自动气象站技术应用手册.docx
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自动气象站技术应用手册
湖北省自动气象站
应用技术手册
湖北省气象技术装备中心
2005年6月
目录
第一章概述1
第二章自动站的构造原理1
2·1整体组成1
2·2基本结构1
2·2·1传感器3
2·2·2数据采集器3
2·2·3电源系统3
2·2·4计算机3
2·5主要技术指标4
第三章传感器4
3·1气压传感器4
3·1·1感应器4
（1）结构4
（2）工作原理4
3·1·2变换器5
3·2温度、湿度传感器5
3.2.l．温度传感器6
3.2.2．湿度传感器6
3.2.3．日常维护7
3.3地温传感器7
3.4．EL15-2型风传感器8
3.4.1风向传感器8
3.4.2风速传感器8
3.4.3变换器8
3.5SL3型双翻斗式雨量计9
3.5.1感应器的结构9
3.5.2感应器的工作过程10
3.5.3变换器10
第四章数据采集器10
4·1概述10
4·2数据采集器的结构原理10
4.3数据采集器面板11
4.4整机接地要求11
第五章现场故障判断与排除11
5.1故障分类11
5.2故障分析和判断的基本原则12
5.2.1安全原则12
5.2.2逻辑原则12
5.2.3分解原则12
5.2.4替代原则13
5.2.5记录原则13
5.3故障分析和判断的基本方法13
5.3.1“替代”的方法13
5.3.2测量的方法13
各种温度传感器信号（断电测量）13
风向传感器（带电测量）15
风速传感器（带电测量）15
雨量传感器（断电测量）15
气压传感器（带电测量）15
5.4故障分析和判断的基本步骤15
5.4.1通信不正常（微机无法接受数据）17
5.4.2通信不正常（微机能够接受数据、但数据全部或部分错误）17
5.4.3采集器面板指示灯（秒闪灯）亮而不闪19
5.4.4蜂鸣器长鸣20
5.4.5电源系统故障判断流程21
第六章自动站的维护与检定22
6.1采集器的使用和维护22
6.2气压传感器的使用与维护22
6.3湿敏电容的使用与维护22
6.4雨量传感器的使用与维护23
6.5铂电阻温度传感器的使用与维护23
6·7常见故障表24
第七章故障处理实例25
附件：
长春采集器接头定义：
27
第一章概述
我省目前布点的自动气象站主要是江苏省无线电研究所生产的ZQZ-CⅡ型，长春气象仪器研究所生产的AMS-Ⅱ型，北京华创升达高科技发展中心生产的CAWS600-Ⅰ型地面有线综合遥测气象仪。
地面有线综合遥测气象仪主要用于气象台站，它能自动进行地面气象数据采集、计算、存储，能连续自动测量气温、气压、湿度、风向、风速、降水、草温、地表温度、浅层地温及深层地温、（日照、蒸发、太阳辐射）等气象要素，并结合目前尚未实现自动测量的项目（如云、能、天等）由人工观测键入观测结果，经计算机按业务工作规范要求进行计算机处理、显示、打印报文和报表，并实现观测资料的存盘和查询。
这次培训的教材主要根据中国气象局编定的“地面有线综合遥测气象仪（Ⅱ型）观测规范（修定本）”、有关厂家设备说明书和我省现有自动气象站建设、运行、维修实际情况汇报。
不足之处，敬请批评指正！
第二章自动站的构造原理
2·1整体组成
自动站是由单片机进行实时控制和采集处理的、功能齐全的气象数据自动观测系统。
自动站主要由传感器、数据采集器、计算机、打印机、电源和专用电缆组成。
室外部分有：
温度、湿度传感器、风传感器、雨量传感器和地温传感器等；室内部分有：
气压传感器、数据采集器、计算机、打印机、电源等；各传感器通过专用电缆与数据采集器连接。
2·2基本结构
遥测仪的气压传感器装在采集器内，而采集器放置室内，其它传感器均安装在规定的室外观测场的相应位置上。
其它部件均安放在室内，其中接口与保护电路、数据采集单元、单片机、直流/直流变换器和直流稳压器等组装在数据采集箱内，蓄电池、避雷器、抗干扰电路等归集到电源箱里。
微机、打印机、UPS电源作为独立设备和数据采集箱配合使用。
总体结构示意图如3.1所示。
总体结构框图如图3.2所示。
2·2·1传感器
将各气象要素的变化转换成电量的相应变化，以便于完成自动测量。
各传感器如下：
风向：
风标，七位格雷码盘
风速:
三杯风速计，光电脉冲计数
温度：
铂电阻（R0=100欧）
湿度：
湿敏电容
气压：
振筒气压传感器
雨量：
翻斗式雨量计
地温：
铂电阻（R0=100欧）
2·2·2数据采集器
数据采集器包括接口和保护电路、测量变送电路、A/D转换电路、计数电路和数字信号输人电路、电源系统等。
数据采集过程是，在单片机的CPU实时控制下，根据各个要素的不同采样时间间隔要求，完成对数据的连续采集，并把所得数据传给单片机进行运算处理。
数据采集器的核心部分为单片机，外部扩展了程序存储器ROM，数据存储器RAM，可编程定时计数器，可编程通讯接口以及键盘与显示器电路。
2·2·3电源系统
电源系统提供交直流两种电源。
在交流电正常供电情况下，由直流稳压电源提供一组13.8伏～l4.5伏直流输出给DC/DC变换器，经过直流/直流变换，输出+5伏、-5伏、12伏、-12伏等四组电源供系统和传感器使用。
同时给备用蓄电池充电。
当交流电停电时，系统自动切换到由蓄电池给DC/DC变换器供电，保证系统能正常工作。
在蓄电池容量为38AH/12伏时，可保证工作三天以上。
2·2·4计算机
计算机在遥测仪系统界面控制程序引导下运行。
收集采集器采集、预处理后的气象数据和人工键入项目的观测数据，按规范的要求，显示实时和非实时观测结果，进行定时处理，存储、编辑报文，制作各类气象报表。
2·5主要技术指标
表2.1遥测仪的主要技术指标
气象要素
测量范围
分辨率
准确度
采样
速率
计算平均时间
气温
-50℃～+5O℃
0.1℃
±0.2℃
6次/分
1＇´
风向
0°～360°
2.8°
±5°
60次/分
3"、2＇、10＇
风速
0～60米/秒
0.1米/秒
±（0.5+0.03V）米/秒
60次/分
3"、2＇、10＇
雨量
雨量范围：
0～999毫米
雨强范围：
0～4.0毫米/秒
0.1毫米
≤10.0毫米：
±0.4毫米
＞10.0毫米：
±4%
有雨即采
显示累积值
气压
550～1060百帕
（200百帕任选）
0.1百帕
±0.4百帕
6次/分
1＇´
相对湿度
0%～100%
1%
湿敏电容80%以下±4%
80%或以上±8%
6次/分
1＇
地温
-50℃～+8O℃
0.1℃
±0.5℃
6次/分
1＇´
第三章传感器
3·1气压传感器
3·1·1感应器
（1）结构
传感器由两个一端密封的同轴圆筒组成。
内筒为振动筒，壁厚为0.075毫米，用镍基恒弹性合金制成，其弹性模数的温度系数很小（α≤±1×10-5/℃）。
外筒为保护筒。
两个筒的一端固定在公共基座上，另一端为自由端。
线圈架安装在基座上，位于筒的中央。
气压传感器的结构如图4.1所示。
（2）工作原理
线圈架上相互垂直地装有两个线圈，其中激振线圈用于激励内筒振动，抬振线圈用来检测内筒的振动频率。
两筒之间的空间被抽成真空，作为绝对压力标准。
内筒与被测气体相通，于是筒壁为作用在筒内表面的压力所张紧，这一张力使筒的固有频率随压力的增加而增加，测出其频率即可知压力。
3·1·2变换器
振线圈上产生的感应电动势经IC放大后反馈给激振线圈，使之保持在筒的固有频率上振动。
p=α0+α1T+α2T2+α3T3+α4T4
3·2温度、湿度传感器
目前，我省两种自动气象站的大气温度与湿度部分均采用FinlandVaisala公司的Humicap系列的HMP45D传感器。
由于在使用过程中，温湿度部分引起的故障较多，因此，我们有必要了解HMP45A/D传感器的原理。
HMP45D是FinlandVaisala公司开发的温湿度传感器，此传感器性能稳定，结构合理，适合各类自动气象站的测温测湿要求，其结构如下图所示。
测温部分是铂电阻，采用四线制恒流源方式；测湿部分采用高分子薄膜型湿敏电容。
3.2.l．温度传感器
HMP45A/D传感器采用铂电阻（Pt100&Pt1000）测量温度。
铂金属的物理化学性能稳定且易于提纯，测量温度的精度高，复现性好。
标准铂电阻的复现可达万分之几摄氏度的水平，在-259.34～+630.74℃范围内可作为标准仪器。
铂电阻的阻温关系线性度较高，在-200～0℃的范围内可用下式表示
Rt=R0·[1+At+Bt2+C·（t-100）·t3]
（其中，Rt、R0为t℃和0℃时电阻值，t为温度值）
在0～+650℃的范围内可用下式表示 Rt=R0·〔1+At+Bt2〕
对于工业铂电阻，按我国标准，系数为
A=3.96847×10-3℃-1；
B=-5.84×10-7℃-2；
C=-4.22×10-12℃-4。
铂电阻是利用铂金属的电阻率随温度的变化而变化的原理。
但如何正确地测量电阻值呢？
自动气象站中采用的测量电路是将电阻值的变化转化为电压值的变化，使用的方法是四线制恒流源供电方式及线性化电路（如图2）。
由恒流源提供恒定电流I0流经铂电阻Rt,②、③为电压引线，电压I0Rt通过②、③引线传送给测量电路，只要测量电路的输入阻抗足够大，流经②、③引线的电流将非常小，引线的电阻影响可忽略不计。
所以，在自动气象站中，温度电缆的长短与阻值大小对测量值的影响可忽略不计。
测量电压的电路采用的A/D转换器方式，将电压信号转变成数字信号，得出相应的温度值。
3.2.2．湿度传感器
HMP45D传感器采用湿敏电容测量湿度。
湿敏电容是一种具有感湿特性的电介质，其介电常数随相对湿度的变化而变化，通常有高分子薄膜和氧化铝（AI2○3）两种类型。
高分子薄膜型湿敏电容最早由Vaisala公司开发，其商标为“Humicap”。
这里只介绍Humicap系列的高分子薄膜型湿敏电容。
Humicap传感器是一个用有机聚合物电介质材料制成的小型电容器，其结构如图3所示。
传感器由玻璃衬板（a）、基片金膜电极（b）、感湿膜（c）、表面金电极（d）和引线（e）组成。
感湿膜常用醋酸纤维素，厚度极薄，约为0.5～1μm。
厚度太薄会使表面与底部的电极短路，太厚会影响测湿的响应特性。
表面金电极用真空蒸镀法制成，厚度要求为0.02μm，能良好地渗透水汽分子。
基片金膜电极用腐蚀法制成，电极材料是贵金属和碳。
在外界相对湿度发生变化时，作为感湿膜的高分子聚合物能对水汽分子吸附和释放，其介电常数ε随之变化，促使湿敏电容量发生变化。
为避免在极薄的表面电极上焊接引线，两根引线均从基片电极引出，元件等效为两个电容的串联，其电容量ζr是薄膜吸附水分子时的比电容率，A1为表面金电极的面积，A2为基片金膜电极的面积，d为薄膜的厚度。
因此，利用已知的C=f（RH）关系，将其接在探测器的电子线路中，即可用来测量空气的相对湿度。
HMP45A/D传感器已将电容变化量转化为电压的变化量，输出电压范围为0～1V，自动气象站的采集器中测量的输出的电压。
由于电压对导线的阻值不敏感，所以电缆的电阻对测量数量数值的影响可忽略不计。
电压的测量同样采用A/D转换器。
3.2.3．日常维护
对HMP45D传感器的维护，要注意定期的清洁，但由于湿敏电容是一种精密细小的仪器，且探头部位极其脆弱，清洁不当将会导致传感器的损坏。
清洁时，旋开探头处的黑色过滤器，过滤器内是一层薄薄的过滤网，旋出过滤网，用干净的小毛刷去过滤网上的灰尘即可。
如发现玻璃基板或电极等部位有灰尘，不可用毛刷清洁，因为引线及薄膜有可能受损。
我们不主张观测人员直接对电容进行清洁。
掌握HMP45A/D传感器的结构与原理，提高维修人员与观测人员对自动气象站温湿度部分故障的判断、分析与维修的能力，做到最短时间内发现故障和排除故障。
3.3地温传感器
地温传感器采用铂电阻（Pt100&Pt1000）测量温度。
遥测地面温度和浅层地温地观测地段，设在原安装地面温度表和曲管地温表东侧地裸地内，地表应疏松、平整、无草，并与观测场地面相平。
地面四支温度传感器必须水平地安置在地面上，互成90度夹角，呈东西、南北向，感应头部朝内。
地面温度传感器一半埋入土中，一半露出地面。
埋入土中部分必须与土壤密贴，不可留有空隙，露出地面部分应保持干净。
5厘米、10厘米、15厘米、20厘米地温感应器应穿入相应地板条孔中，感应头朝南，其连接电缆埋入土壤中，然后引入地沟。
40厘米地温传感器安装在人工观测地40厘米直管地温表地南侧50厘米处。
深层（80厘米、160厘米、320厘米）地温传感器各安装在一根木棒上，木棒地长度依深度而定（可使用原直管地温表地木棒）。
整个木棒及传感器放在专用套管内。
木棒顶端有一个金属盖，用以盖住专用套管。
木棒上几处缠有绒圈，金属盖内装有毡垫，以组滞管内空气对流和管内外空气交换，也可防止降水等物落入。
专用套管安置在人工观测地直管地温表套管的南侧0·5米处，并一一对应。
然后将传感器安装在相应的专用套管内。
其组装如图。
3.4．EL15-2型风传感器
风向低惯性轻金属的风向标响应风向，带动同轴码盘转动，此码盘按格雷码编码并以光电子扫描。
输出对应风向的电信号，可以方便地进行信号采集及处理。
风速低惯性轻金属风杯，随风旋转，带动同轴截光盘转动，以光电子扫描输出脉冲串，输出相应于转数的脉冲频率，对应值风速，便于采集及处理。
技术参数：
风向技术指标
测量范围：
0~3600分辨率：
2.50
准确度：
-50~+50工作环境：
-50~+50℃,0~100%RH
工作电压：
12VDC输出信号：
8位特殊格雷码和TTL电平信号
抗风强度：
>75m/s启动风速：
0.3m/s
风速技术指标：
测量范围：
0~60m/s分辨率：
0.1m/s
准确度：
（0.3+0.03v）m/s工作环境：
-50~+50℃,0~100%RH
工作电压：
12VDC输出信号：
0~1221HZ,TTL电平脉冲信号
抗风强度：
>75m/s启动风速：
0.3m/s
3.4.1风向传感器
风向感应器为单板风标。
当风标转动时，带动位数为七值的格雷码盘，对应于每一位的发光二极管和光敏三极管用来将风标的角位移转换成相应的格雷码。
码盘如图：
七位光盘刻画图
3.4.2风速传感器
风速传感器采用三杯式感应器，风杯由碳纤维增强塑料制成。
风向、风速传感器图
3.4.3变换器
风向变换器:
由于光码盘的每一位上面都装有发光二极管，所以在风向变化时，装在码盘下面的光敏三极管就处于导通或截止状态。
但是不论风向档处于何位置，都可对应一个七位格雷码数字输出，此输出接数据总线:
就能得到相应的风向，分辨率约为2.8°。
风向变换器电原理图
风速变换器:
当风杯转动时，装在多齿转盘下面的光敏三极管有时接收到，有时接收不到上面发光二极管照射来的光线，时而导通，时而截止。
这样就能得到与风杯转速成正比的频率信号，该频率信号由计数器计数，经换算后就能得实际风速值，如图：
风速变换器电原理图
3.5SL3型双翻斗式雨量计
SL3雨量传感器用来测量地面降雨量。
广泛应用于气象、水文、海洋、军事、机场、环境、农业、林业、科学研究等领域。
翻斗式雨量计由盛水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗、和汇集漏斗、调节螺钉、干簧管等构成。
在测量过程中，雨水由盛水器汇集，通过装有小圆护网的小漏斗及其下端的引流管注入上翻斗，随着翻斗间歇翻倒动作，带动开关，发出一个个脉冲信号，将非电量转换成电量输出。
技术指标：
盛水口径：
φ200mm
环境温度：
0~+60℃
雨强：
4mm/min
输出：
1脉冲=0.1mm
3.5.1感应器的结构
感应器由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗和调节螺钉、干簧管等组成。
翻斗式雨量传感器结构图
3.5.2感应器的工作过程
当计量翻斗雨量承积到相当0.1毫米降水时，计量翻斗翻倒，把雨水倒人计数翻斗，使计数翻斗翻动一次。
计数翻斗的中部装有一块小磁钢，磁钢上端有干簧管。
当计数翻斗翻动时，磁钢对干簧管扫描，使干簧接点因磁化而瞬间闭合二次，通过二芯电缆送出一个电路导通信号，传输到数据采集器中的计数器进行计数。
3.5.3变换器
变换器的原理如图，翻斗翻转时的开关讯号送人采集器中的计数器进行计数，每翻转一次，计量0.1毫米雨量。
雨量测量的电原理图
第四章数据采集器
4·1概述
数据采集器主要由一个单片机及信号处理转换电路组成，在功能上可分为接口电路、数据采集、数据处理、数据存储、键盘显示、通信接口等部分；主要完成对传感器出来的各要素信号进行处理、换算为气象信息，供储存、显示、并输入计算机。
4·2数据采集器的结构原理
数据采集器主要由数据采集接口电路、数据处理电路、数据存储电路、键盘显示、通讯接口等部分组成。
4.3数据采集器面板
数据采集器的前面板有按键、数码显示器和指示灯。
数据采集器的后面板主要是由传感器连接电缆插座、电源连接插座等组成。
4.4整机接地要求
若各传感器电缆线一并接入室外转接盒，则转接盒要良好接地，接地电阻应小于5欧。
该接地线不能与避雷接地网联在一起。
室内部分的接地线应接在交流市电的地线上；或者接到打入地下1·5米深的紫铜棒上，接地电阻应小于5欧。
第五章现场故障判断与排除
当自动站出现故障时，只要掌握故障分析和判断的基本原则，按照一定的步骤去排查，则可凭台站人员具备的基础知识和经验，而无需电子方面高深的专业知识和复杂的仪器，即能找到和排除故障。
5.1故障分类
自动站故障的分类可按故障严重程度分、可按故障部位分、可按固障原因分。
但本手册从方便于故障的判断和排除出发，将故障分为以下三类：
1）气象要素测量性能下降。
即一般所说的超差或测量数据严重错误，其特征是自动站正常。
这类故障的判断和排除比较容易，故障原因多半是传感器性能下降引起的。
2）自动站工作不正常。
即自动站无法正常完成采集、计算、存储、显示、输出数据等功能。
这类故障原因较多，判断和排除比较困难。
属于软件方面的，多半是强干扰（雷电等）引起的；属于硬件方面的，多半是电源系统故障引起的。
有时，强雷电能损坏采集器，导致自动站不能正常工作。
3）业务测报遇麻烦。
即使用业务测报软件进行采集编报、数据维护、报表处理时会出现一些小的错误。
5.2故障分析和判断的基本原则
当自动站出现故障时，要冷静对待，不要手忙脚乱，要掌握以下基本原则，仔细分析，进行排查。
5.2.1安全原则
注意，发现故障时，除非危及人身安全或设备财产，一般不要关电源。
因为有些故障在关开电源后不能复现，既无法再分析和排除故障。
需要插拔电源时，请牢记：
采集器、后备电源、微机、UPS、打印机都与市电相接，插拔电源插头时，千万要注意安全。
只有专业维修人员才能打开带电的自动站各组件。
如果把后备电源的市电插头与市电脱开，用后备电源中的蓄电池向采集器供电，则排查采集器故障时就不会有高压危险。
5.2.2逻辑原则
逻辑原则指依据电源理分析的原则。
例如：
某一气象要素植超差或明显不正常，多半是相应的传感器或连接线路故障，不太可能是采集器产生故障，更不太可能是微机或电源故障造成的。
反之，若采集器显示不正常，出现乱码或面板上的数码管显示的值与轻触键不对应，或数码管有显示而秒闪灯（数码管旁的指示灯）不闪，这多半是采集器故障。
软件引起的故障可用
总“清零”的办法试图解决，总清零无效时，可能是采集器硬件有问题了。
采集器什么显示都没有时，请首先检查电源系统。
要进行充分的分析和列出众多的故障可能性，找出最符合逻辑即最符合电原理的故障原因，从而判断故障部位。
5.2.3分解原则
Ⅱ型站的组件很多，有时分析的结果可能有多个原因和多个组件产生故障，在这种情况下，就要脱开部份连接线，把Ⅱ型站分成几个部分，缩小范围进一步检查分析。
在下列图表中，Ⅱ型自动站的设备组成示意图中，把数据采集器与微机间的信号线脱开、把微机与打印机间的信号线脱开，Ⅱ型自动站就被拆成采集系统、微机系统和打印机三个独立系统。
在微机系统中，把微机和UPS脱开，可分别寻找微机和UPS的故障。
在采集系统中，可以把后备电源脱开，用市电直接对采集器供电，这样就可以在采集器和传感器这个范围内寻找故障。
如果把采集器与传感器一一脱开，则可进一步缩小判断故障的区域，故障部位可被锁定在传感器和连接导线处这一很小的区域内。
例如，有的台站因遭受过雷击而自动站出现多处故障现象，这时，就宜于把自动站分拆成几个人独立功能的小系统，多处故障现象将被分散在几个小系统中，相对独立的因果关系使故障判断变得容易。
5.2.4替代原则
依据电源里进行分析，可大体上分析出故障部位，但没有得到证实。
最简单而又最可信的证实就是用好的组件“替代”坏的组件，此时，故障现象就会消失。
事实上，若故障现象消失，显示“替代”成功，表明分析判断正确，与此同时，维修也就成功。
5.2.5记录原则
要把自动站的故障现象、故障判别和维修过程、维修结果记录在案，这对台站积累经验非常有用。
同时，还应反馈个制造商，制造商将据此提高产品质量。
5.3故障分析和判断的基本方法
5.3.1“替代”的方法
依据电源里图，进行逻辑分析，确定故障部位。
用好的组件替代“坏”的组件，若故障现象消失，显示“替代”成功，表明分析判断正确
5.3.2测量的方法
如果台站没有备用组件，此时，可用万用电表测量电参数，分析判断出可能故障的组件，然后再联系有关部门进行维修。
测量电参数时，一般是用万用表，请注意万用表的档、量程和极性，还请注意，万用表的测笔较粗，操作稍有不当，单笔同时触及两个“点”时，便可导致印制板线路短路。
●各种温度传感器信号（断电测量）
温度信号电阻计算方法：
R=R0＋0.3909×T＋R线（其中R0＝100Ω T：
为现在温度值 R线：
为线电阻（10Ω左右）
（一）气温传感器
1、判断信号是否断裂或损坏
测量标有“＊”端子之间的电阻值小于10Ω（在传感器内“－”端和“R”、“＊”端和“＋”端分别是连接在一起的，这样测得的是两根线电阻之和，若大于10Ω或不通，则可能线断或损坏）测量标有“－”端子和标有“R”端子之间的电阻值小于10Ω（同前面一样，测得的是另两根线电阻之和，若大于10Ω或不通，则可能线断或损坏）
2、判断传感器是否损坏
测量标有“＋”端子和“－”端子之间的电阻值是否在正常范围内（电阻在80－120Ω为正常），测量线路板上9芯电缆接线端子1脚与3脚（或2脚与4脚）间电阻值是否在正常范围内（电阻在80－120Ω为正常）
采集器
传感器
1
1
2
2
3
3
4
4
13
5
14
6
16
7，8
其中传感器端的1、2、3、4端为温度传感器的4端，5端位湿度的电源输入（12V）、6端为湿度传感器的信号端，7、8端为信号地。
（二）地温传感器
打开室外信号转接箱在线路板上找到相应的标志有传感器（在每支传感器5根线接线处标有标志，如D40表示40Cm地温）
1、判
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