DZZ4自动气象站结构与原理.ppt

DZZ4自动气象站结构与原理,自动气象站定义,利用仪器自动地进行观测和发送或记录观测数据，并根据需要，可直接地或在一个编报站将观测数据转换成电码形式的系统。（WMO,1981）,能自动进行地面气象观测、存储和发送观测数据，并能根据需要将观测数据转换成气象电报和编制成气象报表的地面气象观测设备,AWSAutomaticWeatherStations,AWOSAutomatedWeatherObservingSystems,新型自动气象站发展,中国气象局编制新型自动气象站功能规格需求书，统一了自动气象站设计要求。,五种型号的新型自动气象站完成设计定型，在业务中推广使用。,2020,2006,2012,第二次跨越：初步实现云能天自动观测，基本建立全自动化业务流程和观测规范。制定了地面软硬件技术标准和集约化技术架构。,全面提升：建立完善的全自动化业务流程和观测规范,1999,全面达到WMO规定的观测指标，形成自动化、集约化、标准化的业务体系。,启动地面基本气象要素的自动气象观测,新型自动气象站发展,DZZ3上海长望气象科技股份有限公司,新型自动气象站发展,DZZ4江苏省无线电科学研究所有限公司,新型自动气象站发展,DZZ5华云升达（北京）气象科技有限责任公司,新型自动气象站发展,DZZ6中环天仪（天津）气象仪器有限公司,新型自动气象站发展,DZZ1-2广东省气象计算机应用开发研究所,设计思路,统一标准统一功能统一结构统一方法统一规范,硬件,软件,嵌入式Linux操作系统,采集器采用嵌入式系统主分多采集器结构主分采集器通信采用CAN总线,新型自动气象站设计结构,新型自动气象站设计结构,DZZ4自动气象站简介,DZZ4型自动气象站作为一种地面气象自动化观测系统，可完成气温、湿度、气压、风向、风速、降水量、地温、蒸发、雪深、能见度等要素的数据采集、处理、质控、存储和传输。它基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，由硬件和软件两大部分组成。硬件包括采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外部总线、传感器、外围设备四部分。软件包括嵌入式软件、业务软件两部分。,DZZ4自动气象站设备外观及结构图,DZZ4自动气象站结构组成,DZZ4自动气象站结构组成,设备配置清单,DZZ4自动气象站设备外观及结构图,DZZ4自动气象站结构组成,DZZ4自动气象站功能结构,传感器采集器电源通信,DZZ4自动气象站结构原理,结构原理传感器,模拟量传感器传感器输出电流或电压，采集器按规范要求对其进行采样计算，输出各气象要素值。温度:WUSH-TW100（ZQZ-TW）温度传感器温湿度:DHC2湿度传感器其他辐射传感器、蒸发传感器等,结构原理传感器,数字量传感器,传感器输出脉冲或频率，采集器对其采样计算。雨量如SL3-1，每翻斗计为0.1mm风向(ZQZ-TF)七位格雷码，如239度为1111111，0度为0000000风速(ZQZ-TF)输出频率信号，V=0.1f,结构原理传感器,传感器内含嵌入式处理器，进行数据采样和处理，直接输出数据。采集器按一定协议直接读取其数据。常见传感器气压：DYC1气压计能见度：HY-35（HW-N1）能见度称重降水：DSC1称重雨量传感器雪深：DSS1雪深传感器天气现象传感器云观测传感器,智能型传感器,结构原理传感器,WUSH-TW100温度传感器,精度：0.05,结构原理温度传感器,WUSH-TW100是高精度铂电阻温度传感器，等级为IEC60751AAA，测量范围(-50+60)。传感器采用不锈钢铠装，防护级别达到IP67。该传感器具有极佳的可互换性和长期稳定性，广泛应用于气象、水文和环保等部门。,结构原理温度传感器工作原理,铂电阻温度传感器是根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测定温度的。,温度传感器接线图,四线制测温法（Rt=100+0.385t）,结构原理温度传感器工作原理,DHC2湿度传感器,结构原理湿度传感器,DHC2型温湿度传感器，当前在新型站中只作为湿度传感器使用，是新一代湿度传感器，湿敏元件采用Vaisala公司新一代电容式湿敏元件HUMICAP180R，具有更高的测量准确度，更好的耐高湿性能和长期稳定性，可以实现与HMP45D温湿度传感器的兼容。,结构原理湿度传感器工作原理,湿敏电容是一种具有感湿特性的电介质，其介电常数随相对湿度的变化而变化。在外界相对湿度发生变化时，作为感湿膜的高分子聚合物能对水汽分子吸附和释放，其介电常数随之变化，促使湿敏电容量发生变化。测湿时的输出信号为电压信号（01V），对应湿度为0100%RH。,DHC2湿度传感器,测量范围：0%RH100%RH分辨力：1%RH最大允许误差：3%RH(80%)5%RH(80%)工作电压：12V输出信号：01V,结构原理湿度传感器技术参数,DHC2湿度接线图,结构原理湿度传感器,WUSH-BTH温湿度分采集器,RUN,CANR,CANE,28,G,+12V,CANL,CANH,G,+12V,RH-,RH+,结构原理温湿度智能传感器,WUSH-BTH温湿度智能传感器,结构原理温湿度智能传感器,高精度气温、相对湿度测量；支持检定参数设置，对测量结果进行订正；具有自检、自校功能；具有运行状态监测功能；可直接挂接到新型站的CAN总线上。,主要特点,WUSH-BTH温湿度分采集器接线图,结构原理温湿度智能传感器,结构原理温湿度智能传感器,气温传感器接入端,温湿度传感器接入端,CAN线和电源线,温湿传感器中的铂电阻,温湿传感器中的湿度信号及输入电源,80120,01V,32,ZQZ-TF型测风传感器,风速性能指标：测量范围：0ms80ms分辨率：0.1ms精度：(0.3+0.02V)m/s(V-实际风速)起动风速：0.5ms抗风强度：80ms输出信号:频率工作电压：5VDC风向性能指标：测量范围0-360分辨率：3度,结构原理风传感器,风向标转轴带动的7位格雷码光码盘7个同心圆轨道，2、2、22、23、24、25、26等分相邻每份作透光与不透光处理码盘两侧同一半径上的7对光电耦合器件输出相应的7位格雷码，每一个格雷码代表一个风向。,由风向标部件、内装风向码信号发生器的壳体以及信号输出插座组成。,结构原理风向传感器,ZQZ-TF型风向传感器,七位格雷码盘可将风向标轴的转动角度的度数变换成二进制的数字信号。,结构原理风向传感器,格雷码盘原理,格雷码盘原理,风向计算原理,1.分别测试风传感器D0-D6管脚输出电压值，其中低电平为0，高电平为1；2.按照从D6至D0的顺序排列电平编码即为格雷码；3.将格雷码转换为二进制码；4.将二进制码转为十进制码；5.风向WD=十进制码2.8125.,注：若风向输出为模拟电压输出，不是格雷码输出时，可以按照D=V*360/2.5计算风向,38,风速信号风杯静止时电压5V风杯转动时3V左右,风速电源5V,风向电源5V（采用脉冲电压设计，用万用表测量时电压为0）,风向格雷码信号（D6D5D4D3D2D1D0）高电平为1，低电平为0,格雷码转二进制：最高位保留，其他各位异或运算，相同为0，相异为1,风向估计：二进制*2.8125,风向计算原理,风向计算原理,格雷码转为二进制码的算法则较为繁琐，计算公式如下：Rn为n位的格雷码，Cn为转换后的二进制码Cn=Rn，Cn-1=RnRn-1，Cn-2=RnRn-1Rn-2，C1=RnRn-1Rn-2R2R1，C0=RnRn-1Rn-2R2R1R0.,风向计算原理,从最后一位开始算，依次列为第0、1、2.位；第n位的数（0或1）乘以2的n次方；得到的结果相加就是十进制码。,例：格雷码为1011011二进制码为：1101101十进制码为：1*26+1*25+1*23+1*22+1*20=109风向值为：WD=109*2.8125=307,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。,其校准方程为：V=0.1FV：风速，单位：米/秒F：脉冲频率，单位：赫兹,结构原理风速传感器工作原理,42,ZQZ-TF型风速传感器,V=0.1f,结构原理风速传感器,43,ZQZ-TF型测风传感器,结构原理风传感器接线图,风横臂,结构原理风传感器接线图,结构原理翻斗雨量传感器,SL3-1型双翻斗雨量传感器主要由承水器（常用口径为20cm）、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。,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，计数翻斗也翻转一次，并使安装在固定支架上的干簧管吸合一次，输出一个脉冲。由于磁钢不安装在计量翻斗上，就不会给计量翻斗带来附加力，使计量翻斗计量正确,结构原理翻斗雨量传感器,SL3-1型翻斗式雨量传感器,技术指标：承雨口内径尺寸：200mm承雨口刃口锐角：4045传感器感量：0.1mm/斗雨强：010mm/min分辨率：0.1mm精度：0.4mm(10mm时)4（10mm时）,结构原理翻斗雨量传感器,DYC1型气压传感器,结构原理气压传感器,DYC1型该传感器采用芬兰Vaisala公司生产的BAROCAP硅电容压力敏感元件，具有卓越的压滞特性、重复性、高可靠性、高准确性、长期稳定性好、免维护等特点。,硅膜盒容式压力传感器,结构原理气压传感器,BAROCAP压力传感器由中间夹有一层玻璃的上下两块单晶硅组成。上层较薄的硅层两边蚀刻成一个绝对压力传感器的真空基准腔，并形成一个压力敏感硅膜片。下面较厚的硅层是传感器的刚性基片，并覆盖玻璃介质。较薄的硅片静电键合到玻璃面上形成一个牢固和密闭的接点。沉积上金属化薄膜形成一个在真空基准腔内的电容器电极；另一个电极为压力敏感硅膜片，构成一个电容量随压力变化的电容器CP。,结构原理气压传感器,压力测量电路是由一个电阻器R、5个电容器和RC振荡电路模块组成的RC振荡器构成。5个电容器分别是电容压力传感器CP、电容温度补偿传感器CT和与其相对应的C1、C2和C3三个参考电容器。在一个测量周期内，振荡电路模块分别连接这5个不同的电容器，产生5个不同的振荡频率。,DYC1型气压传感器,电源：12VRS232输出测量范围：500hPa1100hPa分辨力：0.1hPa最大允许误差：0.3hPa长期稳定性：0.10hPa/a,结构原理气压传感器,ZQZ-TW地温传感器,结构原理地温传感器,超声波蒸发传感器包括核心测量模块及温度补偿传感器，与测量筒配合测量水位高度。不锈钢测量筒提供超声波蒸发传感器测量水位的一个稳定的环境。测量筒上有水平调整装置、安装孔、溢流孔，及上下水位线。小百叶箱气象专用的木质小百叶箱，将超声波蒸发传感器和不锈钢测量筒安装在百叶箱内，以提供稳定的测量环境。,结构原理蒸发传感器,测量原理超声波在空气中的传播速度为v,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:S=vt/2,结构原理蒸发传感器,超声波测距原理示意图,传感器探头,结构原理蒸发传感器,采用超声波精密测距原理，测量蒸发皿水位高度的变化，利用采集器计算来得到蒸发量。使用连通器方式测量水位高度，基本消除水位波动。原来蒸发传感器直接安装在蒸发桶内,很容易受到辐射、风、温度等的影响，水位容易受到风等影响，波动比较大。,超声波测距原理框图,结构原理蒸发传感器,结构原理称重降水传感器,称重式降水传感器是一款全天候的降水观测仪器。它可以测量液态降水、固态降水和混合降水，适合在苛刻现场条件进行降水测量。自动气象站使用压力应变称重降水传感器和振弦称重降水传感器。称重式降水传感器通过测量落到盛水桶中降水的质量，根据水的密度换算成降水的体积，再根据承水口面积计算出盛水桶中收集的降水总量。,结构原理称重降水传感器,计算相邻两分钟的降水总量的差值即得出分钟计算量。降水质量换算成降水总量的计算公式：P=M/(S）式中P：降水总量，：水密度，S：承水口面积,结构原理称重降水传感器,结构原理称重降水传感器,承水口内径尺寸：200mm；容量（包括防冻液，蒸发抑制油）：600mm；分辨力：0.1mm；最大测量误差(强度0.5mm/h)：0.3mm，10mm时3%，10mm时；测量稳定性：年漂移0.2mm，最大载荷量：30kg；质量分辨力：1g。输出：RS232485方式脉冲信号,结构原理称重降水传感器,洛阳凯迈CJY-1G,华云HY-V35,安徽蓝盾HW-N1,结构原理能见度传感器,结构原理能见度传感器,结构原理能见度传感器,前向散射传感器由接收单元、发射单元和数据处理单元组成。发射器与接收器在成一定角度和一定距离的两端。发射单元红外发光管发射红外光束，接收单元将采样区内大气前向散射光汇集到接收单元光电传感器的接收面上，并将其转换成与大气能见度成反比的电信号。电信号经处理送至数据处理单元，CPU对其取样，计算散射光强，估算总散射量，得到消光系数。能见度传感器输出信号类型:RS232，RS485。,接收机,发射机,发射机LED,接收机光二极管,结构原理能见度传感器,洛阳凯迈CJY-1G,华云HY-V35,安徽蓝盾HW-N1,结构原理雪深传感器,DSS1型雪深观测仪是一种全天候的自动雪深观测仪器。它结合了激光测距、电气工程、信号处理、软件等方面的技术，是一个可靠的自动化观测仪器，适合在苛刻现场条件进行雪深测量。该产品具有高可靠性、高准确性、易使用、易维护等特点。DSS1型雪深观测仪既可以作为单独的传感器挂接在自动站上，又可以作为观测仪独立使用，使观测结果客观化、观测资料连续化，减少台站观测人员的工作量，进一步提高观测质量和观测效率。,结构原理主采集器,温度,湿度,雨量,风向,风速,总辐射,蒸发,气压,能见度,CAN,GPS,CF,RS232,RS232,采集器采用ARM9系列32位微处理器，LIUNX操作系统CAN总线标准，CANOPEN协议大容量存贮，外接CF卡存贮（数据格式）RS232，RJ45，USB接口，网络访问功能状态监控（传感器工作状态、主采集器分采集器工作状态）,结构原理主采集器,具有常规六要素、蒸发、总辐射、能见度传感器接口，支持本身挂接的气温、湿度、气压、雨量、风向、风速、蒸发、总辐射、能见度要素的数据采集和处理；具有CAN总线接口，可接入温湿度智能传感器、地温分采集器、辐射分采集器，也可接入其他特殊的分采集器，支持各种分采集器挂接的气温、湿度、地温、辐射等各种要素的数据采集和处理；完善支持WMO规定的基本数据质量控制功能；支持运行状态监控，包括传感器工作状态、主采集器和分采集器工作状态等；,采集器特点：,结构原理主采集器,内置高精度的A/D电路、实时时钟电路；内置大容量数据存储器，存储气象要素数据、运行状态信息、系统日志信息等；具有CF卡接口，可以存储符合功能规格书要求的各类数据文件；具有GPS接口，支持GPS授时；具有RS-232通信接口，可扩展GPRS、光纤等通信设备，实现远距离的无线、有线通信，支持功能规格书规定的终端操作命令；具有以太网接口，支持web、telnet、ftp等网络访问能力。,采集器特点：,结构原理主采集器,结构原理主采集器,指示灯：,结构原理主采集器,结构原理主采集箱,结构原理主采集箱底部,结构原理分采集器,WUSH-BG2地温分采集器是与WUSH-BH主采集器配套使用的数据采器，用于采集草温、地表温、浅层地温、深层地温，并将采样值通过CAN通信网络实时提交给主采集器。,结构原理分采集器,结构原理分采集器,RUN,CANR,CANE,WUSH-BTH温湿度分采集器,结构原理电源系统,电源供电采用交流供电系统，主要由开关电源、防雷组件、蓄电池和充电模块等组成。供电单元的输入为AC220V。供电单元的输出有两组(可扩充到四组)，均为DC12V，分别给主采集箱和各分采集箱供电。,交流电输入端220V,直流输出12V,为蓄电池充电，12V,接蓄电池12V,为主采供电12V,为主采供电12V,结构原理电源系统,结构原理通信,结构原理通信（光纤转接盒）,结构原理通讯设备（光纤转接盒）,光纤通信的优点,避免电子干扰：光纤不会受到电磁干扰或电波频率干扰的影响，提供一个不受干扰的传输路