称重式降水自动观测仪构件分析
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摘要：称重式固态降水自动观测仪可以作为单独的传感器挂接在自动气象站上又可以作为观测仪独立使用，使观测结果客观化、观测资料连续化，减少台站观测人员的工作量，进一步提高观测质量和观测效率，为公众提供更多有价值的气象信息和观测产品。为完成上诉需求，称重式固态降水自动观测仪的构件选择是设计该仪器的关键，本文根据国内外现行标准，对构件的选择进行合理分析。
关键词：固体降水 自动化 仪器 构件选择分析
1.1概述
称重式自动雨量观测仪的设计原理基于负载测量技术，由硬件和软件组成。硬件分为传感器、数据处理单元、通信控制单元、电源控制单元和元件五部分，结构特点是可以与计算机终端连接，形成一个固体降水测量系统，也可作为固态降水传感器挂接在其他采集系统中，设备组成如图1所示。
1.2传感器
传感器是观测仪的重要组成部分，由大容量高稳定的载荷元件和内桶组成，载荷元件是传感器的核心，通过对固态降水的快速响应测量。传感器温度补偿和数字滤波技术等技术达到全量程范围内的固体降水准确测量。
1.2.1载荷元件
根据载荷元件的测量原理、降水测量技术的类型来区分，主要有两种，一种是基于电阻应变计测量技术：敏感梁在外力作用下产生弹性变形，在其表面的电阻应变片粘贴也伴随着变形，电阻应变片变形，它的电阻会发生变化，通过相应的测量电路的电阻变化转换为电信号，然后把重量；另一个是弦振动的技术：字符串是一个弹性元件，根据重量和振动频率之间的对应关系，通过相应的测量电路得到重量。
1.2.2内桶
内桶用于盛装防冻液、防蒸发油和收集降水量，容器被安装在载荷元件上，可容纳的累积降水量（含防冻液、防蒸发油等）不小于400mm，为方便清空容器内液体，必须配有辅助排水装置。
1.3数据处理单元
数据处理单元是称重式沉淀自动观测仪的关键部分。它由高性能处理器、高精度模数转换电路、高精度时钟电路、高容量程序（数据）存储器、接口、控制电路等部分组成。它的主要功能是负责称重传感器的电气信号，完成传感器信号的采样，并对采样值进行数据处理，数据处理，存储，数据通信和传输。
数据处理单元满足当前气象业务对脉冲输出的要求，接入到现有的自动气象站，也符合智能气象传感器输出数字信号的发展趋势，并接入到二代自动气象站或计算机终端。因此，称重式降水自动观测仪器应具有RS232（或RS485）通讯接口和脉冲输出接口。
1.4通信控制单元
通信控制单元负责将数据采集单元的观测数据和状态数据进行打包整理和校验，按照设置的方式进行传输。
1.5供电控制单元
供电控制单元负责为系统提供工作电源，通常使用蓄电池供电（直流12V），可使用交流或太阳能（风能等）对蓄电池进行充电。
1.6组件
其它相关硬件（承水口、外桶、底座组建、防风圈等）统称为组件。
1.6.1承水口
称重降水自动观测仪器使用的承水口设计应符合气象观测相关规定，唇上镶有直、斜刃形铜环，以防雨滴溅失和桶口变形，保证承水口采样面积。为了防止在冰雪覆盖时结冰，应具有防冻功能。
根据我国现有的气象部门雨量观测服务和参考世界气象组织的雨量传感器数据相关，承水口应采用铜（或不锈钢）材料、形状为直径200mm的圆。
1.6.2外桶
外桶装于底座之上，主要对承水口起支撑作用，同时保护传感器等部件免受雨雪天气因素的侵扰，保证其在野外环境下正常工作。外桶设计外形呈"凸"字型，具有上部窄下部宽特点，内桶与外桶应保持合理间隙，防止两者冻结影响观测精度，这样的设计结构可起到防风、减少蒸发和增加降水捕获量的功能。
外桶应采用不锈钢（或铝合金）材料制作，喷涂白色防锈漆，设计高度为780mm，上部内径为200mm，下部内径为400mm，折角为45°。
1.6.3底座组件
底座组件包括基座、法兰盘、预埋件和螺栓螺母等。基座为圆柱体，高度约为650mm，柱体外径约为200mm，使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀涂层处理，通过预埋件直接安装在混凝土基座（峄础）上；法兰盘安装在底座支架和外桶之间，高度约为50mm，通过调平螺栓可以调节仪器的水平度。
1.6.4防风圈
防风圈是增大降雪捕获率的重要设备，目前国内外的固体降水观测仪器都配备有防风圈，主要有Nipher（加拿大）、Wyoming（美国）、Alter（美国）、Tretyakov（俄罗斯、蒙古）、Hellmann（格陵兰、丹麦、德国）等多种形式的防风圈，目的都是为了减少风对降雪测量的影响。我国水利部门在吸收Tretyakov防风圈的结构外形后加以改进，制作出F-86型防风圈在水利部门推广使用。世界气象组织推荐使用DFIR （Double Fence Intercomparison Reference，双栅式比对标准）作为固体降水仪器外场比对标准，美国基准气候观测网（USCRN）使用双层Alter防风圈作为固体降水仪器防风圈。
建议安装使用固体降水测量仪器时，配备安装Tretyakov型防风圈，防风圈安装高度1.5米（略高于观测仪承水口），表面喷涂防腐蚀、防氧化材料灰色涂层。防风圈应独立预埋基础，与观测仪分开安装。
参考文献
[1]降水观测仪器和测量方法改进方案的研究[J].安徽农业科学，2009（16）.
[2]称重式降水传感器的算法[C].节能减排战略与测控技术发展学术研讨会，2011.