董立亭，王 強(qiáng)，曹凱明

(貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，貴州省至今已有85個(gè)國家級臺站、10個(gè)無人自動(dòng)氣象站及若干六要素站等自動(dòng)氣象站投入氣象觀測業(yè)務(wù)。預(yù)計(jì)在“十二五”末期將在全省的國家級臺站完成新型自動(dòng)氣象站的建設(shè)?！半p套站”建設(shè)完成后將取消人工觀測，使我省自動(dòng)化業(yè)務(wù)觀測水平大幅提高。根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程和中國氣象局對自動(dòng)氣象站的管理要求，必須對自動(dòng)氣象站進(jìn)行周期性檢定。由于上述自動(dòng)氣象站均配有濕度傳感器，這給計(jì)量檢定工作能力提出了新的要求。近幾年來，對濕度傳感器的檢定工作很大程度上仍然停留在人工檢定階段，這種檢定方法不僅耗時(shí)，而且檢定效率低。為改變這一狀況，提高檢定效率，開發(fā)了多路自動(dòng)站濕度傳感器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)24路濕度傳感器的批量數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，提高了濕度傳感器的檢定效率和準(zhǔn)確度，適應(yīng)了自動(dòng)氣象站建設(shè)發(fā)展的需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊組成。

貴州省使用的濕度傳感器均為Vaisala公司的HMP45D及HMP155D(新型站)，其輸出的0～1 V電壓對應(yīng)于0%～100%RH的相對濕度［1］，為達(dá)到對濕度值的高精度采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用了24位A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)采集方式采用的是并行數(shù)據(jù)采集方法，同時(shí)采集24路濕度傳感器和1路濕度標(biāo)準(zhǔn)器信號，并行數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)點(diǎn)是可以將待測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器的信號同步采集，從而使結(jié)果能真實(shí)的反應(yīng)待測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器在同一濕度環(huán)境下同一時(shí)刻的值，這與以往靠人工讀取及抄錄數(shù)據(jù)相比，不僅提高了效率，而且消除了人工讀數(shù)帶來的誤差。

2.1 系統(tǒng)硬件組成及檢定工作流程

系統(tǒng)硬件部分由省級氣象計(jì)量檢定所(站)配備的DJM-10型濕度發(fā)生系統(tǒng)、多路專用采集器、二等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字干濕表和PC計(jì)算機(jī)等組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)全程采用信號數(shù)字化和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化處理，以專用采集器為核心，檢定人員在每次檢定開始時(shí)錄入待檢傳感器型號及編號，啟動(dòng)濕度發(fā)生系統(tǒng)開始工作，當(dāng)檢定箱內(nèi)的相對濕度達(dá)到預(yù)設(shè)的檢定點(diǎn)并穩(wěn)定后，采集器采集各路傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器的信號。

濕度檢定箱內(nèi)的狀態(tài)是通過對箱體內(nèi)波動(dòng)度的綜合計(jì)算來判斷的，具體方法是:將箱體內(nèi)空間平分為上、中、下3層，每層布設(shè)測點(diǎn)1個(gè)。其中中層測點(diǎn)位于平面中央，上層和下層測點(diǎn)分別位于平面的左下角(或右下角 )和右上角(或左角)，但其距離檢定箱內(nèi)壁應(yīng)大于箱邊長的1/10，每個(gè)測點(diǎn)放置標(biāo)準(zhǔn)濕度傳感器1個(gè)。啟動(dòng)檢定箱開始工作，設(shè)定濕度值后，采集器開始采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)，采集頻率為3 min內(nèi)，每隔5 s采集1次數(shù)據(jù)。這樣可以得到檢定箱在某濕度測量點(diǎn)，各測點(diǎn)位置3 min內(nèi)的波動(dòng)度:

式中:TOMax為同一濕度測量點(diǎn)箱內(nèi)同一位置3 min內(nèi)測得最大值，TOMin為同一濕度測量點(diǎn)箱內(nèi)同一位置3 min內(nèi)測得最小值。

根據(jù)(1)式計(jì)算出某一設(shè)定濕度值下檢定箱內(nèi)工作區(qū)域濕度的波動(dòng)度:

式中，△TOi為第i位置測點(diǎn)3 min內(nèi)讀數(shù)的最大波動(dòng)度，n為箱內(nèi)各位置的測點(diǎn)數(shù)。當(dāng)△Ta的值在檢定規(guī)程所要求的范圍內(nèi)并保持10 min后，采集器才會采集待檢傳感器數(shù)據(jù)，否則不采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過采集器處理后，存儲在采集器的存儲器中。采集器支持以太網(wǎng)接口的通信方式，因此本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以通過局域網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)采集器，遠(yuǎn)程導(dǎo)出檢定數(shù)據(jù)，錄入相應(yīng)的計(jì)算模板后自動(dòng)計(jì)算出記錄結(jié)果并出具檢定證書。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集程序是自動(dòng)檢定系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)濕度檢定規(guī)程的要求，編寫采集程序并植入采集器中。算法流程是:當(dāng)濕度發(fā)生裝置箱體內(nèi)達(dá)到設(shè)定值并且穩(wěn)定后，開始檢定，檢定時(shí)每30 s采集一次被檢濕度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器的值，共讀取3次作為該傳感器檢定數(shù)據(jù)。一個(gè)檢定點(diǎn)檢定完畢，緊接著調(diào)整下一個(gè)檢定點(diǎn)，濕度檢定點(diǎn)及順序?yàn)?0%、40%、55%、75%、95%RH，做完后再從高濕逐點(diǎn)降至低濕，完成整個(gè)檢定過程［2］。

在實(shí)際工作中由于每次進(jìn)行檢定都分不同批次進(jìn)行，較難區(qū)分存儲在采集器內(nèi)的數(shù)據(jù)具體為哪一批次的，為克服這一問題，在算法中設(shè)計(jì)每一組檢定數(shù)據(jù)在采集時(shí)均返回一個(gè)時(shí)間戳，這樣就可以根據(jù)采集時(shí)間信息來區(qū)分不同批次檢定的傳感器數(shù)據(jù)，方便工作人員查詢和調(diào)取數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2.3 檢定數(shù)據(jù)處理及計(jì)算

對檢定產(chǎn)生數(shù)據(jù)的處理，就必須分析誤差的產(chǎn)生:由于該系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)誤差來源主要有兩部分:整套檢定系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和傳感器誤差［3］。其中系統(tǒng)誤差包括標(biāo)準(zhǔn)器誤差和采集器通道誤差。誤差可用如下公式計(jì)算:

式中:hi為第i通道被校濕度傳感器的數(shù)值;cn為采集器第n通道的通道修正值;由于采用的是高精度6位半數(shù)據(jù)采集器，此項(xiàng)值遠(yuǎn)小于誤差，故近似為零;hb為濕度標(biāo)準(zhǔn)器的值;xt為濕度標(biāo)準(zhǔn)器的修正值。標(biāo)準(zhǔn)器的誤差可以從標(biāo)準(zhǔn)器的檢定證書中得到，根據(jù)濕度傳感器的檢定數(shù)據(jù)可以自動(dòng)計(jì)算求出該傳感器的最大誤差△hnmax。濕度檢定規(guī)程中規(guī)定濕度傳感器的合格范圍:

±4%RH(＜80%RH 時(shí));

±8%RH(≥80%RH 時(shí))。

這樣在檢定計(jì)算模板中設(shè)置判斷條件，自動(dòng)判斷傳感器合格與否，并為合格傳感器出具檢定證書。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合中國氣象局濕度檢定規(guī)程的相關(guān)要求，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對多路濕度傳感器的自動(dòng)化檢定，解決了貴州省室內(nèi)檢定自動(dòng)氣象站濕度傳感器的自動(dòng)化問題，已在全省室內(nèi)檢定自動(dòng)氣象站濕度傳感器中投入使用，取代了以往人工錄入和計(jì)算的工作，提高了檢定的準(zhǔn)確性和工作效率。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用方便，減輕檢定人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

［1］中國氣象局.II型自動(dòng)氣象站行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:氣象出版社，2000.

［2］孟憲羅，武愛春，盛高山.多路氣象用鉑電阻溫度傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)［J］.氣象海洋水文儀器，2010，1:18-20.