多路自动气象站湿度传感器检定系统设计

董立亭，王 强，曹凯明

(贵州省大气探测技术与保障中心，贵州 贵阳 550002)

1 引言

随着气象现代化建设的快速发展，贵州省至今已有85个国家级台站、10个无人自动气象站及若干六要素站等自动气象站投入气象观测业务。预计在“十二五”末期将在全省的国家级台站完成新型自动气象站的建设。“双套站”建设完成后将取消人工观测，使我省自动化业务观测水平大幅提高。根据国家计量检定规程和中国气象局对自动气象站的管理要求，必须对自动气象站进行周期性检定。由于上述自动气象站均配有湿度传感器，这给计量检定工作能力提出了新的要求。近几年来，对湿度传感器的检定工作很大程度上仍然停留在人工检定阶段，这种检定方法不仅耗时，而且检定效率低。为改变这一状况，提高检定效率，开发了多路自动站湿度传感器数据采集处理系统，能实现24路湿度传感器的批量数据采集及数据处理，提高了湿度传感器的检定效率和准确度，适应了自动气象站建设发展的需要。

2 系统结构及功能

系统主要由数据采集和数据处理模块组成。

贵州省使用的湿度传感器均为Vaisala公司的HMP45D及HMP155D(新型站)，其输出的0～1 V电压对应于0%～100%RH的相对湿度［1］，为达到对湿度值的高精度采集，数据采集系统中使用了24位A/D转换器，数据采集方式采用的是并行数据采集方法，同时采集24路湿度传感器和1路湿度标准器信号，并行数据采集方法的优点是可以将待测传感器和标准器的信号同步采集，从而使结果能真实的反应待测传感器和标准器在同一湿度环境下同一时刻的值，这与以往靠人工读取及抄录数据相比，不仅提高了效率，而且消除了人工读数带来的误差。

2.1 系统硬件组成及检定工作流程

系统硬件部分由省级气象计量检定所(站)配备的DJM-10型湿度发生系统、多路专用采集器、二等标准数字干湿表和PC计算机等组成。系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

系统全程采用信号数字化和数据网络化处理，以专用采集器为核心，检定人员在每次检定开始时录入待检传感器型号及编号，启动湿度发生系统开始工作，当检定箱内的相对湿度达到预设的检定点并稳定后，采集器采集各路传感器和标准器的信号。

湿度检定箱内的状态是通过对箱体内波动度的综合计算来判断的，具体方法是:将箱体内空间平分为上、中、下3层，每层布设测点1个。其中中层测点位于平面中央，上层和下层测点分别位于平面的左下角(或右下角 )和右上角(或左角)，但其距离检定箱内壁应大于箱边长的1/10，每个测点放置标准湿度传感器1个。启动检定箱开始工作，设定湿度值后，采集器开始采集标准传感器数据，采集频率为3 min内，每隔5 s采集1次数据。这样可以得到检定箱在某湿度测量点，各测点位置3 min内的波动度:

式中:TOMax为同一湿度测量点箱内同一位置3 min内测得最大值，TOMin为同一湿度测量点箱内同一位置3 min内测得最小值。

根据(1)式计算出某一设定湿度值下检定箱内工作区域湿度的波动度:

式中，△TOi为第i位置测点3 min内读数的最大波动度，n为箱内各位置的测点数。当△Ta的值在检定规程所要求的范围内并保持10 min后，采集器才会采集待检传感器数据，否则不采集。采集的数据经过采集器处理后，存储在采集器的存储器中。采集器支持以太网接口的通信方式，因此本地或远程计算机可以通过局域网访问数据采集器，远程导出检定数据，录入相应的计算模板后自动计算出记录结果并出具检定证书。系统流程图如图2所示。

2.2 数据采集程序的设计

数据采集程序是自动检定系统的核心部分，根据湿度检定规程的要求，编写采集程序并植入采集器中。算法流程是:当湿度发生装置箱体内达到设定值并且稳定后，开始检定，检定时每30 s采集一次被检湿度传感器和标准器的值，共读取3次作为该传感器检定数据。一个检定点检定完毕，紧接着调整下一个检定点，湿度检定点及顺序为30%、40%、55%、75%、95%RH，做完后再从高湿逐点降至低湿，完成整个检定过程［2］。

在实际工作中由于每次进行检定都分不同批次进行，较难区分存储在采集器内的数据具体为哪一批次的，为克服这一问题，在算法中设计每一组检定数据在采集时均返回一个时间戳，这样就可以根据采集时间信息来区分不同批次检定的传感器数据，方便工作人员查询和调取数据。

图2 系统流程图

2.3 检定数据处理及计算

对检定产生数据的处理，就必须分析误差的产生:由于该系统能够自动采集数据，因此数据误差来源主要有两部分:整套检定系统的系统误差和传感器误差［3］。其中系统误差包括标准器误差和采集器通道误差。误差可用如下公式计算:

式中:hi为第i通道被校湿度传感器的数值;cn为采集器第n通道的通道修正值;由于采用的是高精度6位半数据采集器，此项值远小于误差，故近似为零;hb为湿度标准器的值;xt为湿度标准器的修正值。标准器的误差可以从标准器的检定证书中得到，根据湿度传感器的检定数据可以自动计算求出该传感器的最大误差△hnmax。湿度检定规程中规定湿度传感器的合格范围:

±4%RH(＜80%RH 时);

±8%RH(≥80%RH 时)。

这样在检定计算模板中设置判断条件，自动判断传感器合格与否，并为合格传感器出具检定证书。

3 结束语

该系统各项技术指标均符合中国气象局湿度检定规程的相关要求，整套系统实现了对多路湿度传感器的自动化检定，解决了贵州省室内检定自动气象站湿度传感器的自动化问题，已在全省室内检定自动气象站湿度传感器中投入使用，取代了以往人工录入和计算的工作，提高了检定的准确性和工作效率。系统运行稳定可靠，使用方便，减轻检定人员劳动强度。

［1］中国气象局.II型自动气象站行业标准［S］.北京:气象出版社，2000.

［2］孟宪罗，武爱春，盛高山.多路气象用铂电阻温度传感器自动检定系统［J］.气象海洋水文仪器，2010，1:18-20.