基于電子探空儀的JKZ3型基測(cè)箱設(shè)計(jì)

顧縈伊

(上海長(zhǎng)望氣象科技股份有限公司，上海 201209)

0 引言

電子探空儀基測(cè)箱是為數(shù)字探空儀施放前與基測(cè)箱內(nèi)的溫度、濕度標(biāo)準(zhǔn)器、氣壓標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行比對(duì)而設(shè)計(jì)的一臺(tái)綜合性檢測(cè)設(shè)備[1]。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的電子探空儀基測(cè)箱，存在測(cè)量精度低、外形體積笨重、分體式設(shè)計(jì)、操作流程復(fù)雜等問題，因此研發(fā)新的探空儀基測(cè)箱十分必要。為此，在原有基礎(chǔ)上完善了電子探空儀基測(cè)箱整機(jī)外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研制出了JKZ3型電子探空儀基測(cè)箱。

JKZ3型電子探空儀基測(cè)箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了改進(jìn)，首先在外觀、重量上進(jìn)行了輕量化一體式設(shè)計(jì)，使得整機(jī)攜帶輕便；其次設(shè)計(jì)出自動(dòng)上水的干濕球表棒座裝置，可更好地測(cè)定溫濕度數(shù)值；同時(shí)新增雙層飽和鹽托盤的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得檢測(cè)室的溫濕度環(huán)境更加均勻穩(wěn)定。在功能上，JKZ3型探空儀基測(cè)箱首次采用觸摸屏的人機(jī)交互界面，并采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器及功能模塊，使得JKZ3型基測(cè)箱可以更好地服務(wù)氣象臺(tái)站、溫濕度檢定等生產(chǎn)與科研單位。

1 工作原理

JKZ3型電子探空儀基測(cè)箱采集控制電路采集通風(fēng)干濕球傳感器PT100輸出模擬量、濕敏電容傳感器電壓輸出模擬量，進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算后顯示溫度、濕度、零點(diǎn)濕度等參數(shù)。采用PTB210數(shù)字氣壓表作為地面標(biāo)準(zhǔn)氣壓的測(cè)量。數(shù)據(jù)采集控制電路同時(shí)對(duì)探空儀工作電流進(jìn)行測(cè)量，并將以上測(cè)量值通過智能顯示屏顯示。內(nèi)置電源轉(zhuǎn)換模塊為采集控制電路及探空儀提供電源，同時(shí)輸出可編程電壓為探空儀供電，同時(shí)通過RS232串口及有線/無線串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與上位機(jī)進(jìn)行通訊。工作原理圖見圖1。

2 整機(jī)組成

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)主要分為檢測(cè)室、濕度零點(diǎn)檢測(cè)室、采集控制單元。

機(jī)殼采用工程塑料與鈑金件相結(jié)合的方式制成，外形尺寸(長(zhǎng)、寬、高)：425mm×370mm×265mm，重量約20kg。結(jié)構(gòu)牢固輕便，密封性好，外表面噴漆處理。檢測(cè)室、零點(diǎn)檢測(cè)室、采集控制單元分別安裝于基測(cè)箱內(nèi)部，呈模塊化方式安裝?？傠娫撮_關(guān)、檢測(cè)室風(fēng)扇開關(guān)和零件檢測(cè)室風(fēng)扇開關(guān)位于基測(cè)箱正面右下方。

整體由標(biāo)準(zhǔn)器(通風(fēng)干濕球溫度表、氣壓傳感器、濕敏電容傳感器)、數(shù)據(jù)采集控制單元、智能顯示終端單元、數(shù)據(jù)傳輸電路單元、供電單元、飽和鹽及托盤和機(jī)箱等組成，基測(cè)箱組成結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意圖,如圖2所示。

圖2 基測(cè)箱組成結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意圖

2.1.1 檢測(cè)室

在檢測(cè)室為雙層循環(huán)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，檢測(cè)室內(nèi)裝有通風(fēng)干濕球溫度傳感器、自動(dòng)上水裝置、軸流風(fēng)機(jī)，飽和鹽托盤放置區(qū)、檢測(cè)室頂部布置有探空儀溫濕度傳感器支架插入口。探空儀溫濕度元件與標(biāo)準(zhǔn)器的比對(duì)在檢測(cè)室內(nèi)進(jìn)行。

通風(fēng)干濕球溫度傳感器由干球溫度傳感器、濕球溫度傳感器、軸流風(fēng)機(jī)組成。將其中一個(gè)溫度傳感器表?xiàng)U包裹脫脂紗布，并將紗布另一端放置于蒸餾水儲(chǔ)水管內(nèi)，使之自動(dòng)吸水，作為濕球溫度傳感器，兩支表?xiàng)U安裝放置于風(fēng)機(jī)通風(fēng)風(fēng)道檢測(cè)口的下風(fēng)口的等高處，通過干濕球的溫度、氣壓等參數(shù)測(cè)量，間接計(jì)算濕度值。

自動(dòng)上水裝置設(shè)計(jì)為分離部件，采用磁吸式抽拉從測(cè)試腔中取出，方便儲(chǔ)水盒加水操作。

軸流風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)量大、風(fēng)速穩(wěn)定、溫升小、使用壽命長(zhǎng)。其作用是通過恒速運(yùn)轉(zhuǎn)后向干濕球溫度傳感器輸送恒定的風(fēng)量，保證A系數(shù)的穩(wěn)定性。另一方面通過軸流風(fēng)機(jī)在雙層風(fēng)道內(nèi)的大風(fēng)量攪拌，使檢測(cè)室檢測(cè)區(qū)內(nèi)的溫度、濕度的均勻性得到很好的保證。

飽和鹽托盤采用聚四氟乙烯材料制作的雙層托盤，可以通過基測(cè)箱側(cè)面的磁吸式抽拉取出,方便進(jìn)行飽和鹽溶液的配制。

2.1.2 濕度零點(diǎn)檢測(cè)室

濕度零點(diǎn)檢測(cè)室安裝于基測(cè)箱檢測(cè)室右邊側(cè)面，零點(diǎn)檢測(cè)室采用分子篩干燥劑為吸濕材料控制產(chǎn)生0%RH濕度環(huán)境，用于探空儀濕度元件的零點(diǎn)校準(zhǔn)。

探空儀溫濕度支架從檢測(cè)器上部插入零點(diǎn)檢測(cè)器檢測(cè)室內(nèi)；工作時(shí)，檢測(cè)器處于密封狀態(tài)，并有通過干燥劑和被測(cè)元件的氣流循環(huán)，同時(shí)在零點(diǎn)檢測(cè)室內(nèi)安裝高精度濕敏電容傳感器，用于零點(diǎn)濕度環(huán)境檢測(cè)，此外零點(diǎn)檢測(cè)室檢測(cè)區(qū)還留有干球溫度表安裝位置，可將檢測(cè)室的干球溫度表棒插入該位置，用于測(cè)量零點(diǎn)環(huán)境溫度。

2.1.3 采集控制單元

采集控制單元主要由采集控制電路、電源轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡(luò)串口服務(wù)器、程控電源模塊等組成。

采集控制電路由stm32微處理器和AD轉(zhuǎn)換為主搭配外圍接口電路，以及通風(fēng)干濕表的通道選擇電路、可編程電壓輸出電路、探空儀工作電流檢測(cè)電路、讀取氣壓、濕敏電容以及與智能顯示屏、上位機(jī)交互接口電路等。

電源轉(zhuǎn)換模塊電路板由金升陽的1套LH40-20B12 220VAc轉(zhuǎn)12VDc正電源模塊和兩套LH25-20B24 220VAc分別轉(zhuǎn)±24VDc電源模塊電路組成。分別為采集控制器及風(fēng)扇提供12VDc工作電流和±24VDc可編程電壓輸出提供電源保障。

智能顯示終端可顯示電子探空儀基測(cè)箱測(cè)試室內(nèi)的干球溫度、濕球溫度、露點(diǎn)溫度、濕度值以及標(biāo)準(zhǔn)氣壓值和探空儀電池電壓測(cè)量值，也可修改傳感器參數(shù)、基測(cè)箱參數(shù)等。

基測(cè)箱外部接口布置在背板上，通過航空插座與外部線路相連接，分別為干球傳感器接入、濕球傳感器接入、濕敏電容傳感器接入、探空儀改頻設(shè)置輸出、探空儀可編程電壓供電輸出、探空儀電池電壓測(cè)量接入。

此外，還設(shè)置了氣壓標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)氣嘴和有線網(wǎng)絡(luò)/RS232通訊輸出口和USB通訊口。

3 標(biāo)準(zhǔn)傳感器及功能模塊

3.1 通風(fēng)干濕表溫濕度傳感器

溫濕度標(biāo)準(zhǔn)器采用PT100鉑熱電阻，精度等級(jí)1/6 B級(jí)(±0.05℃)，配對(duì)組成干濕球溫度傳感器，采用四線制測(cè)量法，用于消除導(dǎo)線電阻帶來的測(cè)量誤差。

PT100鉑熱電阻特點(diǎn)是測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定。PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100Ω，當(dāng)溫度上升時(shí)，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速趨近于一條拋物線式的增長(zhǎng)，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5Ω。

濕度測(cè)量(10%RH至95%RH量程)采用干濕球溫差效應(yīng)原理，通過將其中一個(gè)PT100溫度傳感器表?xiàng)U包裹脫脂紗布，并將紗布另一端放置于蒸餾水上水裝置內(nèi)，使之自動(dòng)吸水，作為濕球溫度傳感器，將干球溫度傳感器和濕球溫度傳感器溫度校準(zhǔn)差值在<0.1℃內(nèi)后，兩支表?xiàng)U安裝放置于風(fēng)機(jī)通風(fēng)風(fēng)道的等高處，確保流過干濕表的風(fēng)速在2.5～4m/s之間，待穩(wěn)定后，通過干濕球的溫度、氣壓等參數(shù)測(cè)量，間接計(jì)算濕度。

為了保證濕度測(cè)量的準(zhǔn)確，在選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了溫度傳感器、通風(fēng)速度、濕球表面紗布污染的影響。

①為了確保消除溫度傳感器的影響，干濕表溫度傳感器由兩支高精度鉑電阻溫度傳感器組成，通過溫度校準(zhǔn)，確保兩個(gè)溫度傳感器誤差在0.1℃以內(nèi)。

②通過軸流風(fēng)機(jī)的選型及風(fēng)道的設(shè)計(jì)，確保流過干濕表的風(fēng)速在2.5～4m/s,使干濕球系數(shù)趨近于一個(gè)穩(wěn)定值，保證濕度計(jì)算的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

③濕球表面的脫脂紗布采用專用的氣象脫脂紗布制成的紗套，緊套在濕球表棒上，同時(shí)采用蒸餾水給紗布供水，避免紗套變質(zhì)。

3.2 氣壓傳感器

采用VAISALA的PTB210，PTB210是完全補(bǔ)償?shù)臄?shù)字氣壓表，具有較寬的工作溫度和氣壓測(cè)量范圍。感應(yīng)元件采用VAISALA研制的硅電容壓力傳感器BAROCAP，具有優(yōu)異的滯后性和重復(fù)性及溫度特性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

PTB210氣壓傳感器的測(cè)量原理是基于一個(gè)由三個(gè)參考電容組成的先進(jìn)RC振蕩電路，電容壓力傳感器和電容溫度補(bǔ)償傳感器座連續(xù)測(cè)量，微處理器自動(dòng)進(jìn)行壓力線性補(bǔ)償，當(dāng)周圍環(huán)境氣壓的變化，使氣壓傳感器內(nèi)部的感應(yīng)元件硅電容的電容值發(fā)生變化，通過測(cè)量電容量來測(cè)量電壓，獲得精確的氣壓值。

采集控制電路讀取數(shù)字氣壓表串口數(shù)字量，編程轉(zhuǎn)換后在基測(cè)箱智能顯示屏上顯示基準(zhǔn)地面氣壓值。同時(shí)通過同一個(gè)通訊串口，可對(duì)數(shù)字氣壓表進(jìn)行測(cè)量值修正。

3.3 微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片

微處理器采用STM32F767高性能單片機(jī)。STM32F767具有以下功能：FLASH可同時(shí)讀/寫且在系統(tǒng)可編程，內(nèi)部具有4通道DMA控制器，8通道事件系統(tǒng)和可編程多級(jí)中斷控制器和多達(dá)78個(gè)通用I/O口，16位或32位實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)，8個(gè)帶有比較模式和PWM的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以及8個(gè)通用同步異步收發(fā)器(USART)、4個(gè)I2C和兼容SMBUS的雙線串行接口(TWI)，10個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)，同時(shí)該單片機(jī)還具有2個(gè)8通道12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可選差分輸入和可編程增益控制，4個(gè)獨(dú)立A/D通道，2個(gè)2通道D/A，4個(gè)帶窗口模式的模擬比較器，帶內(nèi)部獨(dú)立振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，精密的內(nèi)部振蕩器，帶鎖相環(huán)和預(yù)分頻器，可以進(jìn)行掉電檢測(cè)。

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用Analog Devices公司的AD7794。AD7794的功能及技術(shù)特性有：AD7794提供了儀器儀表應(yīng)用所要求的幾乎全部功能，AD7794具有功耗低和完全模擬輸入端子，可用于低頻信號(hào)的測(cè)量。該系列ADC采用2.7～5.25V單電源供電，噪聲只有40nVrms，從而使其適合高精度測(cè)量的應(yīng)用。同時(shí)它也集成了6個(gè)差分傳感通道的24位ADC，適用較多通道的應(yīng)用。這6個(gè)差分通道可兩兩組合成差分信號(hào)和差分參考輸入，能有效克服共模干擾。片上還有低噪聲、低溫漂的增益級(jí)儀用放大器電路，增益可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

AD7794的低噪聲儀表放大器可以工作在斬波模式，斬波器是AD7794的一個(gè)內(nèi)嵌部件，可以用于消除飄移造成的誤差。斬波器的工作原理就是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入部件多路復(fù)用器的輸出處交替地倒相(或削波)。然后，對(duì)每次斬波的正和負(fù)信號(hào)區(qū)段進(jìn)行二次模數(shù)轉(zhuǎn)換。用數(shù)字濾波器對(duì)這兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均。如此消除了模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)出現(xiàn)的任何失調(diào)誤差，更重要的是，將溫度對(duì)失調(diào)漂移的影響降到最低。

3.4 智能顯示終端

智能顯示終端采用北京大器智成的GLM-80S-C(8寸可編程智能型串口TFT液晶)。該智能顯示屏具備強(qiáng)大的界面設(shè)計(jì)工具,豐富的顯示控件支持，簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)交互指令,靈活的動(dòng)作控制腳本,三線串口直接驅(qū)動(dòng)等功能。

可以通過智能顯示屏顯示基測(cè)箱的標(biāo)準(zhǔn)氣壓、干球溫度、濕球溫度、零點(diǎn)濕度、露點(diǎn)溫度、探空儀工作電流值等。亦可與智能顯示屏交互，在傳感器校準(zhǔn)時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正、按需求輸出電壓(±15V、1A)為外設(shè)供電。

3.5 有線/無線串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

有線/無線串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用USR-WIFI232-610串口服務(wù)器，具有串口轉(zhuǎn)WIFI功能，能夠?qū)S-232串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)RS-232串口與WIFI的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于將基測(cè)箱標(biāo)準(zhǔn)器的輸出值，經(jīng)網(wǎng)口或WIFI通信方式傳輸給計(jì)算機(jī)。

4 測(cè)試及應(yīng)用試驗(yàn)

本電子探空儀基測(cè)箱已在中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心進(jìn)行了考核并順利通過，以下列舉編號(hào)為001、002、003的三臺(tái)基測(cè)箱對(duì)溫度、濕度、氣壓的測(cè)試結(jié)果。

4.1 溫度準(zhǔn)確性測(cè)試

對(duì)3臺(tái)基測(cè)箱分別在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了溫度準(zhǔn)確性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 溫度準(zhǔn)確性 單位：℃

4.2 濕度準(zhǔn)確性測(cè)試

對(duì)三臺(tái)基測(cè)箱分別在0%RH、10%RH、35%RH、75%RH、95%RH五個(gè)濕度檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了濕度準(zhǔn)確性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 濕度準(zhǔn)確性 單位：%RH

4.3 氣壓準(zhǔn)確性測(cè)試

對(duì)三臺(tái)基測(cè)箱分別在500hPa、600hPa、700hPa、800hPa、900hPa、1000hPa、1060hPa七個(gè)氣壓檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了氣壓準(zhǔn)確性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 氣壓準(zhǔn)確性 單位：hPa

4.4 應(yīng)用試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)該電子探空儀基測(cè)箱進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)測(cè)試，選用的型號(hào)為GTS12探空儀，表4為抽取了編號(hào)001的基測(cè)箱的測(cè)試結(jié)果。

表4 應(yīng)用試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)過測(cè)試應(yīng)用，該JKZ3型電子探空儀基測(cè)箱具有以下特點(diǎn)：通過自動(dòng)上水的干濕球表棒座裝置、雙層飽和鹽托盤及循環(huán)風(fēng)道的設(shè)計(jì)，與舊的基測(cè)箱相比，該基測(cè)箱提高了溫度、濕度、氣壓測(cè)量的準(zhǔn)確度，并實(shí)現(xiàn)了信息的顯示及人機(jī)交互，能夠存儲(chǔ)和修正各項(xiàng)參數(shù)，并能給施放的探空儀供電，參數(shù)接口也兼容更多廠家生產(chǎn)的探空儀，方便了探空儀的基測(cè)流程。

該基測(cè)箱在外觀等方面一體化設(shè)計(jì)的改進(jìn)，在操作上更加方便，在溫濕度檢測(cè)和標(biāo)定、氣象等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。