聂增臻 谢英伟 刘乃和

（中国民用航空西南地区空中交通管理局重庆分局气象台 重庆市 401120）

遥测站AMS-II 系统是采集处理气压、气温、相对湿度、风向、风速和雨量等要素以及相应的监控和远程显示的气象集成自动化系统，由长春气象仪器研究所研发，普遍运用于国内各类民航机场。随着气象自动站传感器产品不断升级换代，部分旧传感器厂方已不提供维修与销售支持。以重庆江北机场为例，遥测站AMS-II 系统内使用的温湿度传感器型号为维萨拉公司生产的HMP45D 型。但是自2013 年起，HMP45D 型传感器停产，替代产品为HMP155 型温湿度传感器，两款传感器的测量原理一样。

针对温湿度传感器HMP45D 检定失效，无可用备件替换的情况；本文通过分析遥测站AMS-II 系统数据采集工作特性，提出新型号温湿度传感器HMP155 的替代解决方案,具有一定的理论和实用价值。

1 遥测站AMS-II系统概述

1.1 系统简介

遥测站AMS-II 系统是采集处理气压、气温、相对湿度、风向、风速和雨量等要素以及监控和远程显示的集成自动化系统；分别部署于重庆江北机场跑道一、二跑道南、北端。主要用于民航机场的地面气象观测，对本站的气象状况及其变化过程进行系统、连续的测量。作为自动气象观测系统的备份系统，系统可为航空及有关气象部门提供天气实况，为航空飞行、环境监测等提供重要气象保障资料。

1.2 传感器分布

重庆江北机场遥测站AMS-II 系统主要分布于一、二跑道南北端。系统跑道北端（20R20L）为由超声风传感器WMT702、机械风传感器EC9-1T 构成的独立风站。系统跑道南端（02L2R）为遥测自动站，采集南端的风、温湿、压及雨量数据，其温湿度型号为维萨拉公司停产型号为HMP45D 的传感器。遥测站AMS-II 系统分布图如1 所示。

2 探测原理

2.1 温度测量原理

VAISALA 公司生产的温湿度传感器HMP45D 和HMP155 的测温单元是铂金电阻PT100。根据《工业铂、铜热电阻计量检定规程》（JJG229-2010），在-200～850℃范围内，薄膜铂金电阻和线绕铂电阻的热特性均满足Callendar-Van Dusen 方程：

图1： 遥测站AMS-II 系统分布图

A、B、C 为拟合热特性曲线时标定出的常数。

遥测站AMS-II 防雷接口单元根据四线电阻接线方式，提供恒定电流，数据采集单元根据测量PT100 电阻值，根据足Callendar-Van Dusen 方程测量当前站内温度。其四线电阻温度测量原理结构如图2 所示。

图2： 四线电阻温度测量原理结构图

2.2 湿度测量原理

VAISALA 公司生产的温湿度传感器HMP45D 和HMP155 的湿度传感器是HUMICAP高分子薄膜型湿敏电容。湿敏电容内部电介质具有感湿特性，其介电常数随相对湿度变化而变化，从而完成湿度测量。

湿度传感器HUMICAP由湿敏电容和转换电路两部分组成，其湿敏电容结构如图3 所示。它由上电极（upper electrode）、下电极（lower electrode）、湿敏高分子膜（thin-film polymer）、玻璃基底（glass substrate）构成。

图3： 湿敏电容结构图

当环境湿度发生变化时，湿敏元件电容量增大，反之减小。传感器转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化。对于相对湿度0～100%的变化，湿度传感器输出呈0～1000mV 间的线性变化。遥测站AMS-II 采集器根据湿度传感器电压量计算相对湿度。

2.3 采集原理

重庆江北机场遥测站AMS-II系统数据采集部分包含 “防雷接口单元和”与“数据采集单元”。

AMS-II 系统内防雷接口单元型号为ZC300F1，用于连接气压、温湿、风、雨量传感器。防雷接口单元内部电路为每路输入信号设置TVS 管、固定电感器、保险器等元器件，具有一定的防雷功能。防雷接口单元通道一（3、4）采用HC145442 芯片完成FSK 调制工作，一般用作自动站气象数据包输出；通道二（5～7）采用MAX3485 芯片，完成RS485RS232 信号转换功能，一般用作气压数据接入。接口单元为AMS-II系统提供两路温湿度信号输入，其中（20～22）、（23～25）端子为湿度传感器接口；（26～29）、（30～33）端子为温度传感器接口。防雷接口单元与传感器接线对应关系如图4 所示。

图4： 防雷接口单元与传感器接线对应关系图

防雷接口单元采集的传感器数据，经由总线传至数据采集单元。数据采集单元型号为ZC300C1，拥有两个电阻测量通道、两个电压测量通道、七个单向输入数字通道、两个计数量通道。其中两个电阻测量通道连接温度传感器PT100，两个电压测量通道连接湿度传感器HUMICAP@；而后经由数据采集单元内AD 变换电路将传感器模拟信号转换为数字信号，数据处理后经由防雷接口板（3、4）端子输出。

3 设计实现

3.1 接口改造

一般地，自动站内温湿度传感器均设置为被动模式下模拟量数据输出。由于HMP45D 与HMP155 具有相同的温湿度测量原理，均为4 线电阻PT100 测量温度，2 线测量HUMICAP@湿度电压信号，含电源接口处均为8根线缆。但传感器接口存在差异，其接口对比如图5 所示。

图5： HMP45D 与HMP155A 接口对比图

设备人员根据新型传感器HMP155 接口型号，购置对应10 芯线缆与接头用于改造。 M128 芯航空接头如6 所示。

根据新型传感器HMP155 与防雷单元ZC300F1 接口特性，对应HMP155 接线线序完成传感器至防雷单元的接线。HMP155 线序情况如表1 所示。

表1： HMP155 线序情况

图6： M128 芯航空接头

3.2 电源改造

HMP45D 型传感器常用工作电压为+5V，HMP155 型工作电压为+12V。改造前防雷接口单元ZC300F1 只能提供+5V 的工作电压。鉴于遥测机箱内部AMS-PS 电源系统预留一个交流220V 三孔插座，为保证设备正常供电，设备人员购置一个直流电压源接入改造后的设备供电端，直流电源输出12V 电压。HMP155 电源改造图如图7 所示。

图7： HMP155 电源改造图

3.3 百叶箱利旧

02L 端遥测站原使用独立百叶箱，改造线缆穿接困难，且百叶箱位置较远，不利于维护。2017 年一跑道新建自观设备投入使用后，原02L 端自动站MILOS520 退出运行保障。机务员利用原02L 端自动站MILOS520 报废百叶箱，将其嫁接在02L 遥测风杆上。根据《民用航空机场气象台建设指南》，百叶箱架设高度距离地面1.5m，保证HMP155 正常架设。百叶箱利旧改造如图8 所示。

图8： 百叶箱利旧改造图

4 数据对比

2018 年12 月7 日，02L 端 遥 测 站 经 改 造， 由 原HMP45D 升级为HMP155 型传感器。为验证其有效性，现对改造后的遥测温湿度传感器历史数据与相近测量点（02L）自观温湿度传感器历史数据，分三个时段进行对比分析。对比结果如表2 所示。

表2： 自观遥测温湿度历史数据对比

经对比，02L 端遥测站温湿度数据与自观站温湿度数据基本一致，此次改造有效可用。特别地，温湿度对比文件分别为RTU_02L_.his（自观）、HUMITEMP_RWY1L_ .his（遥测）。文件分别每分钟记录一次，3天对比分析样本为4320条。

为进一步验证数据有效性，气象台观测室对02L 端、02R 端遥测站温湿度数据进行为期一个月的持续性对比监测验证，改造数据有效可用。

5 结论与讨论

一跑道南头02L 改造完成效果良好，而后重庆空管气象设备室又对二跑道南头02R 端实施相同的升级改造工作。目前改造后的两套设备已稳定运行近两年，数据正常有效，未见异常。此项改造工作所需接头、线缆与直流电源成本低廉，可节省02L 与02R 两套遥测站AMS-II 系统升级改造费用数十万元。