稱重式降水自動觀測儀構(gòu)件分析

吳迪　苑敬唯

摘要：稱重式固態(tài)降水自動觀測儀可以作為單獨的傳感器掛接在自動氣象站上又可以作為觀測儀獨立使用，使觀測結(jié)果客觀化、觀測資料連續(xù)化，減少臺站觀測人員的工作量，進一步提高觀測質(zhì)量和觀測效率，為公眾提供更多有價值的氣象信息和觀測產(chǎn)品。為完成上訴需求，稱重式固態(tài)降水自動觀測儀的構(gòu)件選擇是設(shè)計該儀器的關(guān)鍵，本文根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)行標準，對構(gòu)件的選擇進行合理分析。

關(guān)鍵詞：固體降水 自動化 儀器 構(gòu)件選擇分析

1.1概述

稱重式自動雨量觀測儀的設(shè)計原理基于負載測量技術(shù)，由硬件和軟件組成。硬件分為傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信控制單元、電源控制單元和外圍元件五部分，結(jié)構(gòu)特點是可以與計算機終端連接，形成一個固體降水測量系統(tǒng)，也可作為固態(tài)降水傳感器掛接在其他采集系統(tǒng)中，設(shè)備組成如圖1所示。

1.2傳感器

傳感器是觀測儀的重要組成部分，由大容量高穩(wěn)定的載荷元件和內(nèi)桶組成，載荷元件是傳感器的核心，通過對固態(tài)降水的快速響應(yīng)測量。傳感器溫度補償和數(shù)字濾波技術(shù)等技術(shù)達到全量程范圍內(nèi)的固體降水準確測量。

1.2.1載荷元件

根據(jù)載荷元件的測量原理、降水測量技術(shù)的類型來區(qū)分，主要有兩種，一種是基于電阻應(yīng)變計測量技術(shù)：敏感梁在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，在其表面的電阻應(yīng)變片粘貼也伴隨著變形，電阻應(yīng)變片變形，它的電阻會發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測量電路的電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，然后把重量；另一個是弦振動的技術(shù)：字符串是一個彈性元件，根據(jù)重量和振動頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，通過相應(yīng)的測量電路得到重量。

1.2.2內(nèi)桶

內(nèi)桶用于盛裝防凍液、防蒸發(fā)油和收集降水量，容器被安裝在載荷元件上，可容納的累積降水量（含防凍液、防蒸發(fā)油等）不小于400mm，為方便清空容器內(nèi)液體，必須配有輔助排水裝置。

1.3數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元是稱重式沉淀自動觀測儀的關(guān)鍵部分。它由高性能處理器、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、高精度時鐘電路、高容量程序（數(shù)據(jù)）存儲器、接口、控制電路等部分組成。它的主要功能是負責稱重傳感器的電氣信號，完成傳感器信號的采樣，并對采樣值進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理，存儲，數(shù)據(jù)通信和傳輸。

數(shù)據(jù)處理單元滿足當前氣象業(yè)務(wù)對脈沖輸出的要求，接入到現(xiàn)有的自動氣象站，也符合智能氣象傳感器輸出數(shù)字信號的發(fā)展趨勢，并接入到二代自動氣象站或計算機終端。因此，稱重式降水自動觀測儀器應(yīng)具有RS232（或RS485）通訊接口和脈沖輸出接口。

1.4通信控制單元

通信控制單元負責將數(shù)據(jù)采集單元的觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)進行打包整理和校驗，按照設(shè)置的方式進行傳輸。

1.5供電控制單元

供電控制單元負責為系統(tǒng)提供工作電源，通常使用蓄電池供電（直流12V），可使用交流或太陽能（風能等）對蓄電池進行充電。

1.6外圍組件

其它相關(guān)硬件（承水口、外桶、底座組建、防風圈等）統(tǒng)稱為外圍組件。

1.6.1承水口

稱重降水自動觀測儀器使用的承水口設(shè)計應(yīng)符合氣象觀測相關(guān)規(guī)定，唇上鑲有直、斜刃形銅環(huán)，以防雨滴濺失和桶口變形，保證承水口采樣面積。為了防止在冰雪覆蓋時結(jié)冰，應(yīng)具有防凍功能。

根據(jù)我國現(xiàn)有的氣象部門雨量觀測服務(wù)和參考世界氣象組織的雨量傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)，承水口應(yīng)采用銅（或不銹鋼）材料、形狀為直徑200mm的圓。

1.6.2外桶

外桶裝于底座之上，主要對承水口起支撐作用，同時保護傳感器等部件免受雨雪天氣因素的侵擾，保證其在野外環(huán)境下正常工作。外桶設(shè)計外形呈"凸"字型，具有上部窄下部寬特點，內(nèi)桶與外桶應(yīng)保持合理間隙，防止兩者凍結(jié)影響觀測精度，這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)可起到防風、減少蒸發(fā)和增加降水捕獲量的功能。

外桶應(yīng)采用不銹鋼（或鋁合金）材料制作，噴涂白色防銹漆，設(shè)計高度為780mm，上部內(nèi)徑為200mm，下部內(nèi)徑為400mm，折角為45°。

1.6.3底座組件

底座組件包括基座、法蘭盤、預埋件和螺栓螺母等。基座為圓柱體，高度約為650mm，柱體外徑約為200mm，使用不銹鋼等材料制作，表面進行必要的防銹和耐腐蝕涂層處理，通過預埋件直接安裝在混凝土基座（戓基礎(chǔ)）上；法蘭盤安裝在底座支架和外桶之間，高度約為50mm，通過調(diào)平螺栓可以調(diào)節(jié)儀器的水平度。

1.6.4防風圈

防風圈是增大降雪捕獲率的重要設(shè)備，目前國內(nèi)外的固體降水觀測儀器都配備有防風圈，主要有Nipher（加拿大）、Wyoming（美國）、Alter（美國）、Tretyakov（俄羅斯、蒙古）、Hellmann（格陵蘭、丹麥、德國）等多種形式的防風圈，目的都是為了減少風對降雪測量的影響。我國水利部門在吸收Tretyakov防風圈的結(jié)構(gòu)外形后加以改進，制作出F-86型防風圈在水利部門推廣使用。世界氣象組織推薦使用DFIR （Double Fence Intercomparison Reference，雙柵式比對標準）作為固體降水儀器外場比對標準，美國基準氣候觀測網(wǎng)（USCRN）使用雙層Alter防風圈作為固體降水儀器防風圈。

建議安裝使用固體降水測量儀器時，配備安裝Tretyakov型防風圈，防風圈安裝高度1.5米（略高于觀測儀承水口），表面噴涂防腐蝕、防氧化材料灰色涂層。防風圈應(yīng)獨立預埋基礎(chǔ)，與觀測儀分開安裝。

參考文獻

[1]降水觀測儀器和測量方法改進方案的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009（16）.

[2]稱重式降水傳感器的算法[C].節(jié)能減排戰(zhàn)略與測控技術(shù)發(fā)展學術(shù)研討會，2011.