應(yīng)用于氣象探測(cè)的雙加熱溫度傳感器設(shè)計(jì)*

韓曉丹，劉清惓1，*，楊　杰

(1.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044; 2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210044; 3.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044; 4.中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044; 5.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044)

?

應(yīng)用于氣象探測(cè)的雙加熱溫度傳感器設(shè)計(jì)*

韓曉丹2，3，劉清惓1，2，3*，楊杰4，5

(1.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044; 2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210044; 3.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044; 4.中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044; 5.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044)

摘要:為消除高空氣象探測(cè)等領(lǐng)域中溫度傳感器的沾水誤差，提出了一種新穎的雙加熱溫度傳感器，利用溫度測(cè)量元件交替加熱測(cè)量的方法獲得不同風(fēng)速及降水強(qiáng)度條件下沾水誤差與時(shí)間常數(shù)的變化。通過(guò)擬合對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系可實(shí)現(xiàn)沾水誤差修正和降水強(qiáng)度測(cè)量功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定的風(fēng)速及降水強(qiáng)度范圍內(nèi)，該傳感器能使沾水引起的誤差從±0.3℃降低至±0.1℃以下，降水強(qiáng)度測(cè)量誤差低于±0.2 mm/min。與傳統(tǒng)探空儀溫度傳感器相比，該雙加熱溫度傳感器不但精度高，具有消除沾水誤差的能力，亦可初步實(shí)現(xiàn)降水強(qiáng)度的測(cè)量。

關(guān)鍵詞:溫度傳感器;降水強(qiáng)度; L-M算法;時(shí)間常數(shù)

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(GYHY200906037，GYHY201306079) ;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275042) ;江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目

高空溫度探測(cè)對(duì)氣候變化研究、天氣預(yù)報(bào)具有重要意義［1］。其準(zhǔn)確性直接影響到高空大氣形勢(shì)、氣候系統(tǒng)分析和預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)監(jiān)測(cè)全球變暖具有尤其重要的意義［2］。這些應(yīng)用需要高空測(cè)溫精度達(dá)到±0.1℃。

在探空溫度測(cè)量中，溫度傳感器探頭暴露在空氣中，在穿云過(guò)程中，云滴附著在探頭表面，等同于受到一定強(qiáng)度的降水。蒸發(fā)吸熱等原因使傳感器在穿云時(shí)測(cè)得溫度偏離真實(shí)大氣溫度。氣象探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種沾水誤差經(jīng)常超過(guò)0.2℃，已成為高空氣象探測(cè)精度提高的一個(gè)重要瓶頸［3］。本文發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，沾水誤差和傳感器探頭的加熱響應(yīng)速度呈一定的函數(shù)關(guān)系。本文首次提出一種雙加熱溫度傳感器，利用L-M算法對(duì)溫度階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行曲線擬合，從而獲得傳感器升溫時(shí)間常數(shù)，并計(jì)算出沾水誤差的修正量，從而提高了測(cè)量精度。

1　傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1傳感器總體設(shè)計(jì)

為降低沾水誤差對(duì)探空溫度測(cè)量精度的影響，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)探空溫度傳感器探頭進(jìn)行恒功率升溫時(shí)，溫度變化的時(shí)間常數(shù)、沾水誤差、降水強(qiáng)度和風(fēng)速這4個(gè)參數(shù)呈一定函數(shù)關(guān)系。可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，并利用時(shí)間常數(shù)和風(fēng)速求解出沾水誤差和降水強(qiáng)度。探空儀的上升速度(風(fēng)速)可由北斗/GPS數(shù)據(jù)獲得;利用本文提出的雙加熱傳感器設(shè)計(jì)，可求得時(shí)間常數(shù)，從而求得沾水誤差，提高傳感器精度。

如圖1所示，該傳感器使用A、B兩個(gè)相同的測(cè)溫元件進(jìn)行交替測(cè)量，每個(gè)測(cè)溫元件緊密貼合超低溫漂精密電阻對(duì)其進(jìn)行加熱。傳感器A測(cè)量環(huán)境溫度的同時(shí)，對(duì)傳感器B進(jìn)行恒功率加熱，并測(cè)量其升溫過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。傳感器B完成時(shí)間常數(shù)測(cè)量后，停止加熱進(jìn)行冷卻，利用算法確定其溫度趨于穩(wěn)定后，交替A、B傳感器的工作狀態(tài)，對(duì)A傳感器進(jìn)行恒功率加熱并計(jì)算時(shí)間常數(shù)，同時(shí)傳感器B進(jìn)行環(huán)境溫度測(cè)量。兩個(gè)傳感器持續(xù)交替工作，則可持續(xù)測(cè)量環(huán)境溫度和升溫時(shí)間常數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合出的函數(shù)關(guān)系，利用計(jì)算所得的時(shí)間常數(shù)和當(dāng)前風(fēng)速值，計(jì)算出沾水誤差的修正量，以獲得準(zhǔn)確溫度值。該方法能始終保持一個(gè)傳感器處于環(huán)境溫度測(cè)量狀態(tài)，同時(shí)避免傳感器表面沾水量過(guò)大。根據(jù)測(cè)得的時(shí)間常數(shù)與風(fēng)速值，該傳感器還能計(jì)算降水強(qiáng)度。

圖1　雙加熱傳感器測(cè)控電路

1.2測(cè)量與控制算法

為實(shí)現(xiàn)雙加熱傳感器的自動(dòng)輪換交替加熱與測(cè)量，需通過(guò)算法判別完成加熱和時(shí)間常數(shù)測(cè)量的傳感器是否已完成冷卻過(guò)程。這里利用平方差法進(jìn)行判斷，其平方差值為:

式中: Tj為采樣的溫度值，Tp為將采樣溫度值存入緩存區(qū)求得的平均值。當(dāng)G小于一定的閾值，即認(rèn)為冷卻過(guò)程結(jié)束。

為獲得時(shí)間常數(shù)、沾水誤差、降水強(qiáng)度和風(fēng)速之間的函數(shù)關(guān)系，搭建了模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)改變噴頭參數(shù)配置與數(shù)量來(lái)模擬不同降水強(qiáng)度，使用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生不同風(fēng)速環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)中，以一個(gè)不受沾水影響的溫度傳感器作為參考溫度傳感器。在降水強(qiáng)度為0 mm/min時(shí)，利用參考傳感器對(duì)雙加熱傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，逐步增大降水強(qiáng)度，可測(cè)得不同降水強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的沾水誤差和時(shí)間常數(shù)。在不同風(fēng)速和不同降水強(qiáng)度下，獲得多組測(cè)量結(jié)果，則可擬合出利用風(fēng)速和時(shí)間常數(shù)求解沾水誤差和降水強(qiáng)度的函數(shù)。本文使用Levenberg-Marquardt算法和通用全局優(yōu)化法擬合出時(shí)間常數(shù)、風(fēng)速與沾水誤差的函數(shù)關(guān)系，利用L-M算法計(jì)算時(shí)間常數(shù)。

溫度傳感器的階躍溫度響應(yīng)［4］為:

式中，T(t)為傳感器的體溫度時(shí)間函數(shù)，Tα為熱接點(diǎn)的初溫，Tθ為階躍溫度，t為時(shí)間變量，τ為時(shí)間常數(shù)。(2)式可簡(jiǎn)化為:

式中: y=T(t)，x1=Tα－Tθ，x2=－1/τ，x3=Tθ。根據(jù)式(3)擬合采樣數(shù)據(jù)，利用最小二乘法確定時(shí)間常數(shù)，非線性最小二乘問(wèn)題可定義為:

L-M算法有良好的迭代收斂范圍［5］和收斂速度［6］，是使用廣泛的非線性最小二乘算法，同時(shí)具有梯度法和牛頓法的優(yōu)點(diǎn)。其迭代格式為:

式中: uk和I分別為阻尼因子和單位矩陣。為避免出現(xiàn)死循環(huán)，本文設(shè)定了迭代循環(huán)的最大次數(shù)，改進(jìn)的L-M算法［7－8］迭代步驟如下:

(1)初始值x0，誤差限ε＞0，阻尼因子u0，縮放常數(shù)λ＞1，迭代計(jì)數(shù)CN=0，迭代最大次數(shù)為CNmax;

(2)求得f (xk)，Df (xk)，Df (xk)TDf (xk)及Df(xk)Tf(xk)，φ(xk) ;

(5)檢驗(yàn)φ(xk+1)≥φ(xk)，滿(mǎn)足，則令，轉(zhuǎn)步驟(3)，否則，轉(zhuǎn)步驟(2)。

2　傳感器電路與軟件設(shè)計(jì)

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用基于Cortex－M3架構(gòu)的32 bit ARM處理器STM32F103RBT6，對(duì)測(cè)得的溫度進(jìn)行處理，控制MOS管對(duì)兩個(gè)通道的加熱電阻Rh1、Rh2進(jìn)行交替加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)A級(jí)Pt1000鉑電阻測(cè)溫元件RTD1、RTD2進(jìn)行交替加熱烘干和冷卻。同時(shí)將所得的處理數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量，采用ADR444電壓基準(zhǔn)，為A/D采樣提供基準(zhǔn)電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用24位Σ/Δ型低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793。為避免引線電阻及測(cè)量電路隨環(huán)境變化的影響，采用Kelvin四線制測(cè)溫電路設(shè)計(jì)，并設(shè)有高精度基準(zhǔn)參考電阻Rref［9－10］。首先利用水三相點(diǎn)、固定點(diǎn)和Fluke 1595A超級(jí)測(cè)溫電橋?qū)?biāo)準(zhǔn)鉑電阻進(jìn)行檢測(cè);再利用Isotech干體爐對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻對(duì)雙加熱溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器測(cè)量溫度的誤差小于0.02℃。

為提高測(cè)量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用了10－6級(jí)溫漂的精密電阻作為加熱元件，其阻值為150 Ω。電路中亦設(shè)有低溫漂限流電阻。主控芯片根據(jù)兩個(gè)通道的溫度值進(jìn)行分析判斷，從而利用mΩ級(jí)導(dǎo)通電阻的MOS管開(kāi)關(guān)的通斷對(duì)加熱電阻進(jìn)行恒功率加熱和冷卻。

2.2基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需完成多通道ADC數(shù)據(jù)采集與處理、傳感器自校準(zhǔn)、加熱控制、數(shù)學(xué)計(jì)算、上位機(jī)通訊等工作，任務(wù)量大，實(shí)時(shí)要求性高，因此有必要引入實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。FreeRTOS能夠提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理、進(jìn)程間通信等功能［11］。相對(duì)于其他操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開(kāi)源、可剪裁和調(diào)度靈活的優(yōu)點(diǎn)，可方便移植到嵌入式控制器［12］，因此選用FreeRTOS系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)的具體功能特點(diǎn)分析，對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3個(gè)任務(wù)和1個(gè)中斷處理程序。本文的程序設(shè)計(jì)中調(diào)用xTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，中斷處理程序作為調(diào)度任務(wù)的事件觸發(fā)器，用信號(hào)量及時(shí)通知各個(gè)任務(wù)完成相關(guān)工作。程序任務(wù)按設(shè)定優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及分析處理、時(shí)間常數(shù)計(jì)算、誤差修正、降水強(qiáng)度計(jì)算等功能。

2.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用虛擬儀器軟件Labview設(shè)計(jì)上位機(jī)程序，使用RS232串口實(shí)現(xiàn)雙加熱傳感器與計(jì)算機(jī)的通信。上位機(jī)界面顯示兩個(gè)通道的實(shí)時(shí)溫度值、降水強(qiáng)度及溫度計(jì)算結(jié)果，并可輸出數(shù)據(jù)文件。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)依次測(cè)得不同降水強(qiáng)度IP為0.6 mm/min、1.0 mm/min、1.9 mm/min和2.4 mm/min。由風(fēng)速計(jì)測(cè)得不同的風(fēng)速v為0.3 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s。沾水誤差Te由參考溫度傳感器標(biāo)定后比較得出。通過(guò)改變風(fēng)速和降水強(qiáng)度，測(cè)得溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)及誤差值。無(wú)風(fēng)條件下，不同降水強(qiáng)度測(cè)試所得數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)所得的三維關(guān)系如圖3所示，其數(shù)據(jù)點(diǎn)為多次測(cè)量值的平均值。

表1　無(wú)風(fēng)條件下，不同降水強(qiáng)度測(cè)試所得數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)可擬合出降水強(qiáng)度與時(shí)間常數(shù)、風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系為:

式中: p1=2 206.046 9，p2=－65.398 9，p3= 8.516 1，p4=－945.627，p5= 137.934 9，p6=－6.690 6，p7= 141.595 9，p8=－34.596 9，p9= 36.869，p10=－13.123，p11=1.335 5。

溫度傳感器因沾水引起的誤差變化與對(duì)應(yīng)時(shí)間常數(shù)、風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系為:

為驗(yàn)證該傳感的精度，通過(guò)3組實(shí)驗(yàn)獲取了不同風(fēng)速，降水強(qiáng)度情況下的各測(cè)量值，將降水強(qiáng)度值、沾水誤差值與上述函數(shù)的計(jì)算結(jié)果作為計(jì)算值進(jìn)行比較，如表2所示。該傳感器在3組實(shí)驗(yàn)中將沾水誤差降低分別從修正前的－0.163 2℃、－0.225 8℃、－0.201 5℃降至0.020 5℃、－0.025 7℃、0.014 5℃。

圖3　風(fēng)速、降水強(qiáng)度對(duì)時(shí)間常數(shù)與沾水誤差的影響

表2　沾水誤差修正與降水強(qiáng)度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種雙加熱溫度傳感器，通過(guò)擬合不同降水強(qiáng)度下，時(shí)間常數(shù)、風(fēng)速與沾水誤差的函數(shù)關(guān)系，修正水沾附傳感器產(chǎn)生的誤差，在一定的風(fēng)速、降水強(qiáng)度范圍內(nèi)，該傳感器能使沾水引起的誤差降低至±0.1℃以下。同時(shí)通過(guò)擬合降水強(qiáng)度、時(shí)間常數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系，使該傳感器具有初步的降水強(qiáng)度測(cè)量功能，測(cè)量誤差低于±0.2 mm/min。與傳統(tǒng)探空儀溫度傳感器相比，該雙加熱溫度傳感器不但精度高，具有消除沾水誤差的能力，亦可初步實(shí)現(xiàn)降水強(qiáng)度的測(cè)量，在便攜式氣象站及高空探測(cè)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

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韓曉丹(1989－)，女，碩士生，主要研究方向?yàn)閭鞲衅魍鈬娐吩O(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，hanvickie@ 163.com;

劉清惓(1979－)，男，博士，2002年獲東南大學(xué)碩士學(xué)位，2006年獲加州大學(xué)戴維斯分校博士學(xué)位。目前任南京信息工程大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)镸EMS傳感器技術(shù)、氣象探測(cè)，q.liu@ ieee.org。

Development of on-Line Detection Instrument Based on Microbial Density*

ZHOU Pengfei1，WANG Zhenghua2，ZHANG Xiaomei2，WANG Jinhui2，LIANG Wei2，CAI Jialing2，LIU Ge2，3，CAI Qiang1，2*
(1.Electronic Information Institution of Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China; 2.Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University in Zhejiang，Jiaxing Zhejiang 314006，China; 3.Beijing Chinainvent Instrument Tech Co.，Ltd，Beijing 100085，China)

Abstract:As the microbial density is an important biochemical parameters of the training process，therefore，in order to detect the parameters，the design adopts the method of online measuring optical density of the reactor to obtain information on the growth of microorganisms，and flow photoelectric colorimetric instrument was developed based on this principles.Through MCU STM32F107VC output PWM to control peristaltic pump，to achieve the culture of continuous flow through the optical flow cuvette，using photocell to detect culture absorbed light intensity.The instrument can display detected parameters independently and adjust the control parameters，also can communicate with the PC by RS485.The instrument can achieve real-time monitoring of the growth of microorganisms in the reactor.

Key words:microbial density; optical density; photocell; RS485; on-line test

中圖分類(lèi)號(hào):TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 03－0621－05

收稿日期:2015－03－06修改日期: 2015－03－31

doi:EEACC: 7210G10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.030