黃建松

摘 要：自動(dòng)氣象站計(jì)量檢定和日常維護(hù)是當(dāng)前氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的重要工作。文章綜合評(píng)估實(shí)際需求和投資效益，將自動(dòng)氣象站檢定與維護(hù)實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目分為維護(hù)維修、檢定校準(zhǔn)、虛擬仿真三種類型。設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分析所需的硬件和軟件環(huán)境。通過一個(gè)雨量傳感器檢定實(shí)驗(yàn)實(shí)例說明開展自動(dòng)氣象站檢定實(shí)驗(yàn)流程，并且以溫度傳感器維護(hù)實(shí)驗(yàn)為例說明自動(dòng)氣象站維護(hù)實(shí)驗(yàn)過程。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站；檢定；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)，全國(guó)氣象監(jiān)測(cè)臺(tái)站自動(dòng)化觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，氣象裝備保障成為地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)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(dòng)氣象站是觀測(cè)氣象要素和天氣現(xiàn)象的基礎(chǔ)設(shè)備，觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)數(shù)量龐大，在綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)中具有重要作用。氣象儀器隨著時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。世界氣象組織對(duì)氣象傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度均有明確的技術(shù)指標(biāo)要求。因此，各級(jí)氣象計(jì)量部門建設(shè)滿足業(yè)務(wù)要求的標(biāo)準(zhǔn)儀器和檢測(cè)環(huán)境，開展各氣象要素室內(nèi)檢定、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)業(yè)務(wù)，執(zhí)行自動(dòng)觀測(cè)儀器的出廠驗(yàn)證測(cè)試、使用中按照規(guī)定周期檢定和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的制度，嚴(yán)格控制各氣象要素測(cè)量值的誤差，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。自動(dòng)氣象站采用的各類傳感器基本建立了氣象行業(yè)計(jì)量檢定規(guī)程，自動(dòng)氣象站裝備保障工作也有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范可供參考?；诋?dāng)前和未來(lái)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)氣象專業(yè)人才的實(shí)踐能力需求，有必要在大氣探測(cè)專業(yè)開設(shè)自動(dòng)氣象站檢定和維護(hù)實(shí)驗(yàn)課程。為進(jìn)一步完善課程資源、提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，本文從實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)開展流程等方面探討自動(dòng)氣象站檢定與維護(hù)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)路徑與實(shí)踐規(guī)劃。

一、實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)思路

中國(guó)氣象局對(duì)氣象計(jì)量保障體系建設(shè)提出了明確要求：建立一個(gè)多級(jí)計(jì)量檢定、測(cè)試、質(zhì)量監(jiān)控、備件、維修維護(hù)和技術(shù)支持的保障體系。[1]氣象業(yè)務(wù)部門建立了氣象計(jì)量量值傳遞系統(tǒng)和計(jì)量管理體系。各省級(jí)計(jì)量檢定部門負(fù)責(zé)全省區(qū)域內(nèi)氣象儀器的計(jì)量檢定工作；各地方氣象觀測(cè)站負(fù)責(zé)氣象儀器的日常維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作。自動(dòng)氣象站主要涉及溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、雨量、太陽(yáng)輻射等氣象參數(shù)的測(cè)量。目前，省級(jí)氣象儀器計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)室基本達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，擁有各類氣象傳感器的計(jì)量檢定設(shè)備和專業(yè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，投資巨大。某些氣象傳感器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（如風(fēng)傳感器）需要的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和條件要求很高。因此，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中考慮教學(xué)實(shí)驗(yàn)和人才培養(yǎng)的需求，針對(duì)各類氣象傳感器檢定實(shí)驗(yàn)環(huán)境的特點(diǎn)，采用虛實(shí)結(jié)合的建設(shè)方案。風(fēng)傳感器和輻射傳感器檢定可以利用3D虛擬仿真技術(shù)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬風(fēng)洞和輻射實(shí)驗(yàn)環(huán)境；溫度、濕度、氣壓、雨量等傳感器的檢定需要購(gòu)置專業(yè)的檢定設(shè)備，建設(shè)符合業(yè)務(wù)部門計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。此外，自動(dòng)氣象站日常維護(hù)主要涉及自動(dòng)氣象站采集器和各類傳感器的測(cè)試和維護(hù)，因此需要購(gòu)置自動(dòng)氣象站、傳感器及測(cè)量設(shè)備。通過虛實(shí)結(jié)合的建設(shè)方案，既能完全覆蓋自動(dòng)氣象站傳感器全要素計(jì)量檢定的業(yè)務(wù)要求，又能降低投入經(jīng)費(fèi)、解決場(chǎng)地限制問題，在達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的基礎(chǔ)上獲得最佳投資效益。

二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站維護(hù)涉及其結(jié)構(gòu)、原理，需要業(yè)務(wù)用最新型自動(dòng)氣象站、自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器、各類傳感器、檢測(cè)電信號(hào)的測(cè)量?jī)x表以及相關(guān)的軟件。自動(dòng)氣象站檢定涉及檢定設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器、測(cè)量?jī)x表以及數(shù)據(jù)處理軟件。根據(jù)自動(dòng)氣象站日常維護(hù)、校準(zhǔn)和檢定的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)課程可以設(shè)置自動(dòng)氣象站維護(hù)維修、檢定校準(zhǔn)和虛擬仿真三類實(shí)驗(yàn)。

維護(hù)維修類實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生熟悉自動(dòng)氣象站及傳感器工作原理，掌握故障檢測(cè)、維修更換、日常維護(hù)等專業(yè)技術(shù)。檢定校準(zhǔn)類實(shí)驗(yàn)通過符合氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和業(yè)務(wù)操作流程，培養(yǎng)學(xué)生氣象傳感器計(jì)量檢定專業(yè)技能，提升學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的專業(yè)素養(yǎng)。虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)操作流程參照檢定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，具有直觀形象的特點(diǎn)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該類型實(shí)驗(yàn)作為實(shí)際檢定實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，能夠完善氣象傳感器檢定實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

三、檢定實(shí)驗(yàn)實(shí)例

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

自動(dòng)氣象站雨量傳感器檢定選用自動(dòng)加液、速度和體積可調(diào)的加液器作為標(biāo)準(zhǔn)器。標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(cè)量雨量計(jì)翻斗翻動(dòng)次數(shù)，頻率測(cè)量范圍為3Hz～500kHz。

檢定項(xiàng)目包括外觀檢查和示值誤差檢定。

實(shí)驗(yàn)步驟1：實(shí)驗(yàn)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(wú)損壞、變形、銘牌信息不清晰等現(xiàn)象。查看雨量計(jì)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(jìn)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(jìn)行。[2]

實(shí)驗(yàn)步驟2：準(zhǔn)備檢定實(shí)驗(yàn)條件。手動(dòng)檢測(cè)操作是通過加液器和數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)。連接加液器的進(jìn)、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(qiáng)、雨量通過加液器鍵盤分別輸入到加液器主機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟3：選擇檢定參數(shù)。根據(jù)檢定標(biāo)準(zhǔn)，選擇10mm降雨量，1mm/min和4mm/min兩種降水強(qiáng)度。可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行30mm降雨量的檢定。

實(shí)驗(yàn)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(shè)備的檢測(cè)臺(tái)上，將自動(dòng)加液器的導(dǎo)水管置入雨量傳感器的承水口。設(shè)置好自動(dòng)加液器工作參數(shù)，啟動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)開關(guān)，加液器主機(jī)按設(shè)定好的參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)程序運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)記錄雨量傳感器翻斗的翻動(dòng)次數(shù)。一次加液過程結(jié)束后，記錄數(shù)據(jù)采集器的計(jì)數(shù)值。檢定實(shí)驗(yàn)在1mm/min和4mm/min 兩種降水強(qiáng)度情況下，分別檢測(cè)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(shí)驗(yàn)步驟5：計(jì)算示值誤差。根據(jù)4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值并記錄。

實(shí)驗(yàn)步驟6：處理檢定結(jié)果。根據(jù)檢定要求，在兩種雨強(qiáng)條件下，被檢雨量傳感器在10mm降雨量時(shí)的測(cè)量誤差均不超過±0.3mm視為合格；在兩種雨強(qiáng)條件下，被檢雨量傳感器在30mm降雨量時(shí)的測(cè)量誤差均不超過±4%時(shí)視為合格。[2]

四、維護(hù)實(shí)驗(yàn)實(shí)例

自定氣象站傳感器維護(hù)主要參考中國(guó)氣象局自動(dòng)氣象站技術(shù)保障手冊(cè)和新型自動(dòng)氣象站功能需求來(lái)開展實(shí)驗(yàn)。本文以自動(dòng)氣象站氣溫傳感器為例來(lái)說明溫度傳感器維護(hù)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。目前自動(dòng)氣象站廣泛使用HMP45D溫濕度傳感器測(cè)量氣溫和相對(duì)濕度。HMP45D的引腳信號(hào)分布如圖2所示。溫度傳感器維護(hù)實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)過程首先在Multisim軟件環(huán)境下建立四線制溫度測(cè)量電路，仿真各級(jí)電路信號(hào)。然后使用示波器測(cè)試PT100四線制測(cè)溫電路各節(jié)點(diǎn)信號(hào)，特別是測(cè)溫電路輸出端的電壓信號(hào)。根據(jù)電壓信號(hào)換算成溫度是與實(shí)際溫度對(duì)比。

PT100傳感器故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)主要模擬PT100測(cè)量值超差的情況下，查明故障原因。通常用模擬器對(duì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器的溫度通道進(jìn)行檢測(cè)，排除采集器故障。然后用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量PT100的阻值，正常情況下阻值在80～120Ω之間；檢查PT100同一側(cè)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(rèn)為溫度傳感器損壞，應(yīng)該予以更換。

溫度傳感器的維護(hù)實(shí)驗(yàn)需要注意百葉箱和防護(hù)罩的維護(hù)?？紤]到維護(hù)過程盡可能不影響傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(hù)過程中，不能將傳感器移出百葉箱，以免太陽(yáng)直接輻射或外部熱源影響測(cè)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(jié)束語(yǔ)

氣象自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)快速發(fā)展要求我們持續(xù)關(guān)注業(yè)務(wù)發(fā)展的新進(jìn)展，建設(shè)符合業(yè)務(wù)需求的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，研究開發(fā)實(shí)踐教學(xué)資源。隨著新型自動(dòng)氣象站在業(yè)務(wù)部門推廣使用，更多類型的氣象傳感器接入自動(dòng)氣象站統(tǒng)一采集處理。自動(dòng)氣象站檢定和維護(hù)實(shí)驗(yàn)課程在以后的教學(xué)實(shí)踐過程中，還需不斷優(yōu)化完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

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

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