位置，信号输出与传感器状态的关系； 4. 掌握用风向传感器输出信号计算实时风向的算法； 5. 掌握风速信号与风速之间的关系。 5.25.2 学时学时 2 学时 5.3 5.3 预习内容预习内容 1. DZZ4 自动气象站的风向风速传感器结构及工作原理； 2. DZZ5 自动气象站的风向风速传感器结构及工作原理； 3异或逻辑算法、二进制换算十进制。 5.4 5.4 设备与工具设备与工具 1.万用表 2.扳手 3.十字螺丝刀 4.一字螺丝刀 38 5.水平尺 5.5 5.5 原理与说明原理与说明 1EL15 风速传感器的工作原理：风速传感器的感应元件为三杯式回 转架。当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘（图 5.1） ，使下面的光敏三 极管有时接收到上面发光二极管发射的光线而导通，有时接收不到上面发 光二极管照射来的光线而截止。这样就能得到与风杯转速成正比的脉冲信 号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。见图 5.2。 EL15-1 /1A 型风速传感器计算风速的公式为 WS=F0+f（F） 图 5.1 多齿截光盘实物图图 5.2 风速变换器电原理图 2. ZQZ-TF 风速传感器工作原理：风速传感器的感应元件为三杯式回 转架，信号变换电路为霍尔开关电路。在水平风力作用下，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。见图 5.3。 V=0.1F 式中 V 为风速（单位：m/s） ，F 为脉冲频率（单位：HZ） 。 39 图 5.3 风速磁棒盘实物图 3.EL15 和 ZQZ-TF 型风向传感器工作原理：风向传感器的感应元件为 风向标组件，格雷码盘（见图 5.4）固定在风向标的轴上。格雷码盘是由 等分的同心圆组成，由内到外分别做 2 1、22、2n等份，相邻两份做透光 和不透光处理，在每一个同心圆上放置一个红外发光管，n 个发光管排列 在同一个半径上。在码盘下方放置与红外光源一一对应的光电接收管，作 为转换器，当光通过码盘的透明部分时，光电接收管接收到的信号为“1” ， 当光通过码盘的不透明部分时， 光电接收管接收到的信号为 “0” 。 见图 5.5。 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 2.8125, 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新的七位并 行格雷码，经整形电路整形并反相后输出。 需要将格雷码变换成一个二进制的数字信号输出。格雷码变换成二进 制码的方法为：二进制码最高位等于格雷码的最高位；二进制码次高位为 二进制码最高位与格雷码次高位相异或；其余各位类似。例如，将风向标 固定在 90方位，D6-D0 的格雷码为：0110000，转换成二进制的数字信号 为 0100000。 40 图 5.4 七位格雷码盘与风向变换器实物图 图 5.5 风向变换器电原理图 5.6 5.6 内容与步骤内容与步骤 （一）（一）DZZ5DZZ5 1.安装 图5.6 EL15风传感器实物图 （1）风速传感器安装 拧松位于风速传感器顶部的圆顶螺母，取下垫片，留下橡胶垫圈。将 风杯置于传感器顶部，并将风杯中部的销钉插入位于传感器顶部的销孔 内，然后垫上垫圈拧紧螺母。注意：拧紧时应手握传感器，不要握风杯。 风速传感器安装在位于风横臂一端的一根外径为48mm长50mm的短管 上。因传感器由下部的插头接电，所以管子的内径为36mm。将连接插头与 传感器连接，把传感器装入短管上，并拧紧紧固侧顶螺丝。 （2）风向传感器安装 41 拧松位于风向传感器顶部的圆顶螺母，留下橡胶垫圈。将风向标置于 传感器顶部，并将风向标中部的销钉插入位于传感器顶部的销孔内，然后 拧紧螺母。注意：拧紧时应手握传感器，不要握风向标。 风向传感器安装在位于风横臂一端的一根外径为 48mm 长 50mm 的短管 上。因传感器由下部的插头接电，所以管子的内径为至少 38mm。将连接插 头与传感器连接，把传感器装入短管上，调整“N”指向正北方向，并拧紧紧 固侧顶螺丝。 （3）风横担南北向及水平调节 用指南针调节风横担的南北向，使风横担正南北方向放置，用水平尺 调节风横担的水平，调好后固定螺母。 2.测试 （1）将风向风速传感器连线插头插入主采集器“风向风速”插口。 （2）给主采集器加上直流电源供电。 （3） 测量风传感器的供电电压 U1= ， 测试点在防雷板的 脚 和 脚。风传感器接线图如下图所示： 图 5.7 风传感器接线图 （4）风杯静止时，风速传感器输出电压 U2= 伏，风杯转动时， 42 风速传感器输出电压 U3= 伏。 （5） 将风向标固定在 90方位， 用万用表测量防雷板 FL-01 的 12-18 脚对地电压值， 记为 V0-V6： V0= ， V1= ， V2= ， V3= ， V4= ， V5= ， V6= ； 根据电平高低将 V0-V6值转化成格雷码数字信号 D6-D0， 转化后的 D6-D0为 . （参考答案：0110000）按照格雷码转二进制码 的方法，将格雷码 D6-D0转化为二进制码 D6-D0 ，转化后的 D6-D0为 。 （参考答案：0100000） 注意：格雷码转二进制码的方法为：二进制码最高位等于格雷码的最注意：格雷码转二进制码的方法为：二进制码最高位等于格雷码的最 高位；二进制码次高位为二进制码最高位与格雷码次高位相异或；其余各高位；二进制码次高位为二进制码最高位与格雷码次高位相异或；其余各 位类似。位类似。 图 5.8 DZZ5 防雷板及主采集器接线图 （6）将二进制码 D6-D0，转化为十进制数 A= 。 （参考答案： 32） （7）按照公式 WD=A2.8125,计算出当前的风向，WD= 。 （二）（二）DZZ4DZZ4 43 1.安装 （1）风向传感器安装 图 5.9 ZQZ-TF 型风向传感器 1.风向标杆组件 2.风向轴套 3.防旋夹 4.平衡锤组件 5.指北针 6.挡圈（位置已调好，勿动） 7.固定环（位置已调好，勿动） 8.指北线 风向传感器安装程序（见图 5.9） 。 装风向标杆组件。取下防旋夹，将装有尾翼板的风向标沿风向轴套 上方箭头方向插入风向轴套的孔内。 装防旋夹。使已预先固定在风向标杆上的挡圈紧靠风向轴套，装入 防旋夹且紧靠风向轴套。 装平衡锤组件。装入平衡锤组件，风向标杆的最前端应紧靠平衡锤 内口的最里端，调整两翼板与壳体的中心线在同一方向，且垂直于大地， 44 锁紧全部螺钉，此时风向组件可达到左右平衡（出厂前已调至平衡位置并 已锁紧挡环螺钉） 装指北杆。位于指北线一侧的固定环螺纹孔中心线，出厂前已与指 北线的中心线调在同一平面内，另一固定环螺钉已锁紧，现场安装时只需 将指北杆装入此孔，不需任何调试。 （2）风速传感器安装 参照 EL15 风传感器安装。 （3）组装 将风横臂底座用三个 M816 螺丝固定在风杆顶部，再将风横臂与横 臂底座用两个 M816 螺丝固定。 调整风横臂至水平并使其风向安装端朝北（风速朝南） ，分别把风向 传感器（指北针需固定在上面）和风速传感器的电缆分别插入插座后，再 安装在风横臂上，旋转调整风向传感器使指北针、风横臂在同一直线上。 接上信号电缆，用防水绝缘胶布包裹好连接处，并将电缆扎紧在横臂 上连接处呈弧形状与横臂端相连，不宜过紧，留有余量。 （见图 5.10） 图 5.10 安装风向风速传感器 2.测试 45 （1）检测风向风速传感器的供电电压，使用万用表的电压测风速的 绿和黑（电源地）两个测点之间的电压为 。 （2）将风向标转至西北偏西 WNW 方向（正负偏差不超过 20 度） （测 量时可要求裁判协助将风向标稳定在一个位置上） ，在主采集器测量风向 信号 D0、 D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6 的电压值， 其电压值分别 D0= ， D1= ， D2= ，D3= ，D4= ，D5= ，D6= 该电平信号对应的 7 位格 雷码的编码为 。 （3）该 7 位格雷码对应的 7 位二进制码是 。 计算此时的风向值 为 （风向的分辨率为 2.8125） （4）在风杯转动时测得风速信号（测点为蓝线和黑线）的输出电压 值为， 风杯静止时其输出电压值为 。（如使用频率计可以用公式 V=0.1f, 通过测得的频