自动气象站检定与维护实验课程建设探讨

黄建松

摘 要：自动气象站计量检定和日常维护是当前气象观测业务的重要工作。文章综合评估实际需求和投资效益，将自动气象站检定与维护实验课程项目分为维护维修、检定校准、虚拟仿真三种类型。设计了一组实验项目，分析所需的硬件和软件环境。通过一个雨量传感器检定实验实例说明开展自动气象站检定实验流程，并且以温度传感器维护实验为例说明自动气象站维护实验过程。

关键词：自动气象站；检定；实验项目设计

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-000X（2017）17-0092-03

Abstract： Metrological verification and routine maintenance of Automatic weather station are important tasks in current meteorological observation service. This paper comprehensively evaluates actual demand and investment benefits， and divides the automatic weather station verification and maintenance experimental course into maintenance， verification， virtual simulation of three types. A set of experimental items is designed to analyze the required hardware and software environment. The experimental process of automatic weather station verification is illustrated through an experimental example of rain sensor test and the maintenance process of automatic weather station is illustrated by taking the temperature sensor maintenance experiment as an example.

Keywords： automatic weather station； verification； experimental project design

近年来，全国气象监测台站自动化观测业务发展迅速，气象装备保障成为地面气象观测业务的重要工作。气象仪器类型多样，工作原理各有差别。其中自动气象站是观测气象要素和天气现象的基础设备，观测网络布点数量庞大，在综合气象观测系统中具有重要作用。气象仪器随着时间的推移，普遍存在基线漂移现象。这种现象直接影响气象观测数据的准确性。世界气象组织对气象传感器的测量准确度均有明确的技术指标要求。因此，各级气象计量部门建设满足业务要求的标准仪器和检测环境，开展各气象要素室内检定、现场校准业务，执行自动观测仪器的出厂验证测试、使用中按照规定周期检定和现场校准的制度，严格控制各气象要素测量值的误差，确保测量的准确性。自动气象站采用的各类传感器基本建立了气象行业计量检定规程，自动气象站装备保障工作也有相应的技术规范可供参考。基于当前和未来气象观测业务对气象专业人才的实践能力需求，有必要在大气探测专业开设自动气象站检定和维护实验课程。为进一步完善课程资源、提高实践教学质量，本文从实验环境建设、实验项目设计、实验开展流程等方面探讨自动气象站检定与维护实验课程建设路径与实践规划。

一、实验环境建设思路

中国气象局对气象计量保障体系建设提出了明确要求：建立一个多级计量检定、测试、质量监控、备件、维修维护和技术支持的保障体系。[1]气象业务部门建立了气象计量量值傳递系统和计量管理体系。各省级计量检定部门负责全省区域内气象仪器的计量检定工作；各地方气象观测站负责气象仪器的日常维护和现场校准工作。自动气象站主要涉及温度、湿度、气压、风向风速、雨量、太阳辐射等气象参数的测量。目前，省级气象仪器计量检定实验室基本达到国内先进水平，拥有各类气象传感器的计量检定设备和专业的实验环境，投资巨大。某些气象传感器的实验环境（如风传感器）需要的实验场地和条件要求很高。因此，在实验项目设计的过程中考慮教学实验和人才培养的需求，针对各类气象传感器检定实验环境的特点，采用虚实结合的建设方案。风传感器和辐射传感器检定可以利用3D虚拟仿真技术建设虚拟仿真实验平台，模拟风洞和辐射实验环境；温度、湿度、气压、雨量等传感器的检定需要购置专业的检定设备，建设符合业务部门计量检定标准的实验环境。此外，自动气象站日常维护主要涉及自动气象站采集器和各类传感器的测试和维护，因此需要购置自动气象站、传感器及测量设备。通过虚实结合的建设方案，既能完全覆盖自动气象站传感器全要素计量检定的业务要求，又能降低投入经费、解决场地限制问题，在达到实验目标的基础上获得最佳投资效益。

二、实验项目设计

自动气象站维护涉及其结构、原理，需要业务用最新型自动气象站、自动气象站数据采集器、各类传感器、检测电信号的测量仪表以及相关的软件。自动气象站检定涉及检定设备、标准器、测量仪表以及数据处理软件。根据自动气象站日常维护、校准和检定的业务特点，本实验课程可以设置自动气象站维护维修、检定校准和虚拟仿真三类实验。

维护维修类实验可以帮助学生熟悉自动气象站及传感器工作原理，掌握故障检测、维修更换、日常维护等专业技术。检定校准类实验通过符合气象行业标准的实验环境和业务操作流程，培养学生气象传感器计量检定专业技能，提升学生严谨细致的专业素养。虚拟仿真类实验操作流程参照检定标准执行，具有直观形象的特点，可以提高学生的学习兴趣。该类型实验作为实际检定实验的补充，能够完善气象传感器检定实验教学体系。

三、检定实验实例

开展自动气象站计量检定工作主要依据中国气象局部门计量检定规程。只有符合气象传感器计量检定规程要求的检定结果才合法有效。下面以自动气象站雨量传感器检定为例说明检定实验条件和实验过程。

自动气象站雨量传感器检定选用自动加液、速度和体积可调的加液器作为标准器。标准器容积通常？芏314mL。检定过程需要天津气象仪器厂制造的JJS3型雨量检测系统，由控制部分、操作部分、给水系统组成。数据采集采用6位半多通道数据采集器测量雨量计翻斗翻动次数，频率测量范围为3Hz～500kHz。

检定项目包括外观检查和示值误差检定。

实验步骤1：实验开始首先检查雨量传感器外观，观察传感器外形是否正常，有无损坏、变形、铭牌信息不清晰等现象。查看雨量计内部滤网、翻斗、干簧管等部件的情况。如有外观和物理性损坏，即可判定外观检查不符合要求，雨量传感器检定不合格。如果外观检查正常，进一步开展示值误差检定，其检定过程按照如图1所示流程进行。[2]

实验步骤2：准备检定实验条件。手动检测操作是通过加液器和数据采集器实现。连接加液器的进、出水管路，将数据采集器与被检雨量传感器相连，根据被检传感器承水口面积将雨强、雨量通过加液器键盘分别输入到加液器主机。

实验步骤3：选择检定参数。根据检定标准，选择10mm降雨量，1mm/min和4mm/min两种降水强度。可以根据实际需要进行30mm降雨量的检定。

实验步骤4：采集雨量检定数据。将被检雨量传感器安装在JJS3检定设备的检测台上，将自动加液器的导水管置入雨量传感器的承水口。设置好自动加液器工作参数，启动检测系统开关，加液器主机按设定好的参数和标准程序运行，数据采集器自动记录雨量传感器翻斗的翻动次数。一次加液过程结束后，记录数据采集器的计数值。检定实验在1mm/min和4mm/min 两种降水强度情况下，分别检测10mm和30mm两种降雨量。因此示值误差检定过程至少采集4组雨量检定数据。

实验步骤5：计算示值误差。根据4组实验数据，计算测量值和标准值之间的差值并记录。

实验步骤6：处理检定结果。根据检定要求，在两种雨强条件下，被检雨量传感器在10mm降雨量时的测量误差均不超过±0.3mm视为合格；在两种雨强条件下，被检雨量传感器在30mm降雨量时的测量误差均不超过±4%时视为合格。[2]

四、维护实验实例

自定气象站传感器维护主要参考中国气象局自动气象站技术保障手册和新型自动气象站功能需求来开展实验。本文以自动气象站气温传感器为例来说明温度传感器维护实验的内容。目前自动气象站广泛使用HMP45D温湿度传感器测量气温和相对湿度。HMP45D的引脚信号分布如图2所示。温度传感器维护实验流程如图3所示。

实验过程首先在Multisim软件环境下建立四线制温度测量电路，仿真各级电路信号。然后使用示波器测试PT100四线制测温电路各节点信号，特别是测温电路输出端的电压信号。根据电压信号换算成温度是与实际温度对比。

PT100传感器故障检测实验主要模拟PT100测量值超差的情况下，查明故障原因。通常用模拟器对自动气象站数据采集器的温度通道进行检测，排除采集器故障。然后用万用表电阻档测量PT100的阻值，正常情况下阻值在80～120Ω之间；检查PT100同一侧两根引出线的电阻值，正常情况下阻值在1～8Ω之间。如果不在以上阻值范围，在排除接触不良的情况下可以认为温度传感器损坏，应该予以更换。

温度传感器的维护实验需要注意百叶箱和防护罩的维护。考虑到维护过程尽可能不影响传感器实时测量温度，因此掉落在百葉箱上的灰尘和污染物只能用湿布擦拭或毛刷刷拭，不能直接水洗。维护过程中，不能将传感器移出百叶箱，以免太阳直接辐射或外部热源影响测量数据。在雪天或有雾凇的天气环境，同样需要小心用毛刷把百叶箱内部、外部和箱体缝隙内的雪和雾凇清理干净。

五、结束语

气象自动化观测技术快速发展要求我们持续关注业务发展的新进展，建設符合业务需求的实践教学环境，研究开发实践教学资源。随着新型自动气象站在业务部门推广使用，更多类型的气象传感器接入自动气象站统一采集处理。自动气象站检定和维护实验课程在以后的教学实践过程中，还需不断优化完善实验项目和实验内容，提高学生专业实践能力。

参考文献：

[1]张建敏，罗昶，吕文华.气象计量测试指南[M].中国质检出版社，2011.

[2]自动气象站降水传感器检定规程JJG[Z].（气象）005-2011.

[3]杨波，李文博，张昆.HMP45D与HMP155A温湿度传感器温度特性对比[J].气象科技，2005（03）.

[4]MATLAB与Origin数据传递在气象数据分析中的应用[J].高教学刊，2015（19）：265-266.