陳志國

(黑龍江省雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100)

淺談DSC3型稱重式降水傳感器工作原理

陳志國

(黑龍江省雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100)

目前，我國氣象部門對固態(tài)降水以人工觀測為主，存在時效性差、時空密度不足等諸多弊端，不能全面、連續(xù)反映降雪過程的變化情況。DSC3型稱重式降水傳感器是實現(xiàn)降水自動化觀測的智能傳感器，該儀器既可以作為單獨的傳感器，以輸出脈沖信號形式無縫掛接在現(xiàn)有自動氣象站上，同時又輸出RS232/485數(shù)字信號，可以同其它數(shù)字或總線系統(tǒng)及終端組網(wǎng)使用。擬對DSC3型稱重式降水傳感器工作原理進行分析。

稱重式降水傳感器；工作原理

DSC3型稱重式降水傳感器采用了許多新技術(shù)算法，完全可以滿足固體降水自動化觀測，同時支持液態(tài)降水自動化觀測，且其測量精度較翻斗式雨量傳感器更高，這對于全面提升我國地面氣象觀測的自動化水平，更加準確地觀測天氣和氣候要素、應(yīng)對氣候變化的研究、人民日常生活保障、防止自然災害等方面又增添了新的技術(shù)手段。該儀器實現(xiàn)了觀測資料連續(xù)化，減少臺站觀測人員的工作量，進一步提高觀測質(zhì)量和觀測效率，能夠為專業(yè)部門和公眾提供更多有價值的氣象信息和觀測產(chǎn)品。

一 DSC3型稱重式降水傳感器的主要特點

DSC3型稱重式降水傳感器可用于裝備地面氣象觀測網(wǎng)，承擔降水量觀測任務(wù)的自動化氣象觀測設(shè)備。該儀器具有較高的運行可靠性，能達到當前先進的固體降水自動化觀測水平，為冬季降水量預報和服務(wù)提供高質(zhì)量的觀測資料。

1.精確測量——具有大容量、高穩(wěn)定的電阻應(yīng)變式載荷元件結(jié)合軟件算法，對進入到收集容器中的降水提供準確測量。由于整個收集容器被稱重，因此，任何類型積累在收集容器內(nèi)的降水將被記錄。

2.降水發(fā)生的準確探測 ——獨有的降水發(fā)生探測器(以下簡稱OPD)，通過使用光學傳感器對降水的發(fā)生進行探測，任何可能由于溫度或者刮風引起的瞬間振動所產(chǎn)生的虛假讀數(shù)將被排除。

3.數(shù)據(jù)輸出——數(shù)據(jù)輸出脈沖仿效一個翻斗式雨量計翻斗的輸出，每次一個脈沖相當于一個0.1mm。脈沖在每分鐘的末尾輸出。

4.電源——DSC3型稱重式降水傳感器需要用戶提供一個12V的直流電源，也可以采用蓄電池與太陽能電池板供電。

5.低維護——DSC3型稱重式降水傳感器每年入冬前進行一次維護，夏季和秋季多雨季可能會做到兩到三次的維護(根據(jù)不同地區(qū)的降水量維護次數(shù)有所不同)，維護工作只要求當收集的降水達到一定的量，就將收集容器內(nèi)的液體排空，然后加入適量的蒸發(fā)抑制油，冬季需另加相應(yīng)的防凍液，其余基本無需維護。防凍液和蒸發(fā)抑制油只在清空時才需添加。

二 DSC3型稱重式降水傳感器的系統(tǒng)組成

DSC3型稱重式降水傳感器是由載荷元件、數(shù)據(jù)處理單元、OPD和外圍組件組成，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

1.載荷元件。

載荷元件是DSC3型稱重式降水傳感器的核心元件，通過對重量變化的快速響應(yīng)測量降水。載荷元件基于電阻應(yīng)變技術(shù)：敏感梁在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，進而得到重量。

2.數(shù)據(jù)處理單元。

數(shù)據(jù)處理單元由中央處理器、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲器、接口、控制電路等部分構(gòu)成，安裝在底盤之上。其主要功能是將載荷元件測得的收集容器中降水重量的電信號數(shù)值傳到運算器中，運算器經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化成以毫米單位的降水。再通過存儲的校準常數(shù)、溫度系數(shù)等一些參數(shù)計算出雨量值。并實現(xiàn)質(zhì)量控制、記錄存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸。處理單元具有數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)存儲使用堆棧式存儲器結(jié)構(gòu)。存儲的數(shù)據(jù)量不少于30天。

處理單元既滿足現(xiàn)行氣象觀測業(yè)務(wù)要求，能夠輸出脈沖量，接入現(xiàn)有自動氣象站；又符合智能氣象傳感器的發(fā)展趨勢，能夠輸出數(shù)字信號，接入新型自動氣象站。因此，DSC3型稱重式降水傳感器同時具有RS232和RS485通訊接口和脈沖輸出接口(1個脈沖相當于0.1mm)。

3.降水發(fā)生探測器(OPD)。

OPD與DSC3型稱重式降水傳感器接口連接，OPD被支架架在收集容器的上端，與收集容器桶口保持合理的無接觸。OPD利用紅外線光束探測，在OPD圈相對的兩端，一端為接收端，一端為發(fā)射端，其一端的兩個遮陽管中間有一個發(fā)光二極管的為發(fā)射端。OPD探測通過紅外線光束的顆粒，當有顆粒連續(xù)通過紅外線光束并通過智能識別與判斷后，OPD判斷是否有降水發(fā)生，在OPD判斷有降水發(fā)生的過程中，DSC3型稱重式降水傳感器測量的重量通過脈沖或RS232/485方式輸出降水量。

4. 外圍結(jié)構(gòu)。

外圍組件包括收集容器、保護外殼、底盤基座、防風圈等。

三 DSC3型稱重式降水傳感器的主要功能

1.數(shù)據(jù)采樣。

數(shù)據(jù)處理單元對采樣值進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，對通過采樣值質(zhì)量檢查的分鐘降水量進行累計，得到累計降水量。

2.數(shù)據(jù)處理。

傳感器具有數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)存儲使用堆棧式存儲器結(jié)構(gòu)。存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：分鐘降水量、累計降水量、原始質(zhì)量數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控信息等。存儲的數(shù)據(jù)量不少于30天，數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)具備掉電保存功能。

3.數(shù)據(jù)存儲。

傳感器具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽捎妹}沖方式輸出時，主動送出通斷信號；采用RS-232(或RS-485)方式輸出時，采用響應(yīng)終端命令的方式。數(shù)據(jù)采集器與傳感器間的信號傳輸距離不小于200m。通過在 RS-232 口上接入無線或有線傳輸模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸功能。

4.數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)總長度為 18 個字節(jié)，各項目之間用空格分隔(結(jié)束符之前不留空格)，每個項目采用定長方式，長度不足高位補0。

5.監(jiān)控功能。

當傳感器獨立運行時，由實時時鐘芯片提供系統(tǒng)時鐘；當傳感器接入自動氣象站或業(yè)務(wù)軟件時，由自動氣象站或業(yè)務(wù)軟件為傳感器提供對時，保持時鐘同步。

6.終端操作命令。

傳感器支持各種終端操作命令，用來設(shè)置參數(shù)、讀取數(shù)據(jù)等，具備以下終端操作命令。命令及參數(shù)均為ASCII碼，命令以回車換行結(jié)尾，返回信息用ASCII碼輸出，回車換行結(jié)尾。

四 DSC3型稱重式降水傳感器的核心技術(shù)

DSC3型稱重式降水傳感器的核心是一種基于電阻應(yīng)變技術(shù)載荷元件，通過對重量變化的快速響應(yīng)測量和計算出降水量。主板上的處理器(MCU)通過OPD判斷是否有降水發(fā)生，OPD只有判斷有降水發(fā)生，才會使判斷有降水發(fā)生過程時載荷元件測量的重量信號進行輸出，同時結(jié)合溫度、風等環(huán)境干擾要素的過濾與修正，得到準確的降水量值，工作原理框圖傳感器通過溫度修正，對風和其它因素引起的擾動進行判斷平滑以及一系列的綜合運算和處理得到準確的降水量。

[1]降水觀測儀器和測量方法改進方案的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009(16).

[2]稱重式降水傳感器的算法[C].節(jié)能減排戰(zhàn)略與測控技術(shù)發(fā)展學術(shù)研討會，2011.

ClassNo.:P414.9DocumentMark：A

(責任編輯：鄭英玲)

WorkingPrincipleofTypeDSC3WeighingPrecipitationSensor

Chen ZhiGuo

(Jixi Meteorological Bureau, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

The paper analyzed the working principles of Type DS3 weighing precipitation sensor. It argues that Type DS3 weighing precipitation sensor is an intelligent sensor to finish the observation of precipitation automatically , which can be used as a separate sensor to hang in the existing automatic weather station while it can send RS232/485 digital signal and use with other digital or bus system and terminal network.

weighing precipitation sensor；working principle

陳志國，碩士，工程師,黑龍江省雞西市氣象局。

1672-6758(2013)05-0157-2

P414.9

A