自動氣象站檢定與維護實驗課程建設探討

黃建松

摘 要：自動氣象站計量檢定和日常維護是當前氣象觀測業(yè)務的重要工作。文章綜合評估實際需求和投資效益，將自動氣象站檢定與維護實驗課程項目分為維護維修、檢定校準、虛擬仿真三種類型。設計了一組實驗項目，分析所需的硬件和軟件環(huán)境。通過一個雨量傳感器檢定實驗實例說明開展自動氣象站檢定實驗流程，并且以溫度傳感器維護實驗為例說明自動氣象站維護實驗過程。

關鍵詞：自動氣象站；檢定；實驗項目設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2017）17-0092-03

Abstract： Metrological verification and routine maintenance of Automatic weather station are important tasks in current meteorological observation service. This paper comprehensively evaluates actual demand and investment benefits， and divides the automatic weather station verification and maintenance experimental course into maintenance， verification， virtual simulation of three types. A set of experimental items is designed to analyze the required hardware and software environment. The experimental process of automatic weather station verification is illustrated through an experimental example of rain sensor test and the maintenance process of automatic weather station is illustrated by taking the temperature sensor maintenance experiment as an example.

Keywords： automatic weather station； verification； experimental project design

近年來，全國氣象監(jiān)測臺站自動化觀測業(yè)務發(fā)展迅速，氣象裝備保障成為地面氣象觀測業(yè)務的重要工作。氣象儀器類型多樣，工作原理各有差別。其中自動氣象站是觀測氣象要素和天氣現(xiàn)象的基礎設備，觀測網(wǎng)絡布點數(shù)量龐大，在綜合氣象觀測系統(tǒng)中具有重要作用。氣象儀器隨著時間的推移，普遍存在基線漂移現(xiàn)象。這種現(xiàn)象直接影響氣象觀測數(shù)據(jù)的準確性。世界氣象組織對氣象傳感器的測量準確度均有明確的技術指標要求。因此，各級氣象計量部門建設滿足業(yè)務要求的標準儀器和檢測環(huán)境，開展各氣象要素室內(nèi)檢定、現(xiàn)場校準業(yè)務，執(zhí)行自動觀測儀器的出廠驗證測試、使用中按照規(guī)定周期檢定和現(xiàn)場校準的制度，嚴格控制各氣象要素測量值的誤差，確保測量的準確性。自動氣象站采用的各類傳感器基本建立了氣象行業(yè)計量檢定規(guī)程，自動氣象站裝備保障工作也有相應的技術規(guī)范可供參考。基于當前和未來氣象觀測業(yè)務對氣象專業(yè)人才的實踐能力需求，有必要在大氣探測專業(yè)開設自動氣象站檢定和維護實驗課程。為進一步完善課程資源、提高實踐教學質量，本文從實驗環(huán)境建設、實驗項目設計、實驗開展流程等方面探討自動氣象站檢定與維護實驗課程建設路徑與實踐規(guī)劃。

一、實驗環(huán)境建設思路

中國氣象局對氣象計量保障體系建設提出了明確要求：建立一個多級計量檢定、測試、質量監(jiān)控、備件、維修維護和技術支持的保障體系。[1]氣象業(yè)務部門建立了氣象計量量值傳遞系統(tǒng)和計量管理體系。各省級計量檢定部門負責全省區(qū)域內(nèi)氣象儀器的計量檢定工作；各地方氣象觀測站負責氣象儀器的日常維護和現(xiàn)場校準工作。自動氣象站主要涉及溫度、濕度、氣壓、風向風速、雨量、太陽輻射等氣象參數(shù)的測量。目前，省級氣象儀器計量檢定實驗室基本達到國內(nèi)先進水平，擁有各類氣象傳感器的計量檢定設備和專業(yè)的實驗環(huán)境，投資巨大。某些氣象傳感器的實驗環(huán)境（如風傳感器）需要的實驗場地和條件要求很高。因此，在實驗項目設計的過程中考慮教學實驗和人才培養(yǎng)的需求，針對各類氣象傳感器檢定實驗環(huán)境的特點，采用虛實結合的建設方案。風傳感器和輻射傳感器檢定可以利用3D虛擬仿真技術建設虛擬仿真實驗平臺，模擬風洞和輻射實驗環(huán)境；溫度、濕度、氣壓、雨量等傳感器的檢定需要購置專業(yè)的檢定設備，建設符合業(yè)務部門計量檢定標準的實驗環(huán)境。此外，自動氣象站日常維護主要涉及自動氣象站采集器和各類傳感器的測試和維護，因此需要購置自動氣象站、傳感器及測量設備。通過虛實結合的建設方案，既能完全覆蓋自動氣象站傳感器全要素計量檢定的業(yè)務要求，又能降低投入經(jīng)費、解決場地限制問題，在達到實驗目標的基礎上獲得最佳投資效益。

二、實驗項目設計

自動氣象站維護涉及其結構、原理，需要業(yè)務用最新型自動氣象站、自動氣象站數(shù)據(jù)采集器、各類傳感器、檢測電信號的測量儀表以及相關的軟件。自動氣象站檢定涉及檢定設備、標準器、測量儀表以及數(shù)據(jù)處理軟件。根據(jù)自動氣象站日常維護、校準和檢定的業(yè)務特點，本實驗課程可以設置自動氣象站維護維修、檢定校準和虛擬仿真三類實驗。

維護維修類實驗可以幫助學生熟悉自動氣象站及傳感器工作原理，掌握故障檢測、維修更換、日常維護等專業(yè)技術。檢定校準類實驗通過符合氣象行業(yè)標準的實驗環(huán)境和業(yè)務操作流程，培養(yǎng)學生氣象傳感器計量檢定專業(yè)技能，提升學生嚴謹細致的專業(yè)素養(yǎng)。虛擬仿真類實驗操作流程參照檢定標準執(zhí)行，具有直觀形象的特點，可以提高學生的學習興趣。該類型實驗作為實際檢定實驗的補充，能夠完善氣象傳感器檢定實驗教學體系。

三、檢定實驗實例

開展自動氣象站計量檢定工作主要依據(jù)中國氣象局部門計量檢定規(guī)程。只有符合氣象傳感器計量檢定規(guī)程要求的檢定結果才合法有效。下面以自動氣象站雨量傳感器檢定為例說明檢定實驗條件和實驗過程。

自動氣象站雨量傳感器檢定選用自動加液、速度和體積可調的加液器作為標準器。標準器容積通常？芏314mL。檢定過程需要天津氣象儀器廠制造的JJS3型雨量檢測系統(tǒng)，由控制部分、操作部分、給水系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集采用6位半多通道數(shù)據(jù)采集器測量雨量計翻斗翻動次數(shù)，頻率測量范圍為3Hz～500kHz。

檢定項目包括外觀檢查和示值誤差檢定。

實驗步驟1：實驗開始首先檢查雨量傳感器外觀，觀察傳感器外形是否正常，有無損壞、變形、銘牌信息不清晰等現(xiàn)象。查看雨量計內(nèi)部濾網(wǎng)、翻斗、干簧管等部件的情況。如有外觀和物理性損壞，即可判定外觀檢查不符合要求，雨量傳感器檢定不合格。如果外觀檢查正常，進一步開展示值誤差檢定，其檢定過程按照如圖1所示流程進行。[2]

實驗步驟2：準備檢定實驗條件。手動檢測操作是通過加液器和數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)。連接加液器的進、出水管路，將數(shù)據(jù)采集器與被檢雨量傳感器相連，根據(jù)被檢傳感器承水口面積將雨強、雨量通過加液器鍵盤分別輸入到加液器主機。

實驗步驟3：選擇檢定參數(shù)。根據(jù)檢定標準，選擇10mm降雨量，1mm/min和4mm/min兩種降水強度?？梢愿鶕?jù)實際需要進行30mm降雨量的檢定。

實驗步驟4：采集雨量檢定數(shù)據(jù)。將被檢雨量傳感器安裝在JJS3檢定設備的檢測臺上，將自動加液器的導水管置入雨量傳感器的承水口。設置好自動加液器工作參數(shù)，啟動檢測系統(tǒng)開關，加液器主機按設定好的參數(shù)和標準程序運行，數(shù)據(jù)采集器自動記錄雨量傳感器翻斗的翻動次數(shù)。一次加液過程結束后，記錄數(shù)據(jù)采集器的計數(shù)值。檢定實驗在1mm/min和4mm/min 兩種降水強度情況下，分別檢測10mm和30mm兩種降雨量。因此示值誤差檢定過程至少采集4組雨量檢定數(shù)據(jù)。

實驗步驟5：計算示值誤差。根據(jù)4組實驗數(shù)據(jù)，計算測量值和標準值之間的差值并記錄。

實驗步驟6：處理檢定結果。根據(jù)檢定要求，在兩種雨強條件下，被檢雨量傳感器在10mm降雨量時的測量誤差均不超過±0.3mm視為合格；在兩種雨強條件下，被檢雨量傳感器在30mm降雨量時的測量誤差均不超過±4%時視為合格。[2]

四、維護實驗實例

自定氣象站傳感器維護主要參考中國氣象局自動氣象站技術保障手冊和新型自動氣象站功能需求來開展實驗。本文以自動氣象站氣溫傳感器為例來說明溫度傳感器維護實驗的內(nèi)容。目前自動氣象站廣泛使用HMP45D溫濕度傳感器測量氣溫和相對濕度。HMP45D的引腳信號分布如圖2所示。溫度傳感器維護實驗流程如圖3所示。

實驗過程首先在Multisim軟件環(huán)境下建立四線制溫度測量電路，仿真各級電路信號。然后使用示波器測試PT100四線制測溫電路各節(jié)點信號，特別是測溫電路輸出端的電壓信號。根據(jù)電壓信號換算成溫度是與實際溫度對比。

PT100傳感器故障檢測實驗主要模擬PT100測量值超差的情況下，查明故障原因。通常用模擬器對自動氣象站數(shù)據(jù)采集器的溫度通道進行檢測，排除采集器故障。然后用萬用表電阻檔測量PT100的阻值，正常情況下阻值在80～120Ω之間；檢查PT100同一側兩根引出線的電阻值，正常情況下阻值在1～8Ω之間。如果不在以上阻值范圍，在排除接觸不良的情況下可以認為溫度傳感器損壞，應該予以更換。

溫度傳感器的維護實驗需要注意百葉箱和防護罩的維護?？紤]到維護過程盡可能不影響傳感器實時測量溫度，因此掉落在百葉箱上的灰塵和污染物只能用濕布擦拭或毛刷刷拭，不能直接水洗。維護過程中，不能將傳感器移出百葉箱，以免太陽直接輻射或外部熱源影響測量數(shù)據(jù)。在雪天或有霧凇的天氣環(huán)境，同樣需要小心用毛刷把百葉箱內(nèi)部、外部和箱體縫隙內(nèi)的雪和霧凇清理干凈。

五、結束語

氣象自動化觀測技術快速發(fā)展要求我們持續(xù)關注業(yè)務發(fā)展的新進展，建設符合業(yè)務需求的實踐教學環(huán)境，研究開發(fā)實踐教學資源。隨著新型自動氣象站在業(yè)務部門推廣使用，更多類型的氣象傳感器接入自動氣象站統(tǒng)一采集處理。自動氣象站檢定和維護實驗課程在以后的教學實踐過程中，還需不斷優(yōu)化完善實驗項目和實驗內(nèi)容，提高學生專業(yè)實踐能力。

參考文獻：

[1]張建敏，羅昶，呂文華.氣象計量測試指南[M].中國質檢出版社，2011.

[2]自動氣象站降水傳感器檢定規(guī)程JJG[Z].（氣象）005-2011.

[3]楊波，李文博，張昆.HMP45D與HMP155A溫濕度傳感器溫度特性對比[J].氣象科技，2005（03）.

[4]MATLAB與Origin數(shù)據(jù)傳遞在氣象數(shù)據(jù)分析中的應用[J].高教學刊，2015（19）：265-266.