DZZ5型自動氣象站原理與故障排除分析

代華龍

（駐馬店市氣象局，河南駐馬店 463000）

DZZ5型自動氣象站原理與故障排除分析

代華龍

（駐馬店市氣象局，河南駐馬店 463000）

華云公司生產(chǎn)的DZZ5（CAWS3000）新型自動氣象站是依據(jù)中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司《第二代自動氣象站功能規(guī)格需求書》要求，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一功能、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一方法、統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出的一種高精度、高穩(wěn)定、易維護(hù)、低功耗、易擴(kuò)展和具有實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的新型自動氣象觀測系統(tǒng)?？梢詽M足現(xiàn)有氣象觀測站的氣候觀測、天氣觀測和區(qū)域觀測業(yè)務(wù)的需要。當(dāng)前部分氣象臺站已經(jīng)裝備。本文簡單介紹了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理及二例故障排除方法。

自動氣象站 結(jié)構(gòu)原理 故障排除

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1DZZ5設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一；

（2）主采集系統(tǒng)采用ARM9嵌入式系統(tǒng)；

（3）主采集器采用linux 操作系統(tǒng)管理，支持多進(jìn)程；

（4）支持多串口、多種通訊方式、支持Web Server訪問功能；

（5）總線式結(jié)構(gòu)；

（6）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；

（7）主、分多采集器結(jié)構(gòu)方式；

（8）各觀測要素?cái)U(kuò)展方便、靈活；

（9）采樣速率提高。

1.2DZZ5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，DZZ5型自動氣象站由主采集器（ARM9）、氣候分采集器、輻射分采集器、地溫分采集器和土壤水分分采集器構(gòu)成系統(tǒng)。相互之間采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。分采集器采用ARM7架構(gòu)的32位微處理器或單片機(jī)系統(tǒng)。分采集器一般只完成相關(guān)的數(shù)據(jù)測量采集，并傳送給主采集器。主采集器系統(tǒng)與終端計(jì)算機(jī)采用長線進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通訊。整個系統(tǒng)的供電由交流電轉(zhuǎn)+12VDC作為主電源，配蓄電池作為后備電源。

2　原理簡介

隨著氣象要素值的變化，自動氣象站各傳感器的感應(yīng)元件輸出的電量產(chǎn)生變化，這種變化量被各主、分?jǐn)?shù)據(jù)采集器所采集，經(jīng)過線性化和定量化處理，實(shí)現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得出各個氣象要素值，按一定的格式存儲在采集器中，同時可根據(jù)需要實(shí)時上傳。目前，氣象臺站觀測的項(xiàng)目主要有溫濕度、地溫、雨量、風(fēng)向風(fēng)速、能見度蒸發(fā)、輻射等。

2.1溫度

鉑電阻溫度傳感器是根據(jù)鉑電阻的電阻值隨溫度變化的原理來測定溫度的。鉑電阻絲燒制在細(xì)小的玻璃棒或磁板上，外面有金屬保護(hù)管。一般0℃時阻值為100Ω，每升高1℃阻值增加0.385Ω。氣溫、淺層地溫、深層地溫、草溫都是用鉑電阻傳感器。

2.2濕度

濕敏電容濕度傳感器是用有機(jī)高分子膜作介質(zhì)的一種小型電容器，濕敏電容器上電極是一層多孔金膜，能透過水汽；下電極為一對刀狀或梳狀電極，引線由下電極引出?；迨遣Ａ?。整個感應(yīng)器是由兩個小電容器串聯(lián)組成。傳感器置于大氣中，當(dāng)大氣中水汽透過上電極進(jìn)入介電層，介電層吸收水汽后，介電系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容器電容量發(fā)生變化。電容量的變化正比于相對濕度。實(shí)際工作中，鉑電阻溫度傳感器與濕敏電容濕度傳感器制作成為一體。

2.3雨量

雙翻斗雨量傳感器主要由承水器、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗和干簧管等組成。當(dāng)有降水時，承雨器收集的降水通過漏斗進(jìn)入上翻斗，當(dāng)雨水積到一定量時，由于水本身重力作用使上翻斗翻轉(zhuǎn)，水進(jìn)入?yún)R集漏斗。降水從匯集漏斗的節(jié)流管注入計(jì)量翻斗時，就把不同強(qiáng)度的自然降水，調(diào)節(jié)為比較均勻的降水強(qiáng)度，以減少由于降水強(qiáng)度不同所造成的測量誤差。當(dāng)計(jì)量翻斗承受的降水量為0.1mm時，計(jì)量翻斗把降水傾倒到計(jì)數(shù)翻斗，使計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次。計(jì)數(shù)翻斗在翻轉(zhuǎn)時，與它相關(guān)的磁鋼對干簧管掃描一次。干簧管因磁化而瞬間閉合一次。這樣，降水量每次達(dá)到0.1mm時，就送出去一個開關(guān)信號，采集器就自動采集存儲0.1mm降水量。

2.4蒸發(fā)

該傳感器由超聲波傳感器和不銹鋼圓筒組成。根據(jù)超聲波測距原理，選用高精度超聲波探頭，對E601B型蒸發(fā)器內(nèi)水面高度變化進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)換成電信號輸出。通過計(jì)算，求出蒸發(fā)量。

2.5風(fēng)向、風(fēng)速

風(fēng)向感應(yīng)器為單翼風(fēng)標(biāo)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動時，帶動格雷碼盤（常用七位，分辨率為2.8°），按照碼盤切槽的設(shè)計(jì)，碼盤每轉(zhuǎn)動2.8°，光電管組就會產(chǎn)生新的七位并行格雷碼輸出。

當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時，帶動同軸的多齒截光盤轉(zhuǎn)動，使下面的光敏三極管有時接收到上面發(fā)光二極管發(fā)射的光線而導(dǎo)通，有時接收不到上面發(fā)光二極管照射來的光線而截止。這樣就能得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實(shí)

············際風(fēng)速值。

2.6輻射

感應(yīng)件由感應(yīng)面與熱電堆組成，涂黑感應(yīng)面通常為園形，也有方形。熱電堆由康銅、康銅鍍銅構(gòu)成。另一種感應(yīng)面由黑白相間的金屬片構(gòu)成，利用黑白片的吸收率的不同，測定其下端熱電堆溫差電動勢，然后轉(zhuǎn)換成輻照度。

2.7能見度

透射能見度儀采用測量發(fā)射器和接收器之間水平空氣柱的平均消光（透射）系數(shù)而算出能見度。發(fā)射器提供一個經(jīng)過調(diào)制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一個光檢測器組成。由光檢測器輸出測定透射系數(shù)，再據(jù)此計(jì)算消光系數(shù)和氣象光學(xué)視程。

3　故障排除

3.1實(shí)例：溫度跳變其余要素正常

DZZ5自動氣象站所用的溫濕度傳感器（如圖2所示）是一體化設(shè)計(jì)，型號是HMP155。出現(xiàn)故障時，溫度由正常的10℃左右突然跳變到負(fù)值（-7到-12度之間）。剛開始出現(xiàn)時，幾分鐘內(nèi)就可恢復(fù)，后來一兩個小時也不正常。

解決方法：測電壓，為12V正常；更換HMP155溫濕度傳感器，故障依舊；更換轉(zhuǎn)接盒，仍未排除；因沒有防雷板備件，直接將防雷板跨接，經(jīng)長時間觀察后，故障不出現(xiàn)，說明防雷板故障，先應(yīng)急使用，待臺站向上級申請防雷板后更換。

3.2實(shí)例：風(fēng)向始終在171°方向，風(fēng)速正常

DZZ5風(fēng)向傳感器觀測的是10米高風(fēng)向，傳感器采用軸式風(fēng)向標(biāo)，通過光碼盤轉(zhuǎn)換方式輸出7位數(shù)字量（格雷碼）。實(shí)地觀察，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，沒有卡死現(xiàn)象。詢問觀測員，得知故障是在雷雨后出現(xiàn)的，果斷更換風(fēng)向傳感器，再看風(fēng)向數(shù)據(jù)已恢復(fù)正常。

［1］河南省自動氣象站培訓(xùn)材料［M］.2015.09.

［2］劉小容.淺談自動氣象站地面數(shù)據(jù)的維護(hù)及異常處理［J］.氣象水文海洋儀器［B］（2009）02-04.

［3］張立清，張洪衛(wèi).自動氣象站異常情況分析和處理［J］.山東氣象［B］，（2010）01-02.

［4］張紅娟.自動氣象站異常數(shù)據(jù)分析及處理實(shí)例［J］.河南氣象，2007. 03.

代華龍（1973—），男，漢族，河南平輿人，工程師，主要從事大氣探測和業(yè)務(wù)管理工作。