淺談DSC3型稱重式降水傳感器工作原理

陳志國(guó)

(黑龍江省雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100)

淺談DSC3型稱重式降水傳感器工作原理

陳志國(guó)

(黑龍江省雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100)

目前，我國(guó)氣象部門對(duì)固態(tài)降水以人工觀測(cè)為主，存在時(shí)效性差、時(shí)空密度不足等諸多弊端，不能全面、連續(xù)反映降雪過(guò)程的變化情況。DSC3型稱重式降水傳感器是實(shí)現(xiàn)降水自動(dòng)化觀測(cè)的智能傳感器，該儀器既可以作為單獨(dú)的傳感器，以輸出脈沖信號(hào)形式無(wú)縫掛接在現(xiàn)有自動(dòng)氣象站上，同時(shí)又輸出RS232/485數(shù)字信號(hào)，可以同其它數(shù)字或總線系統(tǒng)及終端組網(wǎng)使用。擬對(duì)DSC3型稱重式降水傳感器工作原理進(jìn)行分析。

稱重式降水傳感器；工作原理

DSC3型稱重式降水傳感器采用了許多新技術(shù)算法，完全可以滿足固體降水自動(dòng)化觀測(cè)，同時(shí)支持液態(tài)降水自動(dòng)化觀測(cè)，且其測(cè)量精度較翻斗式雨量傳感器更高，這對(duì)于全面提升我國(guó)地面氣象觀測(cè)的自動(dòng)化水平，更加準(zhǔn)確地觀測(cè)天氣和氣候要素、應(yīng)對(duì)氣候變化的研究、人民日常生活保障、防止自然災(zāi)害等方面又增添了新的技術(shù)手段。該儀器實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)資料連續(xù)化，減少臺(tái)站觀測(cè)人員的工作量，進(jìn)一步提高觀測(cè)質(zhì)量和觀測(cè)效率，能夠?yàn)閷I(yè)部門和公眾提供更多有價(jià)值的氣象信息和觀測(cè)產(chǎn)品。

一 DSC3型稱重式降水傳感器的主要特點(diǎn)

DSC3型稱重式降水傳感器可用于裝備地面氣象觀測(cè)網(wǎng)，承擔(dān)降水量觀測(cè)任務(wù)的自動(dòng)化氣象觀測(cè)設(shè)備。該儀器具有較高的運(yùn)行可靠性，能達(dá)到當(dāng)前先進(jìn)的固體降水自動(dòng)化觀測(cè)水平，為冬季降水量預(yù)報(bào)和服務(wù)提供高質(zhì)量的觀測(cè)資料。

1.精確測(cè)量——具有大容量、高穩(wěn)定的電阻應(yīng)變式載荷元件結(jié)合軟件算法，對(duì)進(jìn)入到收集容器中的降水提供準(zhǔn)確測(cè)量。由于整個(gè)收集容器被稱重，因此，任何類型積累在收集容器內(nèi)的降水將被記錄。

2.降水發(fā)生的準(zhǔn)確探測(cè) ——獨(dú)有的降水發(fā)生探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱OPD)，通過(guò)使用光學(xué)傳感器對(duì)降水的發(fā)生進(jìn)行探測(cè)，任何可能由于溫度或者刮風(fēng)引起的瞬間振動(dòng)所產(chǎn)生的虛假讀數(shù)將被排除。

3.數(shù)據(jù)輸出——數(shù)據(jù)輸出脈沖仿效一個(gè)翻斗式雨量計(jì)翻斗的輸出，每次一個(gè)脈沖相當(dāng)于一個(gè)0.1mm。脈沖在每分鐘的末尾輸出。

4.電源——DSC3型稱重式降水傳感器需要用戶提供一個(gè)12V的直流電源，也可以采用蓄電池與太陽(yáng)能電池板供電。

5.低維護(hù)——DSC3型稱重式降水傳感器每年入冬前進(jìn)行一次維護(hù)，夏季和秋季多雨季可能會(huì)做到兩到三次的維護(hù)(根據(jù)不同地區(qū)的降水量維護(hù)次數(shù)有所不同)，維護(hù)工作只要求當(dāng)收集的降水達(dá)到一定的量，就將收集容器內(nèi)的液體排空，然后加入適量的蒸發(fā)抑制油，冬季需另加相應(yīng)的防凍液，其余基本無(wú)需維護(hù)。防凍液和蒸發(fā)抑制油只在清空時(shí)才需添加。

二 DSC3型稱重式降水傳感器的系統(tǒng)組成

DSC3型稱重式降水傳感器是由載荷元件、數(shù)據(jù)處理單元、OPD和外圍組件組成，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

1.載荷元件。

載荷元件是DSC3型稱重式降水傳感器的核心元件，通過(guò)對(duì)重量變化的快速響應(yīng)測(cè)量降水。載荷元件基于電阻應(yīng)變技術(shù)：敏感梁在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而得到重量。

2.數(shù)據(jù)處理單元。

數(shù)據(jù)處理單元由中央處理器、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、接口、控制電路等部分構(gòu)成，安裝在底盤之上。其主要功能是將載荷元件測(cè)得的收集容器中降水重量的電信號(hào)數(shù)值傳到運(yùn)算器中，運(yùn)算器經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化成以毫米單位的降水。再通過(guò)存儲(chǔ)的校準(zhǔn)常數(shù)、溫度系數(shù)等一些參數(shù)計(jì)算出雨量值。并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制、記錄存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸。處理單元具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用堆棧式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不少于30天。

處理單元既滿足現(xiàn)行氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)要求，能夠輸出脈沖量，接入現(xiàn)有自動(dòng)氣象站；又符合智能氣象傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，能夠輸出數(shù)字信號(hào)，接入新型自動(dòng)氣象站。因此，DSC3型稱重式降水傳感器同時(shí)具有RS232和RS485通訊接口和脈沖輸出接口(1個(gè)脈沖相當(dāng)于0.1mm)。

3.降水發(fā)生探測(cè)器(OPD)。

OPD與DSC3型稱重式降水傳感器接口連接，OPD被支架架在收集容器的上端，與收集容器桶口保持合理的無(wú)接觸。OPD利用紅外線光束探測(cè)，在OPD圈相對(duì)的兩端，一端為接收端，一端為發(fā)射端，其一端的兩個(gè)遮陽(yáng)管中間有一個(gè)發(fā)光二極管的為發(fā)射端。OPD探測(cè)通過(guò)紅外線光束的顆粒，當(dāng)有顆粒連續(xù)通過(guò)紅外線光束并通過(guò)智能識(shí)別與判斷后，OPD判斷是否有降水發(fā)生，在OPD判斷有降水發(fā)生的過(guò)程中，DSC3型稱重式降水傳感器測(cè)量的重量通過(guò)脈沖或RS232/485方式輸出降水量。

4. 外圍結(jié)構(gòu)。

外圍組件包括收集容器、保護(hù)外殼、底盤基座、防風(fēng)圈等。

三 DSC3型稱重式降水傳感器的主要功能

1.數(shù)據(jù)采樣。

數(shù)據(jù)處理單元對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，對(duì)通過(guò)采樣值質(zhì)量檢查的分鐘降水量進(jìn)行累計(jì)，得到累計(jì)降水量。

2.數(shù)據(jù)處理。

傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用堆棧式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：分鐘降水量、累計(jì)降水量、原始質(zhì)量數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控信息等。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不少于30天，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)具備掉電保存功能。

3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

傳感器具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，采用脈沖方式輸出時(shí)，主動(dòng)送出通斷信號(hào)；采用RS-232(或RS-485)方式輸出時(shí)，采用響應(yīng)終端命令的方式。數(shù)據(jù)采集器與傳感器間的信號(hào)傳輸距離不小于200m。通過(guò)在 RS-232 口上接入無(wú)線或有線傳輸模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能。

4.數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為 18 個(gè)字節(jié)，各項(xiàng)目之間用空格分隔(結(jié)束符之前不留空格)，每個(gè)項(xiàng)目采用定長(zhǎng)方式，長(zhǎng)度不足高位補(bǔ)0。

5.監(jiān)控功能。

當(dāng)傳感器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，由實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘；當(dāng)傳感器接入自動(dòng)氣象站或業(yè)務(wù)軟件時(shí)，由自動(dòng)氣象站或業(yè)務(wù)軟件為傳感器提供對(duì)時(shí)，保持時(shí)鐘同步。

6.終端操作命令。

傳感器支持各種終端操作命令，用來(lái)設(shè)置參數(shù)、讀取數(shù)據(jù)等，具備以下終端操作命令。命令及參數(shù)均為ASCII碼，命令以回車換行結(jié)尾，返回信息用ASCII碼輸出，回車換行結(jié)尾。

四 DSC3型稱重式降水傳感器的核心技術(shù)

DSC3型稱重式降水傳感器的核心是一種基于電阻應(yīng)變技術(shù)載荷元件，通過(guò)對(duì)重量變化的快速響應(yīng)測(cè)量和計(jì)算出降水量。主板上的處理器(MCU)通過(guò)OPD判斷是否有降水發(fā)生，OPD只有判斷有降水發(fā)生，才會(huì)使判斷有降水發(fā)生過(guò)程時(shí)載荷元件測(cè)量的重量信號(hào)進(jìn)行輸出，同時(shí)結(jié)合溫度、風(fēng)等環(huán)境干擾要素的過(guò)濾與修正，得到準(zhǔn)確的降水量值，工作原理框圖傳感器通過(guò)溫度修正，對(duì)風(fēng)和其它因素引起的擾動(dòng)進(jìn)行判斷平滑以及一系列的綜合運(yùn)算和處理得到準(zhǔn)確的降水量。

[1]降水觀測(cè)儀器和測(cè)量方法改進(jìn)方案的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(16).

[2]稱重式降水傳感器的算法[C].節(jié)能減排戰(zhàn)略與測(cè)控技術(shù)發(fā)展學(xué)術(shù)研討會(huì)，2011.

ClassNo.:P414.9DocumentMark：A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)

WorkingPrincipleofTypeDSC3WeighingPrecipitationSensor

Chen ZhiGuo

(Jixi Meteorological Bureau, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

The paper analyzed the working principles of Type DS3 weighing precipitation sensor. It argues that Type DS3 weighing precipitation sensor is an intelligent sensor to finish the observation of precipitation automatically , which can be used as a separate sensor to hang in the existing automatic weather station while it can send RS232/485 digital signal and use with other digital or bus system and terminal network.

weighing precipitation sensor；working principle

陳志國(guó)，碩士，工程師,黑龍江省雞西市氣象局。

1672-6758(2013)05-0157-2

P414.9

A