多路自動氣象站濕度傳感器檢定系統設計

董立亭，王 強，曹凱明

(貴州省大氣探測技術與保障中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

隨著氣象現代化建設的快速發展，貴州省至今已有85個國家級臺站、10個無人自動氣象站及若干六要素站等自動氣象站投入氣象觀測業務。預計在“十二五”末期將在全省的國家級臺站完成新型自動氣象站的建設。“雙套站”建設完成后將取消人工觀測，使我省自動化業務觀測水平大幅提高。根據國家計量檢定規程和中國氣象局對自動氣象站的管理要求，必須對自動氣象站進行周期性檢定。由于上述自動氣象站均配有濕度傳感器，這給計量檢定工作能力提出了新的要求。近幾年來，對濕度傳感器的檢定工作很大程度上仍然停留在人工檢定階段，這種檢定方法不僅耗時，而且檢定效率低。為改變這一狀況，提高檢定效率，開發了多路自動站濕度傳感器數據采集處理系統，能實現24路濕度傳感器的批量數據采集及數據處理，提高了濕度傳感器的檢定效率和準確度，適應了自動氣象站建設發展的需要。

2 系統結構及功能

系統主要由數據采集和數據處理模塊組成。

貴州省使用的濕度傳感器均為Vaisala公司的HMP45D及HMP155D(新型站)，其輸出的0～1 V電壓對應于0%～100%RH的相對濕度［1］，為達到對濕度值的高精度采集，數據采集系統中使用了24位A/D轉換器，數據采集方式采用的是并行數據采集方法，同時采集24路濕度傳感器和1路濕度標準器信號，并行數據采集方法的優點是可以將待測傳感器和標準器的信號同步采集，從而使結果能真實的反應待測傳感器和標準器在同一濕度環境下同一時刻的值，這與以往靠人工讀取及抄錄數據相比，不僅提高了效率，而且消除了人工讀數帶來的誤差。

2.1 系統硬件組成及檢定工作流程

系統硬件部分由省級氣象計量檢定所(站)配備的DJM-10型濕度發生系統、多路專用采集器、二等標準數字干濕表和PC計算機等組成。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

系統全程采用信號數字化和數據網絡化處理，以專用采集器為核心，檢定人員在每次檢定開始時錄入待檢傳感器型號及編號，啟動濕度發生系統開始工作，當檢定箱內的相對濕度達到預設的檢定點并穩定后，采集器采集各路傳感器和標準器的信號。

濕度檢定箱內的狀態是通過對箱體內波動度的綜合計算來判斷的，具體方法是:將箱體內空間平分為上、中、下3層，每層布設測點1個。其中中層測點位于平面中央，上層和下層測點分別位于平面的左下角(或右下角 )和右上角(或左角)，但其距離檢定箱內壁應大于箱邊長的1/10，每個測點放置標準濕度傳感器1個。啟動檢定箱開始工作，設定濕度值后，采集器開始采集標準傳感器數據，采集頻率為3 min內，每隔5 s采集1次數據。這樣可以得到檢定箱在某濕度測量點，各測點位置3 min內的波動度:

式中:TOMax為同一濕度測量點箱內同一位置3 min內測得最大值，TOMin為同一濕度測量點箱內同一位置3 min內測得最小值。

根據(1)式計算出某一設定濕度值下檢定箱內工作區域濕度的波動度:

式中，△TOi為第i位置測點3 min內讀數的最大波動度，n為箱內各位置的測點數。當△Ta的值在檢定規程所要求的范圍內并保持10 min后，采集器才會采集待檢傳感器數據，否則不采集。采集的數據經過采集器處理后，存儲在采集器的存儲器中。采集器支持以太網接口的通信方式，因此本地或遠程計算機可以通過局域網訪問數據采集器，遠程導出檢定數據，錄入相應的計算模板后自動計算出記錄結果并出具檢定證書。系統流程圖如圖2所示。

2.2 數據采集程序的設計

數據采集程序是自動檢定系統的核心部分，根據濕度檢定規程的要求，編寫采集程序并植入采集器中。算法流程是:當濕度發生裝置箱體內達到設定值并且穩定后，開始檢定，檢定時每30 s采集一次被檢濕度傳感器和標準器的值，共讀取3次作為該傳感器檢定數據。一個檢定點檢定完畢，緊接著調整下一個檢定點，濕度檢定點及順序為30%、40%、55%、75%、95%RH，做完后再從高濕逐點降至低濕，完成整個檢定過程［2］。

在實際工作中由于每次進行檢定都分不同批次進行，較難區分存儲在采集器內的數據具體為哪一批次的，為克服這一問題，在算法中設計每一組檢定數據在采集時均返回一個時間戳，這樣就可以根據采集時間信息來區分不同批次檢定的傳感器數據，方便工作人員查詢和調取數據。

圖2 系統流程圖

2.3 檢定數據處理及計算

對檢定產生數據的處理，就必須分析誤差的產生:由于該系統能夠自動采集數據，因此數據誤差來源主要有兩部分:整套檢定系統的系統誤差和傳感器誤差［3］。其中系統誤差包括標準器誤差和采集器通道誤差。誤差可用如下公式計算:

式中:hi為第i通道被校濕度傳感器的數值;cn為采集器第n通道的通道修正值;由于采用的是高精度6位半數據采集器，此項值遠小于誤差，故近似為零;hb為濕度標準器的值;xt為濕度標準器的修正值。標準器的誤差可以從標準器的檢定證書中得到，根據濕度傳感器的檢定數據可以自動計算求出該傳感器的最大誤差△hnmax。濕度檢定規程中規定濕度傳感器的合格范圍:

±4%RH(＜80%RH 時);

±8%RH(≥80%RH 時)。

這樣在檢定計算模板中設置判斷條件，自動判斷傳感器合格與否，并為合格傳感器出具檢定證書。

3 結束語

該系統各項技術指標均符合中國氣象局濕度檢定規程的相關要求，整套系統實現了對多路濕度傳感器的自動化檢定，解決了貴州省室內檢定自動氣象站濕度傳感器的自動化問題，已在全省室內檢定自動氣象站濕度傳感器中投入使用，取代了以往人工錄入和計算的工作，提高了檢定的準確性和工作效率。系統運行穩定可靠，使用方便，減輕檢定人員勞動強度。

［1］中國氣象局.II型自動氣象站行業標準［S］.北京:氣象出版社，2000.

［2］孟憲羅，武愛春，盛高山.多路氣象用鉑電阻溫度傳感器自動檢定系統［J］.氣象海洋水文儀器，2010，1:18-20.