吳迪　苑敬唯

摘要：稱重式固態(tài)降水自動(dòng)觀測(cè)儀可以作為單獨(dú)的傳感器掛接在自動(dòng)氣象站上又可以作為觀測(cè)儀獨(dú)立使用，使觀測(cè)結(jié)果客觀化、觀測(cè)資料連續(xù)化，減少臺(tái)站觀測(cè)人員的工作量，進(jìn)一步提高觀測(cè)質(zhì)量和觀測(cè)效率，為公眾提供更多有價(jià)值的氣象信息和觀測(cè)產(chǎn)品。為完成上訴需求，稱重式固態(tài)降水自動(dòng)觀測(cè)儀的構(gòu)件選擇是設(shè)計(jì)該儀器的關(guān)鍵，本文根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)件的選擇進(jìn)行合理分析。

關(guān)鍵詞：固體降水 自動(dòng)化 儀器 構(gòu)件選擇分析

1.1概述

稱重式自動(dòng)雨量觀測(cè)儀的設(shè)計(jì)原理基于負(fù)載測(cè)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(diǎn)是可以與計(jì)算機(jī)終端連接，形成一個(gè)固體降水測(cè)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(cè)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(duì)固態(tài)降水的快速響應(yīng)測(cè)量。傳感器溫度補(bǔ)償和數(shù)字濾波技術(shù)等技術(shù)達(dá)到全量程范圍內(nèi)的固體降水準(zhǔn)確測(cè)量。

1.2.1載荷元件

根據(jù)載荷元件的測(cè)量原理、降水測(cè)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(jì)測(cè)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(huì)發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測(cè)量電路的電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后把重量；另一個(gè)是弦振動(dòng)的技術(shù)：字符串是一個(gè)彈性元件，根據(jù)重量和振動(dòng)頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過相應(yīng)的測(cè)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(dòng)觀測(cè)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(shí)鐘電路、高容量程序（數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)器、接口、控制電路等部分組成。它的主要功能是負(fù)責(zé)稱重傳感器的電氣信號(hào)，完成傳感器信號(hào)的采樣，并對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通信和傳輸。

數(shù)據(jù)處理單元滿足當(dāng)前氣象業(yè)務(wù)對(duì)脈沖輸出的要求，接入到現(xiàn)有的自動(dòng)氣象站，也符合智能氣象傳感器輸出數(shù)字信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)，并接入到二代自動(dòng)氣象站或計(jì)算機(jī)終端。因此，稱重式降水自動(dòng)觀測(cè)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(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集單元的觀測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包整理和校驗(yàn)，按照設(shè)置的方式進(jìn)行傳輸。

1.5供電控制單元

供電控制單元負(fù)責(zé)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(fēng)能等）對(duì)蓄電池進(jìn)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(fēng)圈等）統(tǒng)稱為外圍組件。

1.6.1承水口

稱重降水自動(dòng)觀測(cè)儀器使用的承水口設(shè)計(jì)應(yīng)符合氣象觀測(cè)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(shí)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(cè)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(duì)承水口起支撐作用，同時(shí)保護(hù)傳感器等部件免受雨雪天氣因素的侵?jǐn)_，保證其在野外環(huán)境下正常工作。外桶設(shè)計(jì)外形呈"凸"字型，具有上部窄下部寬特點(diǎn)，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(cè)精度，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可起到防風(fēng)、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(jì)高度為780mm，上部?jī)?nèi)徑為200mm，下部?jī)?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(yù)埋件和螺栓螺母等?；鶠閳A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(jìn)行必要的防銹和耐腐蝕涂層處理，通過預(yù)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(fēng)圈

防風(fēng)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(cè)儀器都配備有防風(fēng)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(fēng)圈，目的都是為了減少風(fēng)對(duì)降雪測(cè)量的影響。我國水利部門在吸收Tretyakov防風(fēng)圈的結(jié)構(gòu)外形后加以改進(jìn)，制作出F-86型防風(fēng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)）作為固體降水儀器外場(chǎng)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，美國基準(zhǔn)氣候觀測(cè)網(wǎng)（USCRN）使用雙層Alter防風(fēng)圈作為固體降水儀器防風(fēng)圈。

建議安裝使用固體降水測(cè)量?jī)x器時(shí)，配備安裝Tretyakov型防風(fēng)圈，防風(fēng)圈安裝高度1.5米（略高于觀測(cè)儀承水口），表面噴涂防腐蝕、防氧化材料灰色涂層。防風(fēng)圈應(yīng)獨(dú)立預(yù)埋基礎(chǔ)，與觀測(cè)儀分開安裝。

參考文獻(xiàn)

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