CN105445818A - 自动气象站数据采集器校验***及其校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动气象站数据采集器校验***及其校验方法，其中校验***包括气象信号模拟器和上位机，气象信号模拟器用于与自动气象站数据采集器相连、并为自动气象站数据采集器提供标准气象信号，上位机用于与自动气象站数据采集器相连、并从自动气象站数据采集器获取采集数据后根据测量结果进行数据校验，气象信号模拟器包括控制器，均与控制器相连的显示模块、输入键盘、CPLD模块、第一D/A转换器、第二D/A转换器、第三D/A转换器和开关电路，以及供电用电源。能高精度模拟输出各种气象要素信号，能适应传统型和新型自动气象站数据采集器的接口和协议，实现数据校验。

Description

自动气象站数据采集器校验***及其校验方法

技术领域

本发明涉及一种校验装置及方法，特别是涉及一种自动气象站数据采集器校验***及其校验方法，属于气象仪器计量检定领域。

背景技术

自动气象站观测数据的质量直接关系到气候观测的准确性。各气象要素传感器的探测性能和数据采集器的采集处理性能是决定自动气象站观测数据质量的关键因素。自动气象站一般安装在露天的环境下，投入业务运行后，容易受到外界环境的影响，测量准确度会随时间变化而发生漂移。而自动气象站的核心是数据采集器，其主要由集成芯片和独立电子元器件组成，使用一段时间后，器件参数会发生变化导致输出的电信号发生漂移，直接影响数据采集器的测量精度。

随着我国气象观测技术现代化的发展，全国气象、水文、海洋、部队等已装备10万余套自动气象站，涉及到许多厂家和不同型号。对自动气象站的技术保障提出了越来越高的要求，相关部门已明确提出了自动气象站需要定期校验。但作为自动气象站核心的数据采集器的校验工作却因校验仪器的缺乏而不能常规化开展。

自动气象站数据采集器的校验需要能输出电阻、脉冲、格雷码、电压、电流等电信号的标准信号源，输出电信号的范围、分辨率等必须和数据采集器匹配。电信号和气象量之间的函数关系需满足气象传感器的特性曲线。目前，已有一些科技公司研制出高精度的通用信号源，但输出信号类型和范围同自动气象站数据采集器仍不匹配；而且，国外的相关校验设备也基本不能用于我国自动气象站的校验。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种自动气象站数据采集器校验***及其校验方法，能高精度模拟输出各种气象要素信号，能适应传统型和新型自动气象站主采集器和分采集器的接口和协议，可将自动气象站数据采集器的测量值与校验***的设定输出进行对比研究，实现对数据采集器的校验。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种自动气象站数据采集器校验***，包括气象信号模拟器和上位机，所述气象信号模拟器用于与自动气象站数据采集器相连、并为自动气象站数据采集器提供标准气象信号，所述上位机用于与自动气象站数据采集器相连、并从自动气象站数据采集器获取采集数据后根据测量结果进行数据校验；所述标准气象信号包括温度信号、湿度信号、风速信号、风向信号、雨量信号、辐射信号、蒸发信号和气压信号。

其中，所述气象信号模拟器包括控制器，均与控制器相连的显示模块、输入键盘、CPLD模块、第一D/A转换器、第二D/A转换器、第三D/A转换器和开关电路，以及供电用电源；所述CPLD模块的输出端连接有气压信号输出接口、雨量信号输出接口、风速信号输出接口和风向信号输出接口，所述第一D/A转换器通过第一信号调理电路连接有湿度信号输出接口，所述第二D/A转换器通过第二信号调理电路连接有蒸发信号输出接口，所述第三D/A转换器通过第三信号调理电路连接有辐射信号输出接口，所述开关电路通过电阻网络电路连接有温度信号输出接口。

本发明进一步设置为：所述电阻网络电路的输出端通过电阻测量电路和控制器相连。

本发明进一步设置为：所述控制器通过RS232串口电路连接有气压串口输出接口。

本发明进一步设置为：所述控制器采用MSP430系列单片机制作，所述显示模块为TFT显示屏。

本发明进一步设置为：所述上位机通过与自动气象站数据采集器的RS232串口相连获取采集数据。

本发明进一步设置为：所述电阻网络电路采用UPR型超精密金属膜电阻制作。

本发明进一步设置为：所述CPLD模块的输出端通过TTL电平转换电路将输出脉冲转换为提供给雨量信号输出接口和风速信号输出接口的脉冲信号。

本发明进一步设置为：所述电源采用锂电池。

本发明进一步设置为：所述气压信号输出接口、雨量信号输出接口、风速信号输出接口、风向信号输出接口、湿度信号输出接口、蒸发信号输出接口、辐射信号输出接口和温度信号输出接口均设置为航空插口。

本发明还提供自动气象站数据采集器校验***的校验方法，包括以下步骤：

1）在上位机中建立自动气象站数据采集器的数学模型；

2）引入不确定度的影响量，根据影响量的特性进行分类评估，计算出合成标准不确定度；

3）通过选取置信概率，得到相应的扩展不确定度，并给出自动气象站数据采集器各通道采集的测量结果；

4）根据测量结果对自动气象站数据采集器各通道的校准数据进行数据校验。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、能高精度模拟输出各种气象要素信号，能适应传统型和新型自动气象站主采集器和分采集器的接口和协议，可将自动气象站数据采集器的测量值与校验***的设定输出进行对比研究，实现对数据采集器的校验。

2、可弥补国内自动气象站校验技术的空白，为我国气象预报业务应用的自动气象站数据采集器的校验提供了技术手段，使自动气象站数据采集器定期检定工作得到常规业务化开展。

3、可实现野外现场对自动气象站数据采集器的校验，提高自动气象站的维护效率。多种信号输出形式配合完善的上位机，使得***普适性强，可应用于多个厂家不同型号的自动气象站数据采集器的校验。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明自动气象站数据采集器校验***的结构示意图；

图2为本发明自动气象站数据采集器校验***中气象信号模拟器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种自动气象站数据采集器校验***，包括气象信号模拟器和上位机，所述气象信号模拟器用于与自动气象站数据采集器相连、并为自动气象站数据采集器提供标准气象信号，所述上位机用于与自动气象站数据采集器的RS232串口相连、并从自动气象站数据采集器获取采集数据后根据测量结果进行数据校验；所述标准气象信号包括温度信号、湿度信号、风速信号、风向信号、雨量信号、辐射信号、蒸发信号和气压信号。

如图2所示，所述气象信号模拟器包括控制器，均与控制器相连的显示模块TFT显示屏、输入键盘、CPLD模块、第一D/A转换器、第二D/A转换器、第三D/A转换器和开关电路，以及供电用电源；优选为，所述电源采用锂电池，所述显示模块为TFT显示屏。

所述CPLD模块的输出端连接有气压信号输出接口、雨量信号输出接口、风速信号输出接口和风向信号输出接口，所述第一D/A转换器通过第一信号调理电路连接有湿度信号输出接口，所述第二D/A转换器通过第二信号调理电路连接有蒸发信号输出接口，所述第三D/A转换器通过第三信号调理电路连接有辐射信号输出接口，所述开关电路通过电阻网络电路连接有温度信号输出接口，所述控制器通过RS232串口电路连接有气压串口输出接口。

其中，电阻网络电路的输出端通过电阻测量电路和控制器相连，电阻网络电路采用UPR型超精密金属膜电阻制作。

本发明的校验***本着方便气象计量人员使用为设计原则。采用锂电池供电方式，便于野外现场检定；引入低功耗处理器，以延长***待机时间，可采用以低功耗著称的MSP430系列单片机作为控制器。辅以CPLD模块扩展其IO口，以及应用CPLD模块完成数字气象量的产生、显示屏的驱动任务。

本发明可采用低温漂器件和总线光电隔离、电源隔离、温度补偿等技术，实现气象信号互不串扰；并结合CPLD模块在数字信号和模数混合器件在微弱信号产生上的优势，实现用不同种类电信号模拟同一气象量；可采用保护电路和航空插头类型的输出接口，减小接入数据采集器时的接触电阻；从而，实现从硬件电路、补偿和工艺结构上确保本校验***的高精度和适用性。

具体地，温度输出可选用UPR型超精密金属膜电阻模拟，精度为±0.01%，温度系数为±2PPM/℃，额定功率1/4W。为了克服存在的有源电阻网络和数据采集器电流不匹配的问题，同时，可引入四线制高精度电阻测量电路，消除电阻切换输出时继电器的接触电阻。

湿度模拟可采用高精度、低温漂的D/A转换和运放调理电路输出0-1V电压实现。

风速和雨量均为脉冲信号，可利用CPLD模块输出脉冲经TTL电平转换电路后实现。

蒸发输出可利用高精度D/A转换得到电压控制电流环实现。

风向输出有格雷码和电压（0-2.5）两种信号形式，可分别利用CPLD模块和高精度电压产生电路实现。

气压有电压、串口、脉冲三种形式，电压形式可通过D/A和信号调理、串口形式可利用430单片机内部硬件模块、脉冲形式可利用CPLD模块实现。

辐射输出为误差±20uV的电压信号，通过电源隔离、总线隔离后利用16位的D/A转换和信号调理实现，并可采用四层板、屏蔽罩减小电磁干扰。

本发明的校验***除在选用低温漂和高精度的芯片外，还可通过***内置测温电路，对模拟信号进行自动温度补偿，而用户可凭借高精度万用电表直接进行手动零满度线性校准。

本发明还提供自动气象站数据采集器校验***的校验方法，包括以下步骤：

1）在上位机中建立自动气象站数据采集器的数学模型；

2）引入不确定度的影响量，根据影响量的特性进行分类评估，计算出合成标准不确定度；

3）通过选取置信概率，得到相应的扩展不确定度，并给出自动气象站数据采集器各通道采集的测量结果；

4）根据测量结果对自动气象站数据采集器各通道的校准数据进行数据校验。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：包括气象信号模拟器和上位机，所述气象信号模拟器用于与自动气象站数据采集器相连、并为自动气象站数据采集器提供标准气象信号，所述上位机用于与自动气象站数据采集器相连、并从自动气象站数据采集器获取采集数据后根据测量结果进行数据校验；所述标准气象信号包括温度信号、湿度信号、风速信号、风向信号、雨量信号、辐射信号、蒸发信号和气压信号；

所述气象信号模拟器包括控制器，均与控制器相连的显示模块、输入键盘、CPLD模块、第一D/A转换器、第二D/A转换器、第三D/A转换器和开关电路，以及供电用电源；

所述CPLD模块的输出端连接有气压信号输出接口、雨量信号输出接口、风速信号输出接口和风向信号输出接口，所述第一D/A转换器通过第一信号调理电路连接有湿度信号输出接口，所述第二D/A转换器通过第二信号调理电路连接有蒸发信号输出接口，所述第三D/A转换器通过第三信号调理电路连接有辐射信号输出接口，所述开关电路通过电阻网络电路连接有温度信号输出接口。

2.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述电阻网络电路的输出端通过电阻测量电路和控制器相连。

3.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述控制器通过RS232串口电路连接有气压串口输出接口。

4.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述控制器采用MSP430系列单片机制作，所述显示模块为TFT显示屏。

5.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述上位机通过与自动气象站数据采集器的RS232串口相连获取采集数据。

6.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述电阻网络电路采用UPR型超精密金属膜电阻制作。

7.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述CPLD模块的输出端通过TTL电平转换电路将输出脉冲转换为提供给雨量信号输出接口和风速信号输出接口的脉冲信号。

8.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述电源采用锂电池。

9.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***，其特征在于：所述气压信号输出接口、雨量信号输出接口、风速信号输出接口、风向信号输出接口、湿度信号输出接口、蒸发信号输出接口、辐射信号输出接口和温度信号输出接口均设置为航空插口。

10.根据权利要求1所述的自动气象站数据采集器校验***的校验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在上位机中建立自动气象站数据采集器的数学模型；

2）引入不确定度的影响量，根据影响量的特性进行分类评估，计算出合成标准不确定度；

3）通过选取置信概率，得到相应的扩展不确定度，并给出自动气象站数据采集器各通道采集的测量结果；

4）根据测量结果对自动气象站数据采集器各通道的校准数据进行数据校验。