手持式氣象傳感器現(xiàn)場測量儀的開發(fā)

徐偉+楊緒森+張光宇+湯瑩+劉建成+曹賢婧+賴彬芳

摘 要： 目前，我國主流自動氣象站主要有CAWS600系列、ZQZ?F、DZZ2、Milos500、DYYZ等。野外現(xiàn)場對傳感器工作狀態(tài)的快速判斷直接影響氣象站的維護效率。氣象傳感器輸出的電信號類型多，包括電壓、電流、格雷碼、脈沖、電阻等。針對目前氣象傳感器測量儀器的不足，提出一種手持式氣象傳感器測量儀，采用便攜式結構，鋰電池供電，低功耗處理器作為主控，結合CPLD和信號調理電路，能同時實現(xiàn)溫度、濕度、風速、風向、雨量、輻射、蒸發(fā)、氣壓等氣象傳感器的輸出測量。根據(jù)現(xiàn)場氣象條件和測量結果，完成對傳感器工作狀態(tài)的判斷。為氣象裝備保障人員赴野外現(xiàn)場維護和檢修提供一種儀器手段。

關鍵詞： 氣象傳感器； 自動氣象站； 手持式測量儀； 現(xiàn)場維護

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0131?04

Design of handheld detecting instrument for meteorological sensors

XU Wei1， 2， YANG Xu?sen1， 2， ZHANG Guang?yu1， 2， TANG Ying1， 2， LIU Jian?cheng1， 2， CAO Xian?jing1， 2， LAI Bin?fang1， 2

（1. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；

2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： At present， the mainstream automatic weather stations in China are CAWS600， ZQZ?F， DZZ2， Milos500， DYYZ， etc. The swift judgment in field site on the operating state of sensors has a direct influence on the maintenance efficiency of weather stations. Meteorological sensors can output many types of electric signals， such as voltage， amperage， Gray code， impulse， resistance and so on. Owing to the lack of detecting instruments for meteorological sensors and the shortcomings brought by huge size of JJQ， a handheld detecting instrument for meteorological sensors was invented. This kind of portable instrument， powered by a lithium battery and controlled by a low?power CPU， is capable to achieve the output detection of temperature， humidity， wind speed， lithium batteries， wind direction， rainfall amount， radiation， evaporation and atmospheric pressure with the help of CPLD and signal conditioning circuit. This instrument can also judge the operating state of sensors according to weather conditions and the detected results. It is an advisable instrument for support personnel to maintain and repair meteorological equipments in field site.

Keywords： meteorological sensor； automatic weather station； handheld detecting instrument； maintenance in field site

0 引 言

目前，我國氣象系統(tǒng)已裝備6萬余臺自動氣象站，實現(xiàn)了人工氣象站與自動氣象站的聯(lián)合觀測。野外惡劣環(huán)境易使自動氣象站誤差積累甚至產(chǎn)生故障。為提高自動氣象站的數(shù)據(jù)觀測質量，中國氣象局規(guī)定自動氣象需要定期進行檢定和維護[1]。

筆者多次赴各省氣象局調研發(fā)現(xiàn)，自動氣象站的故障判斷常常無法在現(xiàn)場進行。缺乏便攜式儀器快速判斷問題出在采集器還是傳感器。通常做法是將傳感器帶回實驗室，接上電源后通過萬用電表測量電信號，人工轉換為氣象量后判斷傳感器是否存在故障。造成自動氣象站的維護效率低。2012年，JJQ1型氣象信號模擬器的推出為氣象站提供了一種檢定儀器，可完成多種氣象要素信號的模擬輸出和測量。精度高，主要應用于采集器的檢定。endprint

國外，Agient等公司生前有高精度的萬用電表，可利用該儀器測量氣象傳感器的輸出電信號，以判斷故障。但采用該儀器進行現(xiàn)場故障診斷存在2個主要問題：

（1） 測得的電信號需要根據(jù)電信號和氣象量之間的函數(shù)關系，人工轉換為氣象量，測量結果不直觀；

（2） 通用儀器通常能完成電壓、電流、電阻的測量，而格雷碼、脈沖個數(shù)等的測量就無能為力。而氣象傳感器風向輸出為格雷碼。雨量、風速等通常以脈沖頻率來表示強度。

通過分析主流自動氣象站包括維薩拉公司的MILOS500型、北京華云公司的CAWS600型、江蘇省無線電研究所有限公司的ZQZ?A、ZQZ?C型、廣東氣象研究所的WP3103型、天津氣象儀器廠的DZZ1型等氣象傳感器輸出電信號的形式[2?4]，設計測量電路，根據(jù)電信號和氣象量的函數(shù)關系，將測量結果以氣象量和電量兩種形式顯示。儀器輸入接口采用菲尼克斯的傳感器電纜，減小儀器面板的同時具有極低的接觸電阻。

1 系統(tǒng)總體方案

為設計不同氣象要素傳感器的測量電路及輸入接口，通過調研分析氣象傳感器的輸出信號類型、電信號和氣象量之間的函數(shù)關系，如表1所示。

表1 氣象傳感器輸出信號特征

表1中HMP45D和EL15?1/1A分別為溫濕度和風速風向一體化傳感器。8種氣象傳感器輸出信號的類型可分為模擬量、數(shù)字量兩大類型。模擬量利用信號調理電路和單片機完成測量，數(shù)字量通過CPLD模塊實現(xiàn)。為延長系統(tǒng)在野外現(xiàn)場使用時間，系統(tǒng)采用低功耗處理器MSP430系列單片機作為主控制器。溫度傳感器輸出的為電阻量，主控制器控制電流源提供激勵，電阻量轉化為電壓量后經(jīng)A/D送主控制器處理。其他模擬量經(jīng)信號調理和A/D后送主控制器計算并換算成氣象量。數(shù)字量由CPLD模塊測量。低功耗的TFT屏顯示當前測量值、電池電量等信息，電源采用鋰電池，配有充放電管理電路。存儲器用于存儲校正參數(shù)、氣象量與電信號的換算系數(shù)等。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)電路設計

2.1 HMP45D溫度傳感器輸出測量

氣象上常用的HMP45D為溫濕度一體傳感器。溫濕度傳感器內(nèi)置微形鉑電阻測量氣溫，無源電阻輸出。利用鉑電阻的阻值正比于溫度變化的原理，通過測量阻值來測溫度[5]。圖2為測量電路，ADC采用24位低功耗、低噪聲、內(nèi)置電流源的AD7793。AD7793的IOUT1輸出電流設置為1 mA，電流流過傳感器鉑電阻R1和標準電阻R2。利用標準電阻R2上的電壓作為ADC的參考電壓。AD7793的通道1測量鉑電阻兩端電壓。通過電壓比，測量電阻值。

圖2 溫度測量電路

電路從以下幾個方面提高測量精度：

（1） 采用四線制測量鉑電阻R1的阻值，R1的電流和電壓支路導線分開，克服了二線制測量時導線引起的誤差；

（2） 將高精度±0.01%、極低溫漂±2 PPM/℃的UPR型精密電阻上的電壓作為參考電壓。測量精度不受內(nèi)置電流源精度的影響。

（3） AD7793為24位Σ?Δ型ADC，均方根（RMS）噪聲僅為40 nV。

（4） 采用光耦隔離ADC的總線、DC?DC隔離電源以減小系統(tǒng)干擾。

2.2 濕度、氣壓、輻射、蒸發(fā)的測量

濕度、氣壓（電壓輸出形式）、輻射傳感器輸出均為模擬電壓信號，輸出電壓范圍有差異。針對其信號特點，結合ADC參考電壓值，設計低噪聲和低溫漂的放大電路，將模擬信號放大到合適范圍后送入高分辨率的A/D轉換器，轉換后的數(shù)字量送g至主控制器進行信號處理，得到對應的氣象量。

采用AD623集成單電源儀表放大器作為傳感器輸出模擬電壓的調理電路， AD623可采用單電源供電，濕度、氣壓、輻射的傳感器輸出電壓范圍不同，只需改變反AD623 的1腳和8腳之間的電阻即可調節(jié)其增益。且其失調電壓極低，直流電壓漂移為微伏級，具有很高的共模抑制比。如圖3為濕度傳感器的測量電路，濕度信號Hum（0～1 V電壓信號）經(jīng)儀表放器后輸出電壓為：

[Vo=（1+100kR3）Hum]

選取[R3=100 kΩ]，則濕度傳感器調理后的輸出范圍為：0～2 V，盡可能覆蓋模數(shù)轉換的輸入電壓范圍以提高精度。為盡可能減小系統(tǒng)功耗，選用極低功耗專門為便攜式儀器而設計的軌到軌精密運算放大器TLV2461作跟隨器，其輸入失調電壓也為微伏級。

圖3 模擬電壓量調理及測量電路

信號調理后，采用16位高精度、低電流消耗、內(nèi)部低漂移電壓基準的ADC。其含有兩個差分通道。做單端輸入方式時，具有4個通道。剛好可滿足濕度、氣壓、輻射、蒸發(fā)傳感器輸出模擬量的測量。其中蒸發(fā)輸出為電流量[6?7]，在設計其信號調理電路時，可利用精密電阻和運放構成I?V轉換后再放大測量。圖3中的U4為ADS1115，采用3.3 V供電方式，其內(nèi)部含有一個可編程增益的放大器。通過設置其控制寄存器的PGA2、 PGA1、 PGA0三位的值為010，使其測量范圍為0～2.048 V。

2.3 數(shù)字量（風速、風向、雨量）的測量

風速傳感器輸出的是與風速成正比的脈沖信號。采用可編程邏輯器件CPLD對其脈沖計數(shù)，主控制器根據(jù)頻率和風速的關系計算出風速，并送顯示屏顯示。

雨量傳感器通常為翻斗式，傳感器的計數(shù)翻轉一次，輸出一個脈沖信號，為0.1 mm雨量值。雨量信號輸入和電信號轉換電路同風速信號處理電路類似。脈沖信號經(jīng)處理后送 CPLD模塊計數(shù)，計數(shù)值通過主控制器變換處理后得到雨量值。

風向傳感器輸出的信號為并行格雷碼。風向傳感器的輸出經(jīng)保護電路、緩沖器后，送CPLD，CPLD將格雷碼值并行傳輸至主控制器，主控制器通過格雷碼和風向之間的轉換關系，計算風向。

上面3種數(shù)字量的測量電路相同。均先通過圖4所示的輸入保護電路、緩沖器后進入CPLD。

圖4 數(shù)字量輸入保護及緩沖電路

CPLD的端口分配如圖5所示。MCU_DATA0～ MCU_DATA7為主控制器和CPLD模塊的通信數(shù)據(jù)端口。CPLD將計數(shù)值通過通信口發(fā)送至主控制器。主控制器完成氣象量和脈沖量之間的換算。WrMCu和RdMcu為單片機讀寫CPLD的控制線。Wind，Rain，Gray0～Gray5為雨量、風速、風向傳感器輸出的脈沖信號及6位格雷碼。網(wǎng)絡標號帶有TFT的為系統(tǒng)顯示屏的數(shù)據(jù)和控制端口。

3 系統(tǒng)測試

JJQ1型氣象信號模擬器可以模擬多種氣象傳感器的輸出信號。利用該裝置，參考氣象傳感器檢定規(guī)程，設定輸出要素和部分特征值，將其接入本系統(tǒng)，通過比對設定值和系統(tǒng)測量值，驗證系統(tǒng)性能，結果如表2。

圖5 CPLD端口分配

從表2中可以看出，風速、雨量、風向傳感器輸出的為數(shù)字量，頻率也較低。測量值和設定值完全一致。而模擬量存在一定的測量誤差。其中輻射的誤差較大。JJQ1模擬器輸出的直流電壓非常微弱，如10 w/m2的輻射信號對應的電壓為100 μV。通過反復試驗并用NI公司采集卡采集該電壓信號，發(fā)現(xiàn)空中電磁場在輸出信號上產(chǎn)生了很多噪聲。造成系統(tǒng)的測量值波動較大。下一步將考慮在電路板上設置屏蔽盒來減小干擾。

4 結 語

根據(jù)8種常規(guī)氣象傳感器的探測原理和輸出電信號特征，設計了便攜式氣象要素測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗主控制器和運放、便攜式結構、鋰電池供電，能提供氣象要素傳感器工作電源，非常適合于氣象傳感器的野外現(xiàn)場檢測。系統(tǒng)軟件根據(jù)氣象傳感器的電信號和氣象量的曲線關系，測得的數(shù)值以氣象量的形式直觀顯示，便于氣象業(yè)務人員現(xiàn)場做出故障判斷。系統(tǒng)采利用菲尼克斯的傳感器接線電纜作為接插件，降低了接觸電阻。所設計的系統(tǒng)為氣象站的現(xiàn)場故障判斷提供了一種儀器手段。

參考文獻

[1] 孟昭輝，李慶軍.自動氣象站綜述[J].氣象水文海洋儀器，2009（4）：54?56.

[2] 李黃.自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社，2007.

[3] 朱樂坤，鄭麗春.自動氣象站各要素傳感器檢定結果的不確定度分析[J].應用氣象學報，2006，17（5）：635?641.

[4] 周青，梁海河，李雁，等.自動氣象站故障分析排除方法[J].氣象科技，2012，40（4）：567?540.

[5] 張莉莉，沙奕卓，行鴻彥.自動氣象站現(xiàn)場溫度校準系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].測控技術，2014，33（3）：6?10.

[6] 邵煒劍，呂文華，行鴻彥.自動氣象站蒸發(fā)傳感器校準系統(tǒng)的研究[J].氣象水文海洋儀器，2014（1）：19?22.

[7] 周龍，季鑫源，行鴻彥.基于 BSO 晶體電光效應的閃電電場傳感器[J].儀表技術與傳感器，2013（10）：2?4.

[8] 冒曉莉，楊博，張加宏.基于MSP430單片機的便攜式氣象儀設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（10）：142?146.

風向傳感器輸出的信號為并行格雷碼。風向傳感器的輸出經(jīng)保護電路、緩沖器后，送CPLD，CPLD將格雷碼值并行傳輸至主控制器，主控制器通過格雷碼和風向之間的轉換關系，計算風向。

上面3種數(shù)字量的測量電路相同。均先通過圖4所示的輸入保護電路、緩沖器后進入CPLD。

圖4 數(shù)字量輸入保護及緩沖電路

CPLD的端口分配如圖5所示。MCU_DATA0～ MCU_DATA7為主控制器和CPLD模塊的通信數(shù)據(jù)端口。CPLD將計數(shù)值通過通信口發(fā)送至主控制器。主控制器完成氣象量和脈沖量之間的換算。WrMCu和RdMcu為單片機讀寫CPLD的控制線。Wind，Rain，Gray0～Gray5為雨量、風速、風向傳感器輸出的脈沖信號及6位格雷碼。網(wǎng)絡標號帶有TFT的為系統(tǒng)顯示屏的數(shù)據(jù)和控制端口。

3 系統(tǒng)測試

JJQ1型氣象信號模擬器可以模擬多種氣象傳感器的輸出信號。利用該裝置，參考氣象傳感器檢定規(guī)程，設定輸出要素和部分特征值，將其接入本系統(tǒng)，通過比對設定值和系統(tǒng)測量值，驗證系統(tǒng)性能，結果如表2。

圖5 CPLD端口分配

從表2中可以看出，風速、雨量、風向傳感器輸出的為數(shù)字量，頻率也較低。測量值和設定值完全一致。而模擬量存在一定的測量誤差。其中輻射的誤差較大。JJQ1模擬器輸出的直流電壓非常微弱，如10 w/m2的輻射信號對應的電壓為100 μV。通過反復試驗并用NI公司采集卡采集該電壓信號，發(fā)現(xiàn)空中電磁場在輸出信號上產(chǎn)生了很多噪聲。造成系統(tǒng)的測量值波動較大。下一步將考慮在電路板上設置屏蔽盒來減小干擾。

4 結 語

根據(jù)8種常規(guī)氣象傳感器的探測原理和輸出電信號特征，設計了便攜式氣象要素測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗主控制器和運放、便攜式結構、鋰電池供電，能提供氣象要素傳感器工作電源，非常適合于氣象傳感器的野外現(xiàn)場檢測。系統(tǒng)軟件根據(jù)氣象傳感器的電信號和氣象量的曲線關系，測得的數(shù)值以氣象量的形式直觀顯示，便于氣象業(yè)務人員現(xiàn)場做出故障判斷。系統(tǒng)采利用菲尼克斯的傳感器接線電纜作為接插件，降低了接觸電阻。所設計的系統(tǒng)為氣象站的現(xiàn)場故障判斷提供了一種儀器手段。

參考文獻

[1] 孟昭輝，李慶軍.自動氣象站綜述[J].氣象水文海洋儀器，2009（4）：54?56.

[2] 李黃.自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社，2007.

[3] 朱樂坤，鄭麗春.自動氣象站各要素傳感器檢定結果的不確定度分析[J].應用氣象學報，2006，17（5）：635?641.

[4] 周青，梁海河，李雁，等.自動氣象站故障分析排除方法[J].氣象科技，2012，40（4）：567?540.

[5] 張莉莉，沙奕卓，行鴻彥.自動氣象站現(xiàn)場溫度校準系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].測控技術，2014，33（3）：6?10.

[6] 邵煒劍，呂文華，行鴻彥.自動氣象站蒸發(fā)傳感器校準系統(tǒng)的研究[J].氣象水文海洋儀器，2014（1）：19?22.

[7] 周龍，季鑫源，行鴻彥.基于 BSO 晶體電光效應的閃電電場傳感器[J].儀表技術與傳感器，2013（10）：2?4.

[8] 冒曉莉，楊博，張加宏.基于MSP430單片機的便攜式氣象儀設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（10）：142?146.

風向傳感器輸出的信號為并行格雷碼。風向傳感器的輸出經(jīng)保護電路、緩沖器后，送CPLD，CPLD將格雷碼值并行傳輸至主控制器，主控制器通過格雷碼和風向之間的轉換關系，計算風向。

上面3種數(shù)字量的測量電路相同。均先通過圖4所示的輸入保護電路、緩沖器后進入CPLD。

圖4 數(shù)字量輸入保護及緩沖電路

CPLD的端口分配如圖5所示。MCU_DATA0～ MCU_DATA7為主控制器和CPLD模塊的通信數(shù)據(jù)端口。CPLD將計數(shù)值通過通信口發(fā)送至主控制器。主控制器完成氣象量和脈沖量之間的換算。WrMCu和RdMcu為單片機讀寫CPLD的控制線。Wind，Rain，Gray0～Gray5為雨量、風速、風向傳感器輸出的脈沖信號及6位格雷碼。網(wǎng)絡標號帶有TFT的為系統(tǒng)顯示屏的數(shù)據(jù)和控制端口。

3 系統(tǒng)測試

JJQ1型氣象信號模擬器可以模擬多種氣象傳感器的輸出信號。利用該裝置，參考氣象傳感器檢定規(guī)程，設定輸出要素和部分特征值，將其接入本系統(tǒng)，通過比對設定值和系統(tǒng)測量值，驗證系統(tǒng)性能，結果如表2。

圖5 CPLD端口分配

從表2中可以看出，風速、雨量、風向傳感器輸出的為數(shù)字量，頻率也較低。測量值和設定值完全一致。而模擬量存在一定的測量誤差。其中輻射的誤差較大。JJQ1模擬器輸出的直流電壓非常微弱，如10 w/m2的輻射信號對應的電壓為100 μV。通過反復試驗并用NI公司采集卡采集該電壓信號，發(fā)現(xiàn)空中電磁場在輸出信號上產(chǎn)生了很多噪聲。造成系統(tǒng)的測量值波動較大。下一步將考慮在電路板上設置屏蔽盒來減小干擾。

4 結 語

根據(jù)8種常規(guī)氣象傳感器的探測原理和輸出電信號特征，設計了便攜式氣象要素測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗主控制器和運放、便攜式結構、鋰電池供電，能提供氣象要素傳感器工作電源，非常適合于氣象傳感器的野外現(xiàn)場檢測。系統(tǒng)軟件根據(jù)氣象傳感器的電信號和氣象量的曲線關系，測得的數(shù)值以氣象量的形式直觀顯示，便于氣象業(yè)務人員現(xiàn)場做出故障判斷。系統(tǒng)采利用菲尼克斯的傳感器接線電纜作為接插件，降低了接觸電阻。所設計的系統(tǒng)為氣象站的現(xiàn)場故障判斷提供了一種儀器手段。

參考文獻

[1] 孟昭輝，李慶軍.自動氣象站綜述[J].氣象水文海洋儀器，2009（4）：54?56.

[2] 李黃.自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社，2007.

[3] 朱樂坤，鄭麗春.自動氣象站各要素傳感器檢定結果的不確定度分析[J].應用氣象學報，2006，17（5）：635?641.

[4] 周青，梁海河，李雁，等.自動氣象站故障分析排除方法[J].氣象科技，2012，40（4）：567?540.

[5] 張莉莉，沙奕卓，行鴻彥.自動氣象站現(xiàn)場溫度校準系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].測控技術，2014，33（3）：6?10.

[6] 邵煒劍，呂文華，行鴻彥.自動氣象站蒸發(fā)傳感器校準系統(tǒng)的研究[J].氣象水文海洋儀器，2014（1）：19?22.

[7] 周龍，季鑫源，行鴻彥.基于 BSO 晶體電光效應的閃電電場傳感器[J].儀表技術與傳感器，2013（10）：2?4.

[8] 冒曉莉，楊博，張加宏.基于MSP430單片機的便攜式氣象儀設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（10）：142?146.