應用于氣象探測的雙加熱溫度傳感器設計*

韓曉丹，劉清惓1，*，楊　杰

(1.江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京210044; 2.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京210044; 3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044; 4.中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京210044; 5.南京信息工程大學大氣物理學院，南京210044)

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應用于氣象探測的雙加熱溫度傳感器設計*

韓曉丹2，3，劉清惓1，2，3*，楊杰4，5

(1.江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京210044; 2.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京210044; 3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044; 4.中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京210044; 5.南京信息工程大學大氣物理學院，南京210044)

摘要:為消除高空氣象探測等領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，利用溫度測量元件交替加熱測量的方法獲得不同風速及降水強度條件下沾水誤差與時間常數的變化。通過擬合對應的函數關系可實現沾水誤差修正和降水強度測量功能。實驗結果表明，在一定的風速及降水強度范圍內，該傳感器能使沾水引起的誤差從±0.3℃降低至±0.1℃以下，降水強度測量誤差低于±0.2 mm/min。與傳統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，亦可初步實現降水強度的測量。

關鍵詞:溫度傳感器;降水強度; L-M算法;時間常數

項目來源:國家公益性行業(氣象)科研專項項目(GYHY200906037，GYHY201306079) ;國家自然科學基金項目(41275042) ;江蘇高校優勢學科建設工程項目

高空溫度探測對氣候變化研究、天氣預報具有重要意義［1］。其準確性直接影響到高空大氣形勢、氣候系統分析和預報結果，對監測全球變暖具有尤其重要的意義［2］。這些應用需要高空測溫精度達到±0.1℃。

在探空溫度測量中，溫度傳感器探頭暴露在空氣中，在穿云過程中，云滴附著在探頭表面，等同于受到一定強度的降水。蒸發吸熱等原因使傳感器在穿云時測得溫度偏離真實大氣溫度。氣象探測的經驗數據顯示，這種沾水誤差經常超過0.2℃，已成為高空氣象探測精度提高的一個重要瓶頸［3］。本文發現，在一定條件下，沾水誤差和傳感器探頭的加熱響應速度呈一定的函數關系。本文首次提出一種雙加熱溫度傳感器，利用L-M算法對溫度階躍響應曲線進行曲線擬合，從而獲得傳感器升溫時間常數，并計算出沾水誤差的修正量，從而提高了測量精度。

1　傳感器系統設計

1.1傳感器總體設計

為降低沾水誤差對探空溫度測量精度的影響，我們在實驗中發現，對探空溫度傳感器探頭進行恒功率升溫時，溫度變化的時間常數、沾水誤差、降水強度和風速這4個參數呈一定函數關系。可通過實驗數據擬合出對應的函數關系，并利用時間常數和風速求解出沾水誤差和降水強度。探空儀的上升速度(風速)可由北斗/GPS數據獲得;利用本文提出的雙加熱傳感器設計，可求得時間常數，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兩個相同的測溫元件進行交替測量，每個測溫元件緊密貼合超低溫漂精密電阻對其進行加熱。傳感器A測量環境溫度的同時，對傳感器B進行恒功率加熱，并測量其升溫過程的時間常數。傳感器B完成時間常數測量后，停止加熱進行冷卻，利用算法確定其溫度趨于穩定后，交替A、B傳感器的工作狀態，對A傳感器進行恒功率加熱并計算時間常數，同時傳感器B進行環境溫度測量。兩個傳感器持續交替工作，則可持續測量環境溫度和升溫時間常數。根據實驗擬合出的函數關系，利用計算所得的時間常數和當前風速值，計算出沾水誤差的修正量，以獲得準確溫度值。該方法能始終保持一個傳感器處于環境溫度測量狀態，同時避免傳感器表面沾水量過大。根據測得的時間常數與風速值，該傳感器還能計算降水強度。

圖1　雙加熱傳感器測控電路

1.2測量與控制算法

為實現雙加熱傳感器的自動輪換交替加熱與測量，需通過算法判別完成加熱和時間常數測量的傳感器是否已完成冷卻過程。這里利用平方差法進行判斷，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求得的平均值。當G小于一定的閾值，即認為冷卻過程結束。

為獲得時間常數、沾水誤差、降水強度和風速之間的函數關系，搭建了模擬實驗平臺，通過改變噴頭參數配置與數量來模擬不同降水強度，使用風機產生不同風速環境。在實驗中，以一個不受沾水影響的溫度傳感器作為參考溫度傳感器。在降水強度為0 mm/min時，利用參考傳感器對雙加熱傳感器進行標定后，逐步增大降水強度，可測得不同降水強度所對應的沾水誤差和時間常數。在不同風速和不同降水強度下，獲得多組測量結果，則可擬合出利用風速和時間常數求解沾水誤差和降水強度的函數。本文使用Levenberg-Marquardt算法和通用全局優化法擬合出時間常數、風速與沾水誤差的函數關系，利用L-M算法計算時間常數。

溫度傳感器的階躍溫度響應［4］為:

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

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

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，同時具有梯度法和牛頓法的優點。其迭代格式為:

式中: uk和I分別為阻尼因子和單位矩陣。為避免出現死循環，本文設定了迭代循環的最大次數，改進的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λ＞1，迭代計數CN=0，迭代最大次數為CNmax;

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

(5)檢驗φ(xk+1)≥φ(xk)，滿足，則令，轉步驟(3)，否則，轉步驟(2)。

2　傳感器電路與軟件設計

2.1硬件電路設計

系統使用基于Cortex－M3架構的32 bit ARM處理器STM32F103RBT6，對測得的溫度進行處理，控制MOS管對兩個通道的加熱電阻Rh1、Rh2進行交替加熱，實現對兩個A級Pt1000鉑電阻測溫元件RTD1、RTD2進行交替加熱烘干和冷卻。同時將所得的處理數據通過串口發送至上位機。具體系統結構框圖如圖2所示。

圖2　系統結構框圖

為實現高精度溫度測量，采用ADR444電壓基準，為A/D采樣提供基準電壓。模數轉換芯片采用24位Σ/Δ型低噪聲模數轉換器AD7793。為避免引線電阻及測量電路隨環境變化的影響，采用Kelvin四線制測溫電路設計，并設有高精度基準參考電阻Rref［9－10］。首先利用水三相點、固定點和Fluke 1595A超級測溫電橋對標準鉑電阻進行檢測;再利用Isotech干體爐對標準鉑電阻對雙加熱溫度傳感器進行校準。測試結果表明，該傳感器測量溫度的誤差小于0.02℃。

為提高測量精度和系統穩定性，采用了10－6級溫漂的精密電阻作為加熱元件，其阻值為150 Ω。電路中亦設有低溫漂限流電阻。主控芯片根據兩個通道的溫度值進行分析判斷，從而利用mΩ級導通電阻的MOS管開關的通斷對加熱電阻進行恒功率加熱和冷卻。

2.2基于實時操作系統的軟件設計

該系統需完成多通道ADC數據采集與處理、傳感器自校準、加熱控制、數學計算、上位機通訊等工作，任務量大，實時要求性高，因此有必要引入實時嵌入式操作系統。FreeRTOS能夠提供任務管理、內存管理、時間管理、進程間通信等功能［11］。相對于其他操作系統，該系統具有開源、可剪裁和調度靈活的優點，可方便移植到嵌入式控制器［12］，因此選用FreeRTOS系統。

根據系統的具體功能特點分析，對該系統設計了3個任務和1個中斷處理程序。本文的程序設計中調用xTaskCreate()函數創建任務，中斷處理程序作為調度任務的事件觸發器，用信號量及時通知各個任務完成相關工作。程序任務按設定優先級順序執行實現數據采集及分析處理、時間常數計算、誤差修正、降水強度計算等功能。

2.3上位機軟件設計

本系統采用虛擬儀器軟件Labview設計上位機程序，使用RS232串口實現雙加熱傳感器與計算機的通信。上位機界面顯示兩個通道的實時溫度值、降水強度及溫度計算結果，并可輸出數據文件。

3　實驗結果與分析

實驗依次測得不同降水強度IP為0.6 mm/min、1.0 mm/min、1.9 mm/min和2.4 mm/min。由風速計測得不同的風速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定后比較得出。通過改變風速和降水強度，測得溫度傳感器的時間常數及誤差值。無風條件下，不同降水強度測試所得數據如表1所示。實驗所得的三維關系如圖3所示，其數據點為多次測量值的平均值。

表1　無風條件下，不同降水強度測試所得數據

根據測得的數據可擬合出降水強度與時間常數、風速的函數關系為:

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應時間常數、風速的函數關系為:

為驗證該傳感的精度，通過3組實驗獲取了不同風速，降水強度情況下的各測量值，將降水強度值、沾水誤差值與上述函數的計算結果作為計算值進行比較，如表2所示。該傳感器在3組實驗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　風速、降水強度對時間常數與沾水誤差的影響

表2　沾水誤差修正與降水強度測量的實驗結果

4　結束語

本文提出了一種雙加熱溫度傳感器，通過擬合不同降水強度下，時間常數、風速與沾水誤差的函數關系，修正水沾附傳感器產生的誤差，在一定的風速、降水強度范圍內，該傳感器能使沾水引起的誤差降低至±0.1℃以下。同時通過擬合降水強度、時間常數與風速的關系，使該傳感器具有初步的降水強度測量功能，測量誤差低于±0.2 mm/min。與傳統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，亦可初步實現降水強度的測量，在便攜式氣象站及高空探測等領域具有一定的應用潛力。

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韓曉丹(1989－)，女，碩士生，主要研究方向為傳感器外圍電路設計、嵌入式系統軟件設計，hanvickie@ 163.com;

劉清惓(1979－)，男，博士，2002年獲東南大學碩士學位，2006年獲加州大學戴維斯分校博士學位。目前任南京信息工程大學教授、博士生導師。主要研究方向為MEMS傳感器技術、氣象探測，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

中圖分類號:TP212.9

文獻標識碼:A

文章編號: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