基于电子探空仪的JKZ3型基测箱设计

顾萦伊

(上海长望气象科技股份有限公司，上海 201209)

0 引言

电子探空仪基测箱是为数字探空仪施放前与基测箱内的温度、湿度标准器、气压标准器进行比对而设计的一台综合性检测设备[1]。目前国内现有的电子探空仪基测箱，存在测量精度低、外形体积笨重、分体式设计、操作流程复杂等问题，因此研发新的探空仪基测箱十分必要。为此，在原有基础上完善了电子探空仪基测箱整机外形及内部结构，研制出了JKZ3型电子探空仪基测箱。

JKZ3型电子探空仪基测箱在结构设计上进行了改进，首先在外观、重量上进行了轻量化一体式设计，使得整机携带轻便；其次设计出自动上水的干湿球表棒座装置，可更好地测定温湿度数值；同时新增双层饱和盐托盘的设计结构，使得检测室的温湿度环境更加均匀稳定。在功能上，JKZ3型探空仪基测箱首次采用触摸屏的人机交互界面，并采用标准传感器及功能模块，使得JKZ3型基测箱可以更好地服务气象台站、温湿度检定等生产与科研单位。

1 工作原理

JKZ3型电子探空仪基测箱采集控制电路采集通风干湿球传感器PT100输出模拟量、湿敏电容传感器电压输出模拟量，进行转换计算后显示温度、湿度、零点湿度等参数。采用PTB210数字气压表作为地面标准气压的测量。数据采集控制电路同时对探空仪工作电流进行测量，并将以上测量值通过智能显示屏显示。内置电源转换模块为采集控制电路及探空仪提供电源，同时输出可编程电压为探空仪供电，同时通过RS232串口及有线/无线串口网络服务器与上位机进行通讯。工作原理图见图1。

2 整机组成

2.1 整机结构

整机结构主要分为检测室、湿度零点检测室、采集控制单元。

机壳采用工程塑料与钣金件相结合的方式制成，外形尺寸(长、宽、高)：425mm×370mm×265mm，重量约20kg。结构牢固轻便，密封性好，外表面喷漆处理。检测室、零点检测室、采集控制单元分别安装于基测箱内部，呈模块化方式安装。总电源开关、检测室风扇开关和零件检测室风扇开关位于基测箱正面右下方。

整体由标准器(通风干湿球温度表、气压传感器、湿敏电容传感器)、数据采集控制单元、智能显示终端单元、数据传输电路单元、供电单元、饱和盐及托盘和机箱等组成，基测箱组成结构内部示意图,如图2所示。

图2 基测箱组成结构内部示意图

2.1.1 检测室

在检测室为双层循环风道结构，检测室内装有通风干湿球温度传感器、自动上水装置、轴流风机，饱和盐托盘放置区、检测室顶部布置有探空仪温湿度传感器支架插入口。探空仪温湿度元件与标准器的比对在检测室内进行。

通风干湿球温度传感器由干球温度传感器、湿球温度传感器、轴流风机组成。将其中一个温度传感器表杆包裹脱脂纱布，并将纱布另一端放置于蒸馏水储水管内，使之自动吸水，作为湿球温度传感器，两支表杆安装放置于风机通风风道检测口的下风口的等高处，通过干湿球的温度、气压等参数测量，间接计算湿度值。

自动上水装置设计为分离部件，采用磁吸式抽拉从测试腔中取出，方便储水盒加水操作。

轴流风机的特点是风量大、风速稳定、温升小、使用寿命长。其作用是通过恒速运转后向干湿球温度传感器输送恒定的风量，保证A系数的稳定性。另一方面通过轴流风机在双层风道内的大风量搅拌，使检测室检测区内的温度、湿度的均匀性得到很好的保证。

饱和盐托盘采用聚四氟乙烯材料制作的双层托盘，可以通过基测箱侧面的磁吸式抽拉取出,方便进行饱和盐溶液的配制。

2.1.2 湿度零点检测室

湿度零点检测室安装于基测箱检测室右边侧面，零点检测室采用分子筛干燥剂为吸湿材料控制产生0%RH湿度环境，用于探空仪湿度元件的零点校准。

探空仪温湿度支架从检测器上部插入零点检测器检测室内；工作时，检测器处于密封状态，并有通过干燥剂和被测元件的气流循环，同时在零点检测室内安装高精度湿敏电容传感器，用于零点湿度环境检测，此外零点检测室检测区还留有干球温度表安装位置，可将检测室的干球温度表棒插入该位置，用于测量零点环境温度。

2.1.3 采集控制单元

采集控制单元主要由采集控制电路、电源转换模块、网络串口服务器、程控电源模块等组成。

采集控制电路由stm32微处理器和AD转换为主搭配外围接口电路，以及通风干湿表的通道选择电路、可编程电压输出电路、探空仪工作电流检测电路、读取气压、湿敏电容以及与智能显示屏、上位机交互接口电路等。

电源转换模块电路板由金升阳的1套LH40-20B12 220VAc转12VDc正电源模块和两套LH25-20B24 220VAc分别转±24VDc电源模块电路组成。分别为采集控制器及风扇提供12VDc工作电流和±24VDc可编程电压输出提供电源保障。

智能显示终端可显示电子探空仪基测箱测试室内的干球温度、湿球温度、露点温度、湿度值以及标准气压值和探空仪电池电压测量值，也可修改传感器参数、基测箱参数等。

基测箱外部接口布置在背板上，通过航空插座与外部线路相连接，分别为干球传感器接入、湿球传感器接入、湿敏电容传感器接入、探空仪改频设置输出、探空仪可编程电压供电输出、探空仪电池电压测量接入。

此外，还设置了气压标准器校准气嘴和有线网络/RS232通讯输出口和USB通讯口。

3 标准传感器及功能模块

3.1 通风干湿表温湿度传感器

温湿度标准器采用PT100铂热电阻，精度等级1/6 B级(±0.05℃)，配对组成干湿球温度传感器，采用四线制测量法，用于消除导线电阻带来的测量误差。

PT100铂热电阻特点是测量精度高、性能稳定。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100Ω，当温度上升时，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速趋近于一条抛物线式的增长，在100℃时它的阻值约为138.5Ω。

湿度测量(10%RH至95%RH量程)采用干湿球温差效应原理，通过将其中一个PT100温度传感器表杆包裹脱脂纱布，并将纱布另一端放置于蒸馏水上水装置内，使之自动吸水，作为湿球温度传感器，将干球温度传感器和湿球温度传感器温度校准差值在<0.1℃内后，两支表杆安装放置于风机通风风道的等高处，确保流过干湿表的风速在2.5～4m/s之间，待稳定后，通过干湿球的温度、气压等参数测量，间接计算湿度。

为了保证湿度测量的准确，在选型和结构设计时主要考虑了温度传感器、通风速度、湿球表面纱布污染的影响。

①为了确保消除温度传感器的影响，干湿表温度传感器由两支高精度铂电阻温度传感器组成，通过温度校准，确保两个温度传感器误差在0.1℃以内。

②通过轴流风机的选型及风道的设计，确保流过干湿表的风速在2.5～4m/s,使干湿球系数趋近于一个稳定值，保证湿度计算的长期稳定性。

③湿球表面的脱脂纱布采用专用的气象脱脂纱布制成的纱套，紧套在湿球表棒上，同时采用蒸馏水给纱布供水，避免纱套变质。

3.2 气压传感器

采用VAISALA的PTB210，PTB210是完全补偿的数字气压表，具有较宽的工作温度和气压测量范围。感应元件采用VAISALA研制的硅电容压力传感器BAROCAP，具有优异的滞后性和重复性及温度特性、长期稳定性。

PTB210气压传感器的测量原理是基于一个由三个参考电容组成的先进RC振荡电路，电容压力传感器和电容温度补偿传感器座连续测量，微处理器自动进行压力线性补偿，当周围环境气压的变化，使气压传感器内部的感应元件硅电容的电容值发生变化，通过测量电容量来测量电压，获得精确的气压值。

采集控制电路读取数字气压表串口数字量，编程转换后在基测箱智能显示屏上显示基准地面气压值。同时通过同一个通讯串口，可对数字气压表进行测量值修正。

3.3 微处理器、数模转换芯片

微处理器采用STM32F767高性能单片机。STM32F767具有以下功能：FLASH可同时读/写且在系统可编程，内部具有4通道DMA控制器，8通道事件系统和可编程多级中断控制器和多达78个通用I/O口，16位或32位实时计数器(RTC)，8个带有比较模式和PWM的16位定时器/计数器，以及8个通用同步异步收发器(USART)、4个I2C和兼容SMBUS的双线串行接口(TWI)，10个串行外设接口(SPI)，同时该单片机还具有2个8通道12位的模拟/数字转换器，可选差分输入和可编程增益控制，4个独立A/D通道，2个2通道D/A，4个带窗口模式的模拟比较器，带内部独立振荡器的可编程看门狗定时器，精密的内部振荡器，带锁相环和预分频器，可以进行掉电检测。

数模转换芯片采用Analog Devices公司的AD7794。AD7794的功能及技术特性有：AD7794提供了仪器仪表应用所要求的几乎全部功能，AD7794具有功耗低和完全模拟输入端子，可用于低频信号的测量。该系列ADC采用2.7～5.25V单电源供电，噪声只有40nVrms，从而使其适合高精度测量的应用。同时它也集成了6个差分传感通道的24位ADC，适用较多通道的应用。这6个差分通道可两两组合成差分信号和差分参考输入，能有效克服共模干扰。片上还有低噪声、低温漂的增益级仪用放大器电路，增益可以根据需要进行设置。

AD7794的低噪声仪表放大器可以工作在斩波模式，斩波器是AD7794的一个内嵌部件，可以用于消除飘移造成的误差。斩波器的工作原理就是在模数转换器的输入部件多路复用器的输出处交替地倒相(或削波)。然后，对每次斩波的正和负信号区段进行二次模数转换。用数字滤波器对这两次转换结果取平均。如此消除了模数转换器内出现的任何失调误差，更重要的是，将温度对失调漂移的影响降到最低。

3.4 智能显示终端

智能显示终端采用北京大器智成的GLM-80S-C(8寸可编程智能型串口TFT液晶)。该智能显示屏具备强大的界面设计工具,丰富的显示控件支持，简易的数据交互指令,灵活的动作控制脚本,三线串口直接驱动等功能。

可以通过智能显示屏显示基测箱的标准气压、干球温度、湿球温度、零点湿度、露点温度、探空仪工作电流值等。亦可与智能显示屏交互，在传感器校准时对参数进行修正、按需求输出电压(±15V、1A)为外设供电。

3.5 有线/无线串口网络服务器

有线/无线串口网络服务器采用USR-WIFI232-610串口服务器，具有串口转WIFI功能，能够将RS-232串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS-232串口与WIFI的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，用于将基测箱标准器的输出值，经网口或WIFI通信方式传输给计算机。

4 测试及应用试验

本电子探空仪基测箱已在中国气象局气象探测中心进行了考核并顺利通过，以下列举编号为001、002、003的三台基测箱对温度、湿度、气压的测试结果。

4.1 温度准确性测试

对3台基测箱分别在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五个温度检测点进行了温度准确性测试，测试结果如表1所示。

表1 温度准确性 单位：℃

4.2 湿度准确性测试

对三台基测箱分别在0%RH、10%RH、35%RH、75%RH、95%RH五个湿度检测点进行了湿度准确性测试，测试结果如表2所示。

表2 湿度准确性 单位：%RH

4.3 气压准确性测试

对三台基测箱分别在500hPa、600hPa、700hPa、800hPa、900hPa、1000hPa、1060hPa七个气压检测点进行了气压准确性测试，测试结果如表3所示。

表3 气压准确性 单位：hPa

4.4 应用试验测试

对该电子探空仪基测箱进行应用试验测试，选用的型号为GTS12探空仪，表4为抽取了编号001的基测箱的测试结果。

表4 应用试验测试结果

5 结论

经过测试应用，该JKZ3型电子探空仪基测箱具有以下特点：通过自动上水的干湿球表棒座装置、双层饱和盐托盘及循环风道的设计，与旧的基测箱相比，该基测箱提高了温度、湿度、气压测量的准确度，并实现了信息的显示及人机交互，能够存储和修正各项参数，并能给施放的探空仪供电，参数接口也兼容更多厂家生产的探空仪，方便了探空仪的基测流程。

该基测箱在外观等方面一体化设计的改进，在操作上更加方便，在温湿度检测和标定、气象等方面具有广泛的应用前景。