六要素自动站技术方案.doc

技术方案

六要素自动站技术方案
区域自动气象站详细描述
1、概述
现代化综合性气象观测自动化进行设计，它覆盖了大部分目前能够实现自动观测的气象观测要素，观测范围包括基本或常规气象要素、特种气象要素等，目标是建成国内领先、跟踪国际先进水平的现代化、综合性地面气象观测场。
为保证地面气象观测的长期稳定和测量的准确度，本系统所使用的硬件设备均为我公司定型产品或成熟使用产品。
地面气象观测业务是一个不断变化的过程，系统充分考虑了业务发展的需要；系统在功能设计时必须考虑为业务的变化留有余地。系统必须具有较强的可扩展性和对需求变化的自适应能力，以适应业务管理内容和工作流程变化造成的系统需求的变化。
2系统组成
2.1 系统拓扑图

3 ZQZ-CⅡ-S自动气象站产品详细描述
3.1 概述
ZQZ—CⅡ-S型自动气象站是经中国气象局组织研制并设计定型的自动气象站。其中区域自动气象站是该系列自动气象站中的经济型版本；该设备整体为野外型设计；可观测的气象要素有：风向、风速、温度、湿度、气压和雨量。系统组成见下图：

3.2 应用领域
单站或组网应用于交通运输、港口、气象、机场、环境监测、军事、农林、水文、大型工程和科教等领域。
3.3 技术特点
1、 拥有自主知识产权的自动气象站采集器设计技术，在中国气象局历次考核中均名列第一，其稳定性和可靠性得到充分验证。
2、 在电子线路方面采用了防雷、噪声抑止等多种抗干扰措施，在其他硬件和软件设计方面采用了降额设计、电磁兼容设计、野值剔除和堆栈处理等多种可靠性设计技术，通过完善的可靠性设计使自动站可靠性有了长足进步。
3、 具有远程诊断功能，可以对自动站运行状况和数据质量进行远程监控和诊断，发现自动站可能存在或潜在的问题并及时提供解决方案。
4、 具有多种供电方式：如交流、太阳能及其它直流方式等。
5、 具有多种本地和远程通信方式，远程通信可选用有线（PSTN、ADSL、X.25等）或无线（GSM、GPRS、CDMA1X、DCP等）等方式。
3.4主要技术指标
1、测量指标
气象要素
测量范围
分辨率
计量准确度和观测不确定度
采集
速率
计算平均时间
检定
周期
气温
-50～+50℃
0.1℃
±0.2℃
6次/分
1'
1次/1年
风向
0～360°
3°
±5 °
60次/分
3"，2'，10'
1次/2年
风速
0～60m/s
0.1m/s
±(0.3+0.03V)m/s
60次/分
降水量
雨强：　　 0～4mm/分
0.1mm
≤10mm:±0.4mm
＞10mm:±4％
连续
连续
1次/2年
湿度
0～100％RH
1%RH
3％RH（≤80%RH）; 5%RH(＞80%RH)
6次/分
1'
1次/1年
气压
400～1100hpa
0.1hpa
±0.3hpa
6次/分
1'
1次/1年
注：①资料的缺测率和粗差率小于1％。
　　 ②风向风速的其它指标：
启动风速　　距离常数 　　阻尼比　　抗风强度
　风向 <0.5m/s <2m >0.4 75m/s
　 风速 <0.5m/s <5m / 75m/s
2、可靠性:
本设备的平均无故障工作时间不少于5000小时, 有数据质量监控、自检、诊断功能，具有长期稳定的工作状态。
3、安全性：符合GB/T6587.7对Ⅰ类安全仪器的规定
4、可维修性：真正积木式结构，各组成单元具有任意互换性；
5、使用环境条件:
室外条件:
温 度: -50℃～+60℃
相对湿度:0～100% (在降水条件（含固态和液态）下正常使用)
抗 风: 75m/s
自带避雷装置
防腐蚀、抗干扰、安全
防水等级：IP65级
雷击试验：选择的试验波形为1.2/50μs，峰值为2kV；
6、时钟走时精度: 月累计误差≤15秒。
7、通信方式：可直接用标准RS-232/485接口传输数据，也可通过GPRS/CDMA传输数据。
8、高智能数据采集器
ZQZ-CⅡ-S六要素区域自动气象站配备了ZQZ-F型高智能数据采集器作为核心；该采集器采用uc/os操作系统；预留多个备用接口，应用更灵活。
特点：
※ 32位操作系统；
※ 24位高精度模-数转换；
※ 自持式高精度实时时钟；月误差小于15s；支持GPS授时。
※ 双重信号通道保护。
※ 为保证准确测量，在时间和温度变化时，系统自标定
※ 以文件方式存储观测记录
※ 8M工业级闪存，支持掉电保护功；
※ 状态监测：主板温度测量、工作电压监测；

可连接的传感器和外围设备：
※ 模拟通道: 2路Pt100温度传感器，1路湿度传感器，1路模拟输出风向传感器和1路模拟输出风速传感器。
※ 脉冲通道: 1路雨量传感器、1路脉冲风速传感器
※ 数字I/O端口: 1路（7个端口）七位格雷码风向传感器
※ 智能接口：4个RS-232接口；可接入气压、能见度、光学雨量等智能传感器；同时支持本地和远程通讯。
※ 激励选择：提供恒流源或者电源输出2种输出方式

3.5 传感器性能描述
3.5.1 空气温湿度传感器

HMP45D温湿度传感器是由VAISALA公司生产，对于长期使用、无人值守的空气温湿度测量是较为理想的选择。传感器接口简易方便，便于维护。每个探头在出厂时都配有符合国际标准的校准证书。探头使用醋酸纤维素的聚合物薄膜电容作为湿度传感器，薄膜铂电阻作为温度传感器。
技术指标
相对湿度
量程 0.8⋯100%RH
对应模拟输出 0－100％RH 等于0－1VDC
＋20℃时的精度 （包括非线性和滞后）
工厂参数校准 ±1％RH
外场参数校准 ±2％RH （0⋯90%RH）
±3％RH 90⋯100%RH）
长期稳定性 <1%RH/年
温度系数 ±0.05%RH/℃
预热时间 （90％） ＋20℃时 15 秒 （带过滤膜HUMICAP®探头）
温度
量程 -40⋯+60℃
输出信号 四芯电阻测量
温度传感器 Pt 100 IEC 751 1/3 Class B
一般性技术指标：操作温度范围 -40⋯+60℃；存储温度范围 -40⋯+80℃；电压 7⋯35 VDC；复位时间 500ms；功耗 <4 mA；输出负荷 >10000 欧姆(接地）；重量 350 克（带包装）；电缆长度 3.5m；机壳材料 ABS 塑料；机壳等级（电子） IP65（NEMA 4）；传感器保护 常规 过滤膜
3.5.2 雨量传感器

SL3雨量传感器用来测量地面降雨量。翻斗式雨量计由集水器、翻斗、调节螺钉、干簧管等构成。在测量过程中，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

承水口径 Φ200mm
环境温度 0~+60℃
强度 <4mm/min
分辨率 0.1 mm
输出 1脉冲=0.1mm
测量范围 0～999.9mm
精度 ≤10mm:±0.4mm ＞10mm:±4％
采样速率 有雨即采

3.5.3 气压传感器
概述
PTB220是完全补偿的数字气压表，具有较宽的工作温度和气压测量范围。感应元件采用VISALA研制的硅电容压力传感器BAROCAP。BAROCAP具有很好的滞后性和重复性及温度特性、长期稳定性。
PTB220的工作原理是基于一个先进的RC振荡电路和三个参考电容，并且电容压力传感器及电容温度传感器连续测量。微处理器自动进行压力线性补偿及温度补偿。
PTB220在全量程范围内有7个温度调整点，每个温度点有6个全量程压力调整点。所有的调整参数都存储在EEPROM中，用户不可改变出厂设置。
用户可进行多种使用设置，如：串行总线、平均时间、输出间隔、输出格式、显示格式、错误信息、压力单位、压力分辨率；甚至可以选择不同的上电数据传输模式，如：RUN、STOP、SEND模式。
PTB220有三种输出方式：软件可设的RS232串行输出；TTL电平输出；模拟（电压、电流）输出、脉冲输出。
PTB220有两种低功耗工作方式：软件可控的睡眠模式；外部激励触发模式。
技术参数
类型 气压传感器PTB220
测量范围 500~1100 hPa；工作温度 -40 oC~+60 oC
工作湿度 不凝结； 存储温度 -60 oC~+60 oC
分辨率 0.1 hPa
精度 ±0.3 hPa
分辨率 0.1 hPa
初始化 1s
响应 300ms
电源 10~30VDC
3.5.4 风向风速传感器
ZQZ—TF型测风传感器由风速传感器和风向传感器组成。风杯由特种工程塑料注塑成型。风向标尾翼板用质量轻、强度高、刚性好在高温高压条件下成型的非金属材料制造。
传感器壳体采用防锈材料制造，提高了防腐性能。轴承防尘结构进行了特殊设计，较大提高了防尘效果。并获国家实用新型专利权。具有动态特性好、线性好、精度高、灵敏度高、抗风强度大、测量范围宽、互换性好、电路寿命长、工作可靠、抗雷电干扰能力强等多种优良性能。

风传感器关键技术和创新点
1. 创新地采用二极迷宫式防尘结构，大大改善了传感器的防尘效果，延长了轴承清洗维护周期，该创新设计已获得国家专利授权（专利号：ZL 2005 2 0069693.6）。轴承清洗周期可延长一倍左右。
2. 对风杯尺寸进行优化设计，提高了测量精度和抗风强度。测量准确度从±(0.3+0.03v)m/s提高到了优于±(0.3+0.02v)m/s，经国家气象计量鉴定站测试可以达到±(0.3+0.01v)m/s。(全量程)
3. 对风向标进行强化设计，提高了抗风强度。对风向标杆长度和重量匹配进行优化设计，采用特殊技术对风向标杆进行加强，提高了抗风强度。目前该技术已获得国家专利授权（专利号：ZL 2005 2 0069692.1）。
4. 从材料、结构和工艺等多个方面进行耐腐蚀设计，大大提高了传感器的耐腐蚀能力，使其适用于海岛环境。对暴露在大气中的传感器零部件在材料选用、表面处理和结构设计等方面都给予了特殊考虑。材料选用①不锈钢；②铜件表面镀镍铬；③防锈铝表面阳极氧化后再进行封闭处理，外表面再喷涂耐侯塑料；④工程塑料具有强度高、刚性好、弹性好、耐老化、耐高低温、耐酸碱盐等优点；⑤传感器下壳体与支架的固定螺钉镶嵌不锈钢螺纹套。
5. 改善防雷设计，加装性能更优的防雷器件，提高了防雷性能。
6. 对传统的格雷码盘的角度进行多处修正，使其不易错码，易于装配、调试。
7. 风向传感器的发光二极管和光电三极管选用光谱特性更为匹配的器件，进一步提高了使用 可靠性。
8. 在结构设计时采用多种措施，提高了传感器承受向上垂直风力的强度。

风传感器技术指标
项目
风速
风向
起动风速
≤0.5m/s
≤0.5m/s
测量范围
0～75m/s
0～360°
准确度
±(0.3+0.01v)m/s全量程
±2.5°
分辨力
0.1m/s
2.5/模拟量时取决于采集器
距离常数
≤2.5m
/
阻尼比
/
≥0.4
输出信号形式
脉冲频率
七位格雷码/模拟量
最大回转半径
107mm
410mm
重量
0.64Kg
0.94Kg
最大高度
267mm
349mm
抗风强度
＞75m/s
＞75m/s
工作电压
直流5V（12V可选）
直流5V（12V可选）
环境温度
-40～+55℃
-40～+55℃
环境湿度
0～100%RH
0～100%RH

江苏省无线电科学研究所有限公司