应用于气象探测的双加热温度传感器设计*

韩晓丹，刘清惓1，*，杨　杰

(1.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210044; 2.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044; 3.江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京210044; 4.中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044; 5.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044)



应用于气象探测的双加热温度传感器设计*

韩晓丹2，3，刘清惓1，2，3*，杨杰4，5

(1.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210044; 2.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044; 3.江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京210044; 4.中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044; 5.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044)

摘要:为消除高空气象探测等领域中温度传感器的沾水误差，提出了一种新颖的双加热温度传感器，利用温度测量元件交替加热测量的方法获得不同风速及降水强度条件下沾水误差与时间常数的变化。通过拟合对应的函数关系可实现沾水误差修正和降水强度测量功能。实验结果表明，在一定的风速及降水强度范围内，该传感器能使沾水引起的误差从±0.3℃降低至±0.1℃以下，降水强度测量误差低于±0.2 mm/min。与传统探空仪温度传感器相比，该双加热温度传感器不但精度高，具有消除沾水误差的能力，亦可初步实现降水强度的测量。

关键词:温度传感器;降水强度; L-M算法;时间常数

项目来源:国家公益性行业(气象)科研专项项目(GYHY200906037，GYHY201306079) ;国家自然科学基金项目(41275042) ;江苏高校优势学科建设工程项目

高空温度探测对气候变化研究、天气预报具有重要意义［1］。其准确性直接影响到高空大气形势、气候系统分析和预报结果，对监测全球变暖具有尤其重要的意义［2］。这些应用需要高空测温精度达到±0.1℃。

在探空温度测量中，温度传感器探头暴露在空气中，在穿云过程中，云滴附着在探头表面，等同于受到一定强度的降水。蒸发吸热等原因使传感器在穿云时测得温度偏离真实大气温度。气象探测的经验数据显示，这种沾水误差经常超过0.2℃，已成为高空气象探测精度提高的一个重要瓶颈［3］。本文发现，在一定条件下，沾水误差和传感器探头的加热响应速度呈一定的函数关系。本文首次提出一种双加热温度传感器，利用L-M算法对温度阶跃响应曲线进行曲线拟合，从而获得传感器升温时间常数，并计算出沾水误差的修正量，从而提高了测量精度。

1　传感器系统设计

1.1传感器总体设计

为降低沾水误差对探空温度测量精度的影响，我们在实验中发现，对探空温度传感器探头进行恒功率升温时，温度变化的时间常数、沾水误差、降水强度和风速这4个参数呈一定函数关系。可通过实验数据拟合出对应的函数关系，并利用时间常数和风速求解出沾水误差和降水强度。探空仪的上升速度(风速)可由北斗/GPS数据获得;利用本文提出的双加热传感器设计，可求得时间常数，从而求得沾水误差，提高传感器精度。

如图1所示，该传感器使用A、B两个相同的测温元件进行交替测量，每个测温元件紧密贴合超低温漂精密电阻对其进行加热。传感器A测量环境温度的同时，对传感器B进行恒功率加热，并测量其升温过程的时间常数。传感器B完成时间常数测量后，停止加热进行冷却，利用算法确定其温度趋于稳定后，交替A、B传感器的工作状态，对A传感器进行恒功率加热并计算时间常数，同时传感器B进行环境温度测量。两个传感器持续交替工作，则可持续测量环境温度和升温时间常数。根据实验拟合出的函数关系，利用计算所得的时间常数和当前风速值，计算出沾水误差的修正量，以获得准确温度值。该方法能始终保持一个传感器处于环境温度测量状态，同时避免传感器表面沾水量过大。根据测得的时间常数与风速值，该传感器还能计算降水强度。

图1　双加热传感器测控电路

1.2测量与控制算法

为实现双加热传感器的自动轮换交替加热与测量，需通过算法判别完成加热和时间常数测量的传感器是否已完成冷却过程。这里利用平方差法进行判断，其平方差值为:

式中: Tj为采样的温度值，Tp为将采样温度值存入缓存区求得的平均值。当G小于一定的阈值，即认为冷却过程结束。

为获得时间常数、沾水误差、降水强度和风速之间的函数关系，搭建了模拟实验平台，通过改变喷头参数配置与数量来模拟不同降水强度，使用风机产生不同风速环境。在实验中，以一个不受沾水影响的温度传感器作为参考温度传感器。在降水强度为0 mm/min时，利用参考传感器对双加热传感器进行标定后，逐步增大降水强度，可测得不同降水强度所对应的沾水误差和时间常数。在不同风速和不同降水强度下，获得多组测量结果，则可拟合出利用风速和时间常数求解沾水误差和降水强度的函数。本文使用Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法拟合出时间常数、风速与沾水误差的函数关系，利用L-M算法计算时间常数。

温度传感器的阶跃温度响应［4］为:

式中，T(t)为传感器的体温度时间函数，Tα为热接点的初温，Tθ为阶跃温度，t为时间变量，τ为时间常数。(2)式可简化为:

式中: y=T(t)，x1=Tα－Tθ，x2=－1/τ，x3=Tθ。根据式(3)拟合采样数据，利用最小二乘法确定时间常数，非线性最小二乘问题可定义为:

L-M算法有良好的迭代收敛范围［5］和收敛速度［6］，是使用广泛的非线性最小二乘算法，同时具有梯度法和牛顿法的优点。其迭代格式为:

式中: uk和I分别为阻尼因子和单位矩阵。为避免出现死循环，本文设定了迭代循环的最大次数，改进的L-M算法［7－8］迭代步骤如下:

(1)初始值x0，误差限ε＞0，阻尼因子u0，缩放常数λ＞1，迭代计数CN=0，迭代最大次数为CNmax;

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

(5)检验φ(xk+1)≥φ(xk)，满足，则令，转步骤(3)，否则，转步骤(2)。

2　传感器电路与软件设计

2.1硬件电路设计

系统使用基于Cortex－M3架构的32 bit ARM处理器STM32F103RBT6，对测得的温度进行处理，控制MOS管对两个通道的加热电阻Rh1、Rh2进行交替加热，实现对两个A级Pt1000铂电阻测温元件RTD1、RTD2进行交替加热烘干和冷却。同时将所得的处理数据通过串口发送至上位机。具体系统结构框图如图2所示。

图2　系统结构框图

为实现高精度温度测量，采用ADR444电压基准，为A/D采样提供基准电压。模数转换芯片采用24位Σ/Δ型低噪声模数转换器AD7793。为避免引线电阻及测量电路随环境变化的影响，采用Kelvin四线制测温电路设计，并设有高精度基准参考电阻Rref［9－10］。首先利用水三相点、固定点和Fluke 1595A超级测温电桥对标准铂电阻进行检测;再利用Isotech干体炉对标准铂电阻对双加热温度传感器进行校准。测试结果表明，该传感器测量温度的误差小于0.02℃。

为提高测量精度和系统稳定性，采用了10－6级温漂的精密电阻作为加热元件，其阻值为150 Ω。电路中亦设有低温漂限流电阻。主控芯片根据两个通道的温度值进行分析判断，从而利用mΩ级导通电阻的MOS管开关的通断对加热电阻进行恒功率加热和冷却。

2.2基于实时操作系统的软件设计

该系统需完成多通道ADC数据采集与处理、传感器自校准、加热控制、数学计算、上位机通讯等工作，任务量大，实时要求性高，因此有必要引入实时嵌入式操作系统。FreeRTOS能够提供任务管理、内存管理、时间管理、进程间通信等功能［11］。相对于其他操作系统，该系统具有开源、可剪裁和调度灵活的优点，可方便移植到嵌入式控制器［12］，因此选用FreeRTOS系统。

根据系统的具体功能特点分析，对该系统设计了3个任务和1个中断处理程序。本文的程序设计中调用xTaskCreate()函数创建任务，中断处理程序作为调度任务的事件触发器，用信号量及时通知各个任务完成相关工作。程序任务按设定优先级顺序执行实现数据采集及分析处理、时间常数计算、误差修正、降水强度计算等功能。

2.3上位机软件设计

本系统采用虚拟仪器软件Labview设计上位机程序，使用RS232串口实现双加热传感器与计算机的通信。上位机界面显示两个通道的实时温度值、降水强度及温度计算结果，并可输出数据文件。

3　实验结果与分析

实验依次测得不同降水强度IP为0.6 mm/min、1.0 mm/min、1.9 mm/min和2.4 mm/min。由风速计测得不同的风速v为0.3 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s。沾水误差Te由参考温度传感器标定后比较得出。通过改变风速和降水强度，测得温度传感器的时间常数及误差值。无风条件下，不同降水强度测试所得数据如表1所示。实验所得的三维关系如图3所示，其数据点为多次测量值的平均值。

表1　无风条件下，不同降水强度测试所得数据

根据测得的数据可拟合出降水强度与时间常数、风速的函数关系为:

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。

温度传感器因沾水引起的误差变化与对应时间常数、风速的函数关系为:

为验证该传感的精度，通过3组实验获取了不同风速，降水强度情况下的各测量值，将降水强度值、沾水误差值与上述函数的计算结果作为计算值进行比较，如表2所示。该传感器在3组实验中将沾水误差降低分别从修正前的－0.163 2℃、－0.225 8℃、－0.201 5℃降至0.020 5℃、－0.025 7℃、0.014 5℃。

图3　风速、降水强度对时间常数与沾水误差的影响

表2　沾水误差修正与降水强度测量的实验结果

4　结束语

本文提出了一种双加热温度传感器，通过拟合不同降水强度下，时间常数、风速与沾水误差的函数关系，修正水沾附传感器产生的误差，在一定的风速、降水强度范围内，该传感器能使沾水引起的误差降低至±0.1℃以下。同时通过拟合降水强度、时间常数与风速的关系，使该传感器具有初步的降水强度测量功能，测量误差低于±0.2 mm/min。与传统探空仪温度传感器相比，该双加热温度传感器不但精度高，具有消除沾水误差的能力，亦可初步实现降水强度的测量，在便携式气象站及高空探测等领域具有一定的应用潜力。

参考文献:

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韩晓丹(1989－)，女，硕士生，主要研究方向为传感器外围电路设计、嵌入式系统软件设计，hanvickie@ 163.com;

刘清惓(1979－)，男，博士，2002年获东南大学硕士学位，2006年获加州大学戴维斯分校博士学位。目前任南京信息工程大学教授、博士生导师。主要研究方向为MEMS传感器技术、气象探测，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

中图分类号:TP212.9

文献标识码:A

文章编号: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