基于電子探空儀的JKZ3型基測箱設計

顧縈伊

(上海長望氣象科技股份有限公司，上海 201209)

0 引言

電子探空儀基測箱是為數字探空儀施放前與基測箱內的溫度、濕度標準器、氣壓標準器進行比對而設計的一臺綜合性檢測設備[1]。目前國內現有的電子探空儀基測箱，存在測量精度低、外形體積笨重、分體式設計、操作流程復雜等問題，因此研發新的探空儀基測箱十分必要。為此，在原有基礎上完善了電子探空儀基測箱整機外形及內部結構，研制出了JKZ3型電子探空儀基測箱。

JKZ3型電子探空儀基測箱在結構設計上進行了改進，首先在外觀、重量上進行了輕量化一體式設計，使得整機攜帶輕便；其次設計出自動上水的干濕球表棒座裝置，可更好地測定溫濕度數值；同時新增雙層飽和鹽托盤的設計結構，使得檢測室的溫濕度環境更加均勻穩定。在功能上，JKZ3型探空儀基測箱首次采用觸摸屏的人機交互界面，并采用標準傳感器及功能模塊，使得JKZ3型基測箱可以更好地服務氣象臺站、溫濕度檢定等生產與科研單位。

1 工作原理

JKZ3型電子探空儀基測箱采集控制電路采集通風干濕球傳感器PT100輸出模擬量、濕敏電容傳感器電壓輸出模擬量，進行轉換計算后顯示溫度、濕度、零點濕度等參數。采用PTB210數字氣壓表作為地面標準氣壓的測量。數據采集控制電路同時對探空儀工作電流進行測量，并將以上測量值通過智能顯示屏顯示。內置電源轉換模塊為采集控制電路及探空儀提供電源，同時輸出可編程電壓為探空儀供電，同時通過RS232串口及有線/無線串口網絡服務器與上位機進行通訊。工作原理圖見圖1。

2 整機組成

2.1 整機結構

整機結構主要分為檢測室、濕度零點檢測室、采集控制單元。

機殼采用工程塑料與鈑金件相結合的方式制成，外形尺寸(長、寬、高)：425mm×370mm×265mm，重量約20kg。結構牢固輕便，密封性好，外表面噴漆處理。檢測室、零點檢測室、采集控制單元分別安裝于基測箱內部，呈模塊化方式安裝。總電源開關、檢測室風扇開關和零件檢測室風扇開關位于基測箱正面右下方。

整體由標準器(通風干濕球溫度表、氣壓傳感器、濕敏電容傳感器)、數據采集控制單元、智能顯示終端單元、數據傳輸電路單元、供電單元、飽和鹽及托盤和機箱等組成，基測箱組成結構內部示意圖,如圖2所示。

圖2 基測箱組成結構內部示意圖

2.1.1 檢測室

在檢測室為雙層循環風道結構，檢測室內裝有通風干濕球溫度傳感器、自動上水裝置、軸流風機，飽和鹽托盤放置區、檢測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準器的比對在檢測室內進行。

通風干濕球溫度傳感器由干球溫度傳感器、濕球溫度傳感器、軸流風機組成。將其中一個溫度傳感器表桿包裹脫脂紗布，并將紗布另一端放置于蒸餾水儲水管內，使之自動吸水，作為濕球溫度傳感器，兩支表桿安裝放置于風機通風風道檢測口的下風口的等高處，通過干濕球的溫度、氣壓等參數測量，間接計算濕度值。

自動上水裝置設計為分離部件，采用磁吸式抽拉從測試腔中取出，方便儲水盒加水操作。

軸流風機的特點是風量大、風速穩定、溫升小、使用壽命長。其作用是通過恒速運轉后向干濕球溫度傳感器輸送恒定的風量，保證A系數的穩定性。另一方面通過軸流風機在雙層風道內的大風量攪拌，使檢測室檢測區內的溫度、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，可以通過基測箱側面的磁吸式抽拉取出,方便進行飽和鹽溶液的配制。

2.1.2 濕度零點檢測室

濕度零點檢測室安裝于基測箱檢測室右邊側面，零點檢測室采用分子篩干燥劑為吸濕材料控制產生0%RH濕度環境，用于探空儀濕度元件的零點校準。

探空儀溫濕度支架從檢測器上部插入零點檢測器檢測室內；工作時，檢測器處于密封狀態，并有通過干燥劑和被測元件的氣流循環，同時在零點檢測室內安裝高精度濕敏電容傳感器，用于零點濕度環境檢測，此外零點檢測室檢測區還留有干球溫度表安裝位置，可將檢測室的干球溫度表棒插入該位置，用于測量零點環境溫度。

2.1.3 采集控制單元

采集控制單元主要由采集控制電路、電源轉換模塊、網絡串口服務器、程控電源模塊等組成。

采集控制電路由stm32微處理器和AD轉換為主搭配外圍接口電路，以及通風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電路、讀取氣壓、濕敏電容以及與智能顯示屏、上位機交互接口電路等。

電源轉換模塊電路板由金升陽的1套LH40-20B12 220VAc轉12VDc正電源模塊和兩套LH25-20B24 220VAc分別轉±24VDc電源模塊電路組成。分別為采集控制器及風扇提供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箱測試室內的干球溫度、濕球溫度、露點溫度、濕度值以及標準氣壓值和探空儀電池電壓測量值，也可修改傳感器參數、基測箱參數等。

基測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、探空儀改頻設置輸出、探空儀可編程電壓供電輸出、探空儀電池電壓測量接入。

此外，還設置了氣壓標準器校準氣嘴和有線網絡/RS232通訊輸出口和USB通訊口。

3 標準傳感器及功能模塊

3.1 通風干濕表溫濕度傳感器

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

PT100鉑熱電阻特點是測量精度高、性能穩定。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100Ω，當溫度上升時，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速趨近于一條拋物線式的增長，在100℃時它的阻值約為138.5Ω。

濕度測量(10%RH至95%RH量程)采用干濕球溫差效應原理，通過將其中一個PT100溫度傳感器表桿包裹脫脂紗布，并將紗布另一端放置于蒸餾水上水裝置內，使之自動吸水，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差值在<0.1℃內后，兩支表桿安裝放置于風機通風風道的等高處，確保流過干濕表的風速在2.5～4m/s之間，待穩定后，通過干濕球的溫度、氣壓等參數測量，間接計算濕度。

為了保證濕度測量的準確，在選型和結構設計時主要考慮了溫度傳感器、通風速度、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，確保兩個溫度傳感器誤差在0.1℃以內。

②通過軸流風機的選型及風道的設計，確保流過干濕表的風速在2.5～4m/s,使干濕球系數趨近于一個穩定值，保證濕度計算的長期穩定性。

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，同時采用蒸餾水給紗布供水，避免紗套變質。

3.2 氣壓傳感器

采用VAISALA的PTB210，PTB210是完全補償的數字氣壓表，具有較寬的工作溫度和氣壓測量范圍。感應元件采用VAISALA研制的硅電容壓力傳感器BAROCAP，具有優異的滯后性和重復性及溫度特性、長期穩定性。

PTB210氣壓傳感器的測量原理是基于一個由三個參考電容組成的先進RC振蕩電路，電容壓力傳感器和電容溫度補償傳感器座連續測量，微處理器自動進行壓力線性補償，當周圍環境氣壓的變化，使氣壓傳感器內部的感應元件硅電容的電容值發生變化，通過測量電容量來測量電壓，獲得精確的氣壓值。

采集控制電路讀取數字氣壓表串口數字量，編程轉換后在基測箱智能顯示屏上顯示基準地面氣壓值。同時通過同一個通訊串口，可對數字氣壓表進行測量值修正。

3.3 微處理器、數模轉換芯片

微處理器采用STM32F767高性能單片機。STM32F767具有以下功能：FLASH可同時讀/寫且在系統可編程，內部具有4通道DMA控制器，8通道事件系統和可編程多級中斷控制器和多達78個通用I/O口，16位或32位實時計數器(RTC)，8個帶有比較模式和PWM的16位定時器/計數器，以及8個通用同步異步收發器(USART)、4個I2C和兼容SMBUS的雙線串行接口(TWI)，10個串行外設接口(SPI)，同時該單片機還具有2個8通道12位的模擬/數字轉換器，可選差分輸入和可編程增益控制，4個獨立A/D通道，2個2通道D/A，4個帶窗口模式的模擬比較器，帶內部獨立振蕩器的可編程看門狗定時器，精密的內部振蕩器，帶鎖相環和預分頻器，可以進行掉電檢測。

數模轉換芯片采用Analog Devices公司的AD7794。AD7794的功能及技術特性有：AD7794提供了儀器儀表應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，可用于低頻信號的測量。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量的應用。同時它也集成了6個差分傳感通道的24位ADC，適用較多通道的應用。這6個差分通道可兩兩組合成差分信號和差分參考輸入，能有效克服共模干擾。片上還有低噪聲、低溫漂的增益級儀用放大器電路，增益可以根據需要進行設置。

AD7794的低噪聲儀表放大器可以工作在斬波模式，斬波器是AD7794的一個內嵌部件，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轉換器的輸入部件多路復用器的輸出處交替地倒相(或削波)。然后，對每次斬波的正和負信號區段進行二次模數轉換。用數字濾波器對這兩次轉換結果取平均。如此消除了模數轉換器內出現的任何失調誤差，更重要的是，將溫度對失調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大的界面設計工具,豐富的顯示控件支持，簡易的數據交互指令,靈活的動作控制腳本,三線串口直接驅動等功能。

可以通過智能顯示屏顯示基測箱的標準氣壓、干球溫度、濕球溫度、零點濕度、露點溫度、探空儀工作電流值等。亦可與智能顯示屏交互，在傳感器校準時對參數進行修正、按需求輸出電壓(±15V、1A)為外設供電。

3.5 有線/無線串口網絡服務器

有線/無線串口網絡服務器采用USR-WIFI232-610串口服務器，具有串口轉WIFI功能，能夠將RS-232串口轉換成TCP/IP網絡接口，實現RS-232串口與WIFI的數據雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能，連接網絡進行數據通信，用于將基測箱標準器的輸出值，經網口或WIFI通信方式傳輸給計算機。

4 測試及應用試驗

本電子探空儀基測箱已在中國氣象局氣象探測中心進行了考核并順利通過，以下列舉編號為001、002、003的三臺基測箱對溫度、濕度、氣壓的測試結果。

4.1 溫度準確性測試

對3臺基測箱分別在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五個溫度檢測點進行了溫度準確性測試，測試結果如表1所示。

表1 溫度準確性 單位：℃

4.2 濕度準確性測試

對三臺基測箱分別在0%RH、10%RH、35%RH、75%RH、95%RH五個濕度檢測點進行了濕度準確性測試，測試結果如表2所示。

表2 濕度準確性 單位：%RH

4.3 氣壓準確性測試

對三臺基測箱分別在500hPa、600hPa、700hPa、800hPa、900hPa、1000hPa、1060hPa七個氣壓檢測點進行了氣壓準確性測試，測試結果如表3所示。

表3 氣壓準確性 單位：hPa

4.4 應用試驗測試

對該電子探空儀基測箱進行應用試驗測試，選用的型號為GTS12探空儀，表4為抽取了編號001的基測箱的測試結果。

表4 應用試驗測試結果

5 結論

經過測試應用，該JKZ3型電子探空儀基測箱具有以下特點：通過自動上水的干濕球表棒座裝置、雙層飽和鹽托盤及循環風道的設計，與舊的基測箱相比，該基測箱提高了溫度、濕度、氣壓測量的準確度，并實現了信息的顯示及人機交互，能夠存儲和修正各項參數，并能給施放的探空儀供電，參數接口也兼容更多廠家生產的探空儀，方便了探空儀的基測流程。

該基測箱在外觀等方面一體化設計的改進，在操作上更加方便，在溫濕度檢測和標定、氣象等方面具有廣泛的應用前景。