自動氣象觀測系統(tǒng)v2課件

自動氣象觀測系統(tǒng)主要內(nèi)容概述結(jié)構(gòu)及工作原理硬件軟件采集與算法自動氣象站網(wǎng)§1自動氣象站——概述自動氣象觀測系統(tǒng)，從狹義上說是指自動氣象站，從廣義上說是指自動氣象站網(wǎng)。自動氣象站是一種能自動地觀測和存儲氣象觀測數(shù)據(jù)的設(shè)備。如果需要，可直接或在中心站編發(fā)氣象報(bào)告，也可以按業(yè)務(wù)需求編制各類氣象報(bào)表。自動氣象站網(wǎng)由一個(gè)中心站和若干自動氣象站通過通信電路組成。自動氣象站自動氣象站的分類：按提供數(shù)據(jù)的時(shí)效性實(shí)時(shí)自動氣象站非實(shí)時(shí)自動氣象站

能按規(guī)定的時(shí)間實(shí)時(shí)提供氣象觀測數(shù)據(jù)的自動氣象站

只能定時(shí)記錄和存儲觀測數(shù)據(jù)，但不能實(shí)時(shí)提供氣象觀測數(shù)據(jù)的自動氣象站根據(jù)對自動氣象站人工干預(yù)情況有人自動站無人自動站§1自動氣象站

——概述§2自動氣象站

——結(jié)構(gòu)及工作原理基本結(jié)構(gòu)自動氣象站由硬件和系統(tǒng)軟件組成,硬件包括傳感器,采集器,通訊接口,系統(tǒng)電源,計(jì)算機(jī)等,系統(tǒng)軟件和地面測報(bào)業(yè)務(wù)軟件.現(xiàn)用自動氣象站主要采用集散式和總線式兩種體系結(jié)構(gòu).體系結(jié)構(gòu)通過傳感器和數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)分類存儲工程量→物理量可視化顯示分發(fā)系統(tǒng)工作原理

§2自動氣象站

——結(jié)構(gòu)及工作原理主要功能⑴自動采集氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、蒸發(fā)量、日照、輻射、地溫等全部或部分氣象要素⑵按業(yè)務(wù)需求通過計(jì)算機(jī)輸入人工觀測數(shù)據(jù)⑶按照海平面氣壓計(jì)算公式自動計(jì)算海平面氣壓；按照附錄1濕度參量的計(jì)算公式計(jì)算水汽壓、相對濕度、露點(diǎn)溫度以及所需的各種統(tǒng)計(jì)量⑷編發(fā)各類氣象報(bào)告⑸形成觀測數(shù)據(jù)文件⑹編制各類氣象報(bào)表⑺實(shí)現(xiàn)通訊組網(wǎng)和運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控§3自動氣象站

——硬件傳感器

能感受被測氣象要素的變化并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換器組成?！?自動氣象站

——硬件氣壓——振筒式、膜盒式氣壓傳感器氣溫——鉑電阻溫度傳感器濕度——濕敏電容濕度傳感器風(fēng)向——單翼風(fēng)向傳感器風(fēng)速——風(fēng)杯風(fēng)速傳感器雨量——翻斗式雨量傳感器蒸發(fā)——超聲測距蒸發(fā)量傳感器輻射——熱電堆式輻射傳感器地溫——鉑電阻地溫傳感器日照——直接輻射表、雙金屬片日照傳感器風(fēng)速傳感器●原理三個(gè)輕質(zhì)錐形風(fēng)杯；

附著在中心不銹鋼軸上的截光盤隨軸旋轉(zhuǎn)；每轉(zhuǎn)動一圈，切割紅外光束14次，從而由光電晶體中產(chǎn)生出一個(gè)脈沖鏈，輸出的脈沖速率與風(fēng)速成正比。

測量范圍 0

~60m/s分辨率0.05m/s起動風(fēng)速不大于0.3m/s精度±0.3m/s（S<10m/s）

±3m/s（S>10m/s）抗風(fēng)強(qiáng)度75m/s傳感器輸出0~1221Hz方波

工作電源12V工作溫度-40oC~+60oC(帶加熱)●技術(shù)指標(biāo)測風(fēng)桿風(fēng)向傳感器風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)軸帶動的6至8位格雷碼光碼盤6至8個(gè)同心圓軌道，0、2、22、23、24、25、(26、27)等分相鄰每份作透光與不透光處理碼盤兩側(cè)同一半徑上的6至8對光電耦合器件輸出相應(yīng)的6至8位格雷碼，每一個(gè)格雷碼代表一個(gè)風(fēng)向。測量范圍 0~360°響應(yīng)靈敏度 0.3m/s（30度偏角）工作電源 10~14VDC分辨率 3°輸出 電壓0~2.5VDC抗風(fēng)強(qiáng)度 75m/s工作環(huán)境 -40℃~60℃、0~100%RH

原理技術(shù)指標(biāo)風(fēng)向、風(fēng)速傳感器

測量距地10米處的地面風(fēng)的速度及方向值，并轉(zhuǎn)換為電信號，此信號可以直接傳送到顯示儀器或記錄設(shè)備進(jìn)行處理。溫濕傳感器來自芬蘭VISALA公司的溫濕度傳感器同時(shí)測量空氣溫度和相對濕度

CAWS-FH防輻射罩溫濕度傳感器測濕元件是聚合物薄膜電容傳感器測溫元件是鉑電阻Pt100感應(yīng)部件位于傳感器桿頭部，外有一層濾膜過濾罩保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)4線制鉑電阻測溫滿足PT385測溫標(biāo)準(zhǔn)原理濕度測量范圍： 0

~100%RH輸出范圍： 0

~100%RH0-1VDC分辨率： ±1%RH準(zhǔn)確度： 3%（T>0℃）

±5%（T≤0℃）穩(wěn)定性： <1%RH/年溫度測量范圍： -50

~+50℃分辨率： 0.1℃準(zhǔn)確度： ±0.2℃輸出： 四線制電阻

技術(shù)指標(biāo)雨量傳感器

原理雨水由截面積為200平方厘米集水器匯集，通過裝有小圓護(hù)網(wǎng)的小漏斗及其下端的引流管注入翻斗。當(dāng)翻斗承積的水量達(dá)到一定的數(shù)量值時(shí)，翻斗翻倒，另一半翻斗開始盛雨。計(jì)數(shù)翻斗中部裝有一塊小磁鋼，磁鋼上端有干簧管。當(dāng)計(jì)數(shù)翻斗翻動時(shí)，磁鋼對干簧管掃描，使干簧接點(diǎn)因磁化而瞬間閉合一次，送出一個(gè)電路導(dǎo)通脈沖。相當(dāng)于0.1mm降雨量。氣壓傳感器

原理

振筒式氣壓計(jì)由振動筒、外保護(hù)筒、激振線圈和檢測線圈組成。彈性振筒感應(yīng)內(nèi)外的真空腔和空氣腔的壓力差對應(yīng)輸出變化的頻率。系統(tǒng)將頻率轉(zhuǎn)化為電壓輸出。為解決振筒振動固有頻率的溫度漂移，在振筒基座上加了一個(gè)測溫元件，將測得筒內(nèi)氣體溫度作為參數(shù)提供給系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。蒸發(fā)傳感器

超聲波測距原理，選用高精度超聲波探頭，對標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿內(nèi)水面高度變化進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)換成電信號輸出。測量范圍0~100mm分辨率0.1mm供電10~15VDC輸出0~5V（電流最大5Ma）

4~20mA（負(fù)載電阻最大500Ω）技術(shù)指標(biāo)總輻射表總輻射：測量水平表面上、2π立體角內(nèi)所接收到波長為0.3-3μm的太陽直接照射和天空散射的總輻照度（W/m2）。反射輻射：總輻射感應(yīng)面向下，用來測量來自地面的波長為0.3-3m短波反射輻射。散射輻射：總輻射用遮光環(huán)遮擋太陽直接輻射后，用來測量散射輻射。

感應(yīng)件、玻璃罩和配件組成;附件包括：機(jī)體、干燥器、白色擋板、底座、水準(zhǔn)器和接線柱等。此外還有保護(hù)玻璃罩的金屬蓋（又稱遮光罩或保護(hù)罩）。感應(yīng)件由感應(yīng)面和熱電堆組成。熱電堆為快速響應(yīng)的線繞電鍍式熱電堆，感應(yīng)面涂3M無光黑漆.玻璃罩為半球形雙層石英玻璃，起防風(fēng)和透過波長0.3-3.0m范圍的短波輻射，透過率為常數(shù)且接近0.9。采用雙層罩是為了阻止外層罩的紅外輻射影響，減小測量誤差。結(jié)構(gòu)原理

總輻射表

基于熱電效應(yīng)當(dāng)涂黑的感應(yīng)面接收輻射增熱時(shí)，使以熱接點(diǎn)緊貼在下部的熱電堆產(chǎn)生與接收到的輻照度成正比的溫差電動勢輸出信號。

工作原理響應(yīng)時(shí)間（95%）：<35S（99%）穩(wěn)定性（年變化量）：小于±2%非線性：小于±2%方位：小于±5%測量角：2π立體角輻照度：0-1400W/m2（最大2000W/m2）光譜范圍：300-3200nm靈敏度：7-14μv/W*m-2接收涂層：3M無光黑漆干燥劑：硅膠技術(shù)指標(biāo)直接輻射表光筒、自動跟蹤裝置光筒內(nèi)部由光闌、內(nèi)筒、熱電堆、干燥劑筒等組成。感應(yīng)部件是采用繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。在線性范圍內(nèi)產(chǎn)生的溫差電勢與太陽直接輻照度成正比。自動跟蹤裝置是由底板、緯度架、電機(jī)等組成。電機(jī)是動力源，用戶可根據(jù)要求選擇直流電機(jī)或交流電機(jī)作為動力源。該表的跟蹤精度與安裝和細(xì)心的調(diào)整有密切關(guān)系，有關(guān)詳細(xì)說明請參考產(chǎn)品說明書。工作原理

用于測量光譜范圍為0.27-3.2μm的太陽直輻射量。當(dāng)太陽直輻射量超過120W/m2時(shí)和日照時(shí)數(shù)記錄儀連接，也可直接測量日照時(shí)數(shù)。

凈輻射表

用來測量太陽輻射差，即凈（全）輻射。上表面測量由天空（包括太陽和大氣）向下的投射，下表面測量由地表（包括土壤、植物、水面）向上投射的全波段輻射量，且自動輸出上下表面測量值之差。

工作原理

感應(yīng)件、薄膜罩和配件。感應(yīng)件由上下兩片涂黑感應(yīng)面和熱電堆組成。上下感應(yīng)面接受不同的輻射量，使熱電堆上下端產(chǎn)生溫差而輸出與凈（全）輻射成正比的電量。

感應(yīng)面外罩為上下兩個(gè)半球形聚乙烯薄膜罩，能透過短波輻射和長波輻射，測量0.3-100μm波長的全波段的光輻射紫外輻射表

紫外輻射傳感器也是一種光電效應(yīng)型傳感器。

紫外輻射傳感器是一種測量全球太陽紫外輻射(UV-B)波長的精密儀器。廣泛應(yīng)用于曝曬引起紅斑劑量的研究，UV-B光波對植物的影響研究，紫外線預(yù)報(bào)，氣候資料收集和臭氧洞影響的研究。

工作原理分光譜輻射表

采用光電轉(zhuǎn)換感應(yīng)原理。表的內(nèi)罩為石英玻璃，外罩是經(jīng)精密冷加工磨制而成的光學(xué)玻璃。

分光譜輻射傳感器是與各種記錄器及計(jì)算機(jī)配接使用，均能精確地測量出太陽的總輻射量、紅外、可見光及紫外區(qū)輻射量的一次儀表。光譜范圍：WB280-2800nm；JB400-2800nm；HB700-2800nm。

可廣泛應(yīng)用于紫外線測量的預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)氣象、植物生理研究，太陽能利用、海洋考察、建筑材料老化及大氣污染等科學(xué)研究。工作原理能見度儀

能見度儀采用前向散射法測大氣消光系數(shù)，通過換算得出能見度。

能見度儀由穩(wěn)定的紅外發(fā)射光源，高靈敏度，大動態(tài)范圍的紅外散射光接收器，信號采集與處理器，控制器，加熱器，電源，調(diào)制解條器，防護(hù)罩，防腐支架，不銹鋼機(jī)箱等部件組成。整個(gè)電路采用大規(guī)?？删幊唐骷N片工藝，體積小，升級靈活方便，易于擴(kuò)充。信號采集系統(tǒng)用軍品級貼片式低功耗CPLD門陣列電路，縮小了電路體積，增強(qiáng)了穩(wěn)定性和可靠性。工作原理日照傳感器

原理日照傳感器日照傳感器用以精確探測陽光輻射起止。當(dāng)照射在儀器上的直接陽光輻射高于某一預(yù)設(shè)閾值時(shí)觸點(diǎn)接觸閉合，接觸閉合輸出信號可由多種記錄器記錄。它不需要季節(jié)性的調(diào)節(jié)和維護(hù)。對于緯度在0度到65度的任意區(qū)域內(nèi)，能滿足無人值守和低能耗的要求。

當(dāng)太陽直輻射量超過120W/㎡時(shí)，直接輻射表和日照時(shí)數(shù)記錄儀連接，也可直接測量日照時(shí)數(shù)。

自動氣象站的結(jié)構(gòu)框圖風(fēng)向、風(fēng)速溫、濕度氣壓雨量地溫蒸發(fā)輻射感雨防雷板采集核心通訊預(yù)處理MODEM串口隔離器DCP發(fā)射機(jī)VHF/UHF通訊部件

供電系統(tǒng)主控機(jī)打印機(jī)UPS傳感器采集系統(tǒng)2分鐘平均風(fēng)向露點(diǎn)溫度最低草溫/最低雪溫2分鐘平均風(fēng)速本站氣壓最低草溫/最低雪溫出現(xiàn)時(shí)間10分鐘平均風(fēng)向最高本站氣壓蒸發(fā)量10分鐘平均風(fēng)速最高本站氣壓出現(xiàn)時(shí)間日照時(shí)數(shù)最大風(fēng)速時(shí)風(fēng)向最低本站氣壓總輻射曝輻量最大風(fēng)速最低本站氣壓出現(xiàn)時(shí)間總輻射最大輻照度最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間地面溫度總輻射最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間瞬時(shí)風(fēng)向地面最高溫度凈全輻射曝輻量瞬時(shí)風(fēng)速地面最高溫度出現(xiàn)時(shí)間凈全輻射最大輻照度極大風(fēng)向地面最低溫度凈全輻射最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間極大風(fēng)速地面最低溫度出現(xiàn)時(shí)間凈全輻射最小輻照度極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間5cm地溫凈全輻射最小輻照度出現(xiàn)時(shí)間降水量10cm地溫直接輻射曝輻量氣溫15cm地溫直接輻射最大輻照度最高氣溫20cm地溫直接輻射最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間40cm地溫水平直接輻射曝輻量最低氣溫80cm地溫散射輻射曝輻量最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間160cm地溫散射輻射最大輻照度相對濕度320cm地溫散射輻射最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間最小相對濕度草溫/雪溫反射輻射曝輻量最小相對濕度出現(xiàn)時(shí)間最高草溫/最高雪溫反射輻射最大輻照度水汽壓最高草溫/最高雪溫出現(xiàn)時(shí)間反射輻射最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間DZQ-I型便攜式自動氣象站上海華巖儀器設(shè)備有限公司§3自動氣象站

——硬件

數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是自動氣象站的核心，其主要功能是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。主要技術(shù)性能數(shù)據(jù)采樣速率及算法符合本標(biāo)準(zhǔn)“采樣和算法”的規(guī)定；采集器的電源能保證采集器至少7天正常工作，數(shù)據(jù)存儲器至少能存儲3天的每分鐘氣壓、氣溫、相對濕度、1分鐘平均風(fēng)向和風(fēng)速、降水量和表1中所列全部或部分項(xiàng)目的每小時(shí)正點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，能在計(jì)算機(jī)中形成規(guī)定的數(shù)據(jù)文件具有顯示功能的采集器，能直接從顯示器上讀取以下所需的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)：可讀取瞬時(shí)的數(shù)據(jù)有：風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對濕度、本站氣壓、海平面氣壓、降水量、各層地溫、各種輻射的輻照度等?？勺x取定時(shí)數(shù)據(jù)有：2分鐘平均風(fēng)向、2分鐘平均風(fēng)速、氣溫、露點(diǎn)溫度、本站氣壓、海平面氣壓、降水量。時(shí)鐘誤差不超過30秒/月?？梢允褂媒涣骰蛑绷鞴╇姟?shù)據(jù)采集器Vaisala數(shù)據(jù)采集器§3自動氣象站

——硬件

系統(tǒng)電源自動氣象站具備高穩(wěn)定性無干擾的系統(tǒng)電源。在有市電的地方，使用市電，并對備用電池浮充電，以備出現(xiàn)故障時(shí)使用。若使用計(jì)算機(jī)，則還配備不間斷電源(UPS)和后備電池。自動氣象站可用電池供電。在無市電的地區(qū)，自動氣象站可用電池供電，這時(shí)，可用輔助電源對電池充電?？勺鬏o助電源的有：柴油或汽油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板等。

通信接口聯(lián)接采集器與計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)與中心站采集器與中心站等的通信連接設(shè)備。

外圍設(shè)備根據(jù)不同的需要，配置的外圍設(shè)備有：計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、顯示器等?！?自動氣象站

——軟件自動氣象站的系統(tǒng)軟件采集軟件業(yè)務(wù)軟件

為了實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制，還須配置遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件.§4自動氣象站

——軟件

采集軟件

采集軟件有廠家提供,寫在采集器中.其主要功能有:(1)接受和響應(yīng)業(yè)務(wù)軟件對參數(shù)的設(shè)置和系統(tǒng)時(shí)鐘的調(diào)整;(2)實(shí)時(shí)和定時(shí)采集各傳感器的輸出信號,經(jīng)計(jì)算、處理形成各氣象要素值;(3)存儲、顯示和傳輸各氣象要素值;(4)大風(fēng)報(bào)警;(5)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控.§4自動氣象站

——軟件

業(yè)務(wù)軟件

業(yè)務(wù)軟件根據(jù)地面氣象業(yè)務(wù)的需要編制。主要功能包括：參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、定時(shí)數(shù)據(jù)存儲、編發(fā)氣象報(bào)告、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)審核、報(bào)表編制，按照《全國地面氣象資料數(shù)據(jù)模式》形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件等。§5自動氣象站

——采樣和算法采樣自動站的數(shù)據(jù)采樣在采集器中完成，采樣順序：氣溫、濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、地溫、輻射、日照、蒸發(fā)。氣溫、濕度、氣壓、地溫、輻射的采樣速率為每分鐘6次，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，余下的4次采樣值求算術(shù)平均。1分鐘平均值為瞬時(shí)值。風(fēng)向、風(fēng)速的采樣速率為每秒鐘1次，求3秒鐘、