多路自動氣象站濕度傳感器檢定系統(tǒng)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(xiàn)代化建設的快速發(fā)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(yè)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?！半p套站”建設完成后將取消人工觀測，使我省自動化業(yè)務觀測水平大幅提高。根據(jù)國家計量檢定規(guī)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(fā)了多路自動站濕度傳感器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，能實現(xiàn)24路濕度傳感器的批量數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)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(fā)展的需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用了24位A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)采集方式采用的是并行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)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(jié)果能真實的反應待測傳感器和標準器在同一濕度環(huán)境下同一時刻的值，這與以往靠人工讀取及抄錄數(shù)據(jù)相比，不僅提高了效率，而且消除了人工讀數(shù)帶來的誤差。

2.1 系統(tǒng)硬件組成及檢定工作流程

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

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)全程采用信號數(shù)字化和數(shù)據(jù)網(wǎng)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(fā)生系統(tǒng)開始工作，當檢定箱內(nèi)的相對濕度達到預設的檢定點并穩(wěn)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(nèi)的狀態(tài)是通過對箱體內(nèi)波動度的綜合計算來判斷的，具體方法是:將箱體內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)，采集頻率為3 min內(nèi)，每隔5 s采集1次數(shù)據(jù)。這樣可以得到檢定箱在某濕度測量點，各測點位置3 min內(nèi)的波動度:

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

根據(jù)(1)式計算出某一設定濕度值下檢定箱內(nèi)工作區(qū)域濕度的波動度:

式中，△TOi為第i位置測點3 min內(nèi)讀數(shù)的最大波動度，n為箱內(nèi)各位置的測點數(shù)。當△Ta的值在檢定規(guī)程所要求的范圍內(nèi)并保持10 min后，采集器才會采集待檢傳感器數(shù)據(jù)，否則不采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)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(wǎng)接口的通信方式，因此本地或遠程計算機可以通過局域網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)采集器，遠程導出檢定數(shù)據(jù)，錄入相應的計算模板后自動計算出記錄結(jié)果并出具檢定證書。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集程序的設計

數(shù)據(jù)采集程序是自動檢定系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)濕度檢定規(guī)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(fā)生裝置箱體內(nèi)達到設定值并且穩(wěn)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(shù)據(jù)。一個檢定點檢定完畢，緊接著調(diào)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(qū)分存儲在采集器內(nèi)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在采集時均返回一個時間戳，這樣就可以根據(jù)采集時間信息來區(qū)分不同批次檢定的傳感器數(shù)據(jù)，方便工作人員查詢和調(diào)取數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2.3 檢定數(shù)據(jù)處理及計算

對檢定產(chǎn)生數(shù)據(jù)的處理，就必須分析誤差的產(chǎn)生:由于該系統(tǒng)能夠自動采集數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)誤差來源主要有兩部分:整套檢定系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和傳感器誤差［3］。其中系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)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(jù)濕度傳感器的檢定數(shù)據(jù)可以自動計算求出該傳感器的最大誤差△hnmax。濕度檢定規(guī)程中規(guī)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(jié)束語

該系統(tǒng)各項技術指標均符合中國氣象局濕度檢定規(guī)程的相關要求，整套系統(tǒng)實現(xiàn)了對多路濕度傳感器的自動化檢定，解決了貴州省室內(nèi)檢定自動氣象站濕度傳感器的自動化問題，已在全省室內(nèi)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(tǒng)運行穩(wěn)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(yè)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(tǒng)［J］.氣象海洋水文儀器，2010，1:18-20.