推荐厂家
暂无
暂无
低功耗智能气象监测系统技术参数按照气象装备要求,智能气象监测系统应能实现风向、风速、气温、湿度、气压、雨量等基本气象要素的观测,并能根据需要扩展地温、辐射等其他气象要素的观测。因此,智能气象监测系统总体设计思路是首先必须在功能上满足观测需求,然后从便携站的应用场景人手,通过解决多个关键技术来达到便携、易架设、低功耗、多种通信方式的要求。首先对智能气象监测系统的总体逻辑结构进行了设计。在逻辑结构中,数据采集器是智能气象监测系统的核心,它由处理器、时钟电路、数据存储器、接口、控制电路等部分构成,实现了对传感器数据的采集、处理、数据质量控制、存储,并提供RS一232智能气象监测系统逻辑结构框图口完成数据传输。采集器提供传感器接口,用于接入符合地面气象观测规范要求的气温、湿度、风、雨量、气压等气象要素传感器,整机观测性能符合气象业务观测要求。[img=智能气象监测系统,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205100905342927_8650_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]为了达到便携性的目的,气象站从结构、材料、包装等多方面进行了设计。1、紧凑型结构设计。智能气象监测系统采用电源系统与采集系统、通信系统一体式机箱结构设计。机箱中配置了1节容量为20Ah/12V的锂电池,电源系统选配接人一块10w太阳能板,在户外使用时还可以选配车载电源作为电源系统的补给。为了方便携带和安装,选用螺旋桨式一体风传感器。三角支架和风杆采用一体化可伸缩结构设计,风杆和三脚架的长度均小于160cm,但高可以观测300em高度的风向和风速,有效减小包装携带的、体积。2、选用轻质材料。智能气象监测系统的机箱采用耐老化的塑料材质取代传统的铸铁、铸铝及不锈钢材料,有效减轻了采集箱的重量。支架等结构件均采用铝合金材料,并通过计算在满足强度要求的前提下,减小厚度和尺寸。蓄电池选取高能量密度的锂电池,与传统的铅酸电池相比,相同重量可以获得更多电量。按6要素配置的智能气象监测系统总重量可小于40kg。智能气象监测系统不仅在测量性能方面满足气象业务观测需求,同时通过便携性设计、易架设性设计、低功耗设计和多种通信方式的设计,具有体积小、重量轻、架设方便、功耗低、通信方式灵活等特点,更适合于各种移动应用和应急应用场合,也可以作为常规自动气象站的应急备份。[img=智能气象监测系统,400,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205100906273375_9115_4136176_3.jpg!w690x690.jpg[/img]智能气象监测系统的目的是用于移动应急气象观测,与常规自动气象站相比,所使用的数据采集系统应与常规自动气象站系统具有相同功能,可以进行数据采集、计算、质量控制、存储、传输,观测性能应能达到地面气象观测规范的要求,观测数据可以接人地面气象观测系统业务软件。同时,智能气象监测系统在设备重量、尺寸、安装建设时间、设备功耗、支持的通信方式等结构和功能需求上,更具有应急气象观测的特点,主要表现在以下四个方面:1、便携性是智能气象监测系统显著的特点。便携站应配置专用的便携式包装箱,具有重量轻、尺寸小、便于携带、方便运输和人工背负等特点。一般来说,按6要素配置的整套设备尺寸不应超过160cm,总重量应不超过40kg,设备包装的总数量应不超过4个,单个包装应不超过15kg,在开展应急气象观测时方便单人携带。2、易架设性。便携气象站甩于移动气象观测或应急气象观测,所以要求在现场容易架设和调整,过程中必须使用的工具要尽可能少,无需专用工具;连接电缆、接线工作要少。通过简单培训后,单个工作人员可在20min内完成架设,开始气象观测。3、低功耗。便携气象站用于移动气象观测或应急气象观测,不能保证稳定的供电条件,通常只能采用蓄电池供电,或者采用太阳能、车载等备用供电方式,因此整套自动气象站系统必须具有非常低的功耗,可以在只使用20Ah蓄电池供电时,正常工作至少1周时间。4、多种通信方式。根据不同的应用场景,应能提供不同的通信方式,如本地通信、GPRS通信、CDMA1X、ZigBee等;在公用移动通信网络不能提供服务时,应能支持卫星通信。
一、低电压微功耗电磁流量计的工作原理任何一种电磁流量计都遵循着法拉第电磁感应定律,当导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端即产生感应电动势e。与此相仿,在垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道,当导电液体在管道中以流速u流动时,导电流体就切割磁力线。在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极,则两电极之间即产生感应电动势e,这就是电磁流量计测量导电液体体积流量的原理,如图1所示。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/12/05/62030221.gif电磁流量计的主要特点:电磁流量计的变送器结构简单,没有可动部件,也没有任何阻碍流体流动的节流部件。电磁流量计是一种体积流量测量仪表,在测量过程中,不受被测介质温度、黏度、密度以及电导率(在一定范围内)的影响。因此,只需经水标定以后,就可用来测量其他导电性液体的流量,而不需要作附加修正。电池供电电磁流量计的量程范围极宽,并只与被测介质的平均流速成正比,而与轴对称分布下的流动状态(层流、湍流)无关。电磁流量计无机械惯性,反应灵敏,可以测量瞬时脉动流量,而且线性好。它可将测量信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出,可现场指示,也可远距离传送。从上述特点可以看出,将电磁流量计进一步开发成为低电压微功耗电磁流量计是适宜的。但在低电压微功耗状态下,一般采用电池供电,要求在不更换电池的情况下能连续工作数年。这样就得解决励磁电路系统功耗大的问题,一方面要求减少励磁电路系统功耗,另一方面要求得到足够的流量信号(感应电动势e)。要满足这些要求必须在设计中解决好励磁电路系统的变送器结构问题。二、励磁电路系统变送器结构分析电磁流量计变送器主要由测量导管、励磁系统、电极及干扰调整机构等部分构成。为了使传感器稳定可靠地工作,准确地感受流量信号,在结构上就必须认真分析考虑。为了减少励磁线圈消耗太多的电能,在导线的线径和励磁线圈的口径方面,根据励磁线圈磁场原理,制作了特殊的结构来扩大电极传导电流面积。变送器的结构图如图2所示。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/12/05/62030222.gif三、励磁信号的处理方法电磁流量计的磁场是通过励磁线圈来获得的。目前,有直流励磁、交流励磁和低频方波励磁三种基本励磁方式。其中,低频方波励磁又可分为二值方波励磁、三值方波励磁两种形式。特别是三值方波励磁,它能够很好地减弱正负周期之间所产生的相互干扰问题,另外,该流量计为了降低功耗借助励磁涌流增强励磁磁场强度,达到三值低频方波励磁的性能和效果,如图3所示。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/12/05/62030223.gif励磁系统的作用是产生一个工作磁场。根据管道截面积大小,该流量计选用了优质的超高磁导率的铁氧体铁芯结构,以较小的励磁电流来获得较强的磁场,励磁电路尽量处于低功耗的运行状态,并通过线圈中的软铁氧体铁芯,增强导磁性和均匀分布磁力线。电极的作用是把被测介质切割磁力线所产生的流量信号引出,它必须是非磁性导电材料,选用不锈钢材料可耐一般酸碱盐的腐蚀。四、流量信号处理方法整个电路组成如图4所示。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/12/05/62030224.gif图4中的低功耗大规模集成电路MPU(MicroProcessorUnit)微处理器,是由日本日立公司生产的6B68-0031。该芯片作为中央控制器设计方案,芯片中的CPU控制整个仪表的运行,并完成仪表的全部功能,包括键盘和显示部分;其与74HC02A和SL130组合,完成控制励磁信号、存储与运算和仪表输出部分信号等功能。测量管段中的电极接收到的感应电动势,首先经过可变增益前置放大器对接收到的微弱信号进行放大,然后进行第一级信号放大,放大了的信号经过A/D转换进入CPU微处理器,同时把处理的流量数据结果送至显示器,另外,在智能化设计中CPU微处理器对外I/O接口电路中,以脉冲信号和数字信号(数据流)进行远程数据传输。硬件设计中,主要在放大电路上采用了高性能的集成电路和先进的设计思想,对强干扰背景下微弱信号的放大与A/D转换方式进行了研究。采用了准确度很高的双积分模数转换,对各种尖脉冲及交流工频干扰有很好的消除作用。在软件设计中,单片机采用省电模式工作,每次信号采集、运算、显示处理后等待中断唤醒再进行下一次的测量过程。在模拟信号方面,实现(0~10)mA和(4~20)mA两种模式的直流信号输出。在显示部分流量计设置有6位累计流量;同时设有瞬时流量、流量方向、空管报警、电池电量报警和过流报警等功能。五、电磁流量计校验情况分析下面列举该电磁流量计在两种条件下校验的结果:在实验室里,标准校验台为容积式标准校验装置,准确度是±0.2%,以水为测量介质,校验流量计仪表口径为DN100,校验台容积罐为(2¯5)m3,“流量-误差”关系如图5所示。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/12/05/62030225.gif在使用现场,该流量计在线测量供水流量。检测设备采用日本富士便携式超声波流量计作为比对表(该比对表通过国家水大流量检测站校准,并取得了检定证书),准确度为±1.5%,对在线电磁流量计进行比对,比对结果如表1所示。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/12/05/62030226.gif六、结论通过上述分析可以看出,随着工业生产的发展,环境保护和节约能源的需要,电池供电的电磁流量计在众多流量测量仪表中,以其独有的特点,在很多行业有着非常广泛的应用。电池供电的电磁流量计在硬件和软件设计方面都不同于交流供电的电磁流量计。该设计思路是流体力学理论和低功耗电子技术的成功结合,使仪表的设计更合理、性能更优越、测量更精确,未来必将引起人们更大的重视。
12000)(图2)。http://dc.llybw.com/up_files/%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%8E%8B2.gif3 励磁信号的处理方法电磁流量计的磁场是通过励磁线圈来获得的。目前采用三值低频方波励磁形式(见图3)。http://dc.llybw.com/up_files/%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%8E%8B3.gif低电压微功耗电磁流量计,采用了精度很高的双积分模数转换,对各种尖脉冲及交流工频干扰有很好的消除作用。特别是在励磁方面采用零点稳定性好、抗工频干扰能力强的三值低频方波,它能够很好地减弱正负周期之间所产生的相互干扰问题,另外该流量计为了降低功耗借助励磁涌流增强励磁磁场强度,达到三值低频方波励磁的性能和效果。4 流量信号处理方法1)流量计采用日本日立公司生产的6B68-0031低电压微功耗大规模集成电路MPU(MicroProcessorUnit)微处理器,作为中央控制器设计方案,芯片中的CPU控制整个仪表的运行,与74HC02A和SL130组合,完成对流量信号的运算与存储和控制励磁信号功能等;输出端有仪表模拟信号(电流信号)输出和频率输出等功能。2)计算机内部CPU中央处理器对数据信号进行处理,控制软件支持并对流量数据进行运算和控制。测量管段中的电极接收到的感生电动势e,首先经过可变增益前置放大器对接收到的微弱信号进行放大,然后进行第一级信号放大,放大了的信号经过A/D转换进入CPU微处理器,同时把处理的流量数据结果送至显示器进行显示量值,另外在智能化设计中CPU微处理器对外I/O接口电路中,以脉冲信号和数字信号(数据流)进行远程数据传输。5 电磁流量计校验情况分析依据该产品(DN100)的技术参数声明,参照水表及电磁流量计检定规程,分别在实验室及该产品安装后的使用现场对其进行校验。在实验室,使用容积式水流量标准装置(标准金属量器准确度为0。2级)进行校准,在使用现场,使用1。5级进口便携式超声波流量计(经国家水大流量检测站校准)进行比对,实验数据见表1,示值误差满足其说明书声明允许误差,如图4。http://dc.llybw.com/up_files/%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%8E%8B4.gifhttp://dc.llybw.com/up_files/%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%8E%8B5.gif6 结论通过对该流量计分析可以看出,以往大多数电磁流量仪表都是以220V交流供电。随着工业生产的发展,环境保护和节约能源的需要,在众多流量测量仪表中,电池供电的电磁流量计,有其独有的优势,硬件和软件设计都不同于交流供电的电磁流量计,是流体力学理论和电子技术的成功结合,使仪表的设计更合理、性能更优越、测量更精确,未来必将引起人们更大的重视。