自动气象站温度校准系统中测温部分的设计与误差分析

自动气象站温度校准系统中测温部分的设计与误差分析

顾建兵姚淑萍

（宁夏回族自治区石炭井气象站宁夏石嘴山753000）

摘要：随着中国大陆社会的迅速进步和经济的快速发展，各种形式的气象灾害造成的影响也愈加“深化”，经济、社会等层面受到的影响也越来越深刻，按照测温范围及精度来给自动气象站设计测温系统，结合各方面情况来定期校准温度数据，设计并实现自动气象站温度校准系统中的测温部分这一方面的活动对气象预报有着很重要的理论和现实意义。

关键词：温度校准；测温设计；误差分析

引言

气象事业在如今的受重视程度也越来越高，相应的管理部门鉴于此类情况，也积极地对中国大陆的气象服务质量创造有利条件，以此来推动气象事业向前发展。上世纪末，中国大陆先后引进了5套来自芬兰的自动气象站，随后开始自行研制自动气象站。截至如今，中国大陆也已经拥有自动气象站3万多台，给气象观测提供了颇为可靠的数据，对气象工作者的经验也有所增加，使得气象事业的发展获得了很大程度上的推动。也给气象研究人员提出更高的要求，所以本文通过研究设计自动气象站温度校准系统中测温部分的设计与误差分析，对提高气象预报水平有着举足轻重的作用

1研究内容

为最大程度上保证自动气象站测温部分数据的准确性，本研究针对此方面的现状设计了相应的温度测量系统。首先按照国内一系列自动气象站所表现出的测温范围和精度来确定设计目标，随后则对不同线制铂电阻传感器的使用方法、区别之类做出分析对比，最后则对其系统的总体方案予以确定。按照其设计方案，首先对可能存在的温度测量误差做出分析，并借助于相应的措施对之加以消除或降低。随后则对硬件部分做出设计——其将传感器与其零度电阻二者形成串联关系，将其中测试电流产生的电压信号（经传感器后）经信号调理电路处理，随之将之导入差分模拟（高精度ADC）输入通道，以AT89S52单片机对其中数字信号（ADC处理后）予以接收和处理。硬件设计活动则将先前分析中产生的各种措施在详细的电路中作出必要的应用，以此来实现高精度测温（测温范围内）。最后则设计其中软件部分——其软件下位机部分首先借助于预处理拟合出code码和分段的温度关系式，并将之存入单片机，随之则将铂电阻两端电压（待测温度下）加以ADC测量获得，将其code码中和相对0℃时电压的变化量彼此对应者代入相应公式，计算出传送给上位机并显示于液晶屏上的实时温度；上位机部分则主要用于系统校准检定，其接收相应的数据后对之加以自动存储处理，从而用于打印报表、图形显示之类活动。

为了可以保证本研究的设计结果可以应用于实际，本研究最终对之作出实验室检定，从而测定其测温范围、精度是否和设计要求相互满足；并且向上位机发送两个测温系统的温度测量数据，验证上位机扩展部分功能。以保证其能够真正应用到自动气象站温度校准系统中。

2实施条件

课题负责人有较强的领导能力和研究能力，主要参加者都有多年从事相应方面的工作经历。本课题属于专业研究领域内的问题，因此，本课题研究组有充分的研究时间保证课题如期完成。

课题负责人多年来一直致力于本领域的研究工作，具有较高的理论水平和较丰富的实践经验，并已查找到大量的有关研究资料，在调查、搜集资料等方面，也有着相应的经验和自身优势；参与者或在相关学科上有足够的研究和借鉴的经验，或对本课题有高昂的热情，这些为我们完成该课题提供了可靠的保证。而且本单位对本课题高度重视，在资料搜集与积累、学术与资金支持等方面给予大量帮助；并与一些进行了长期相关本课题研究的专家学者取得联系并达成合作意向，这些都为课题的深入研究奠定了坚实的基础。

3技术路线

本研究借助于分析比较来构建起本测温系统的整体方案（选择合适的测温方法和传感器），实现自动采集处理温度测量和数据这一目的。这一方案的指导思想在于可以做出简洁便携的仪器并可以保证在系统中方便地实现目的。该仪器在自动气象站温度校准系统中应保证定期校准自动气象站测温部分，从而提高自动气象站测温部分测温数据的准确性，延长其使用寿命，以此来力求促进提高气象仪器工艺水平，对气象测量技术的发展产生推动作用，满足相应领域的研究需求。

具体实施方案包括六个部分：

第一，根据我国目前这一领域的情况确定设计目标，分析本研究需满足的范围、精度要求。随后则对不同线制铂电阻传感器所表现出的特性加以对比，选择合适的铂电阻作为传感器，并以之为基础来确定系统整体方案。

第二，系统误差分析和相应的降低误差办法，详细分析系统温度测量时可能碰上的各种影响因素，并提出有针性的消除或降低误差的办法。

第三，系统硬件设计，按照之前提出的各种措施，设计测试各模块的方案，并且详细设计出具体电路内容。

第四，系统软件设计，其可以进一步划分为下位机和上位机两种软件。前者主要借助于ADC转换后的数据（来自硬件部分）计算出实时温度显示，并发送温度数据给上位机；后者则主要对温度数据加以接收并存储，对之加以实时显示和处理，随之打印出报表并且设计和介绍各主要模块的流程。

第五，实验及结果分析，根据基础理论来选择合适的校准方法来实验验证系统温度测量部分，同时也按照实验数据分析本设计的误差之所在，确定设计的自动气象站校准系统中的测温部分能否实现设计目标。最后对系统的上位机扩展部分做实验验证上位机部分的功能能否实现。

第六，结论与展望，总结本研究过程中所做的工作并指出以后的研究方向。

本研究分析了目前国内一些自动气象站的测温精度和测温范围，确定了本测温系统的设计目标，通过比较常用的温度测量传感器选择了合适的温度传感器，并设计了测温系统的总体方案。

为了提高测温系统的精度，使其能满足应用到自动气象站温度校准中的要求，首先利用差分输入法提高系统的整体抗干扰能力，然后分析了测温系统设计时可能存在的影响测温精度的因素，并针对这些因素提出了相应的应对措施消除或减小误差。

测温系统硬件部分以PT1000为温度传感器、单片机AT89S52为处理器，设计了测试电流产生模块、信号调理模块、AD转换模块、隔离模块等构成测温系统的硬件平台，并将减小误差的措施应用到具体的硬件电路中，提高系统测温时的精度。

随着自动气象站越来越广泛的运用，其校准工作也越来越重要，通过对自动气象站温度校准的常用方法的了解可知，校准系统测温部分设计具有重要的意义。研究有助于分析国内一些自动气象站的测温精度和测温范围及不同类型铂电阻传感器的特性确定了测温系统的总体方案。然后分析了温度测量时可能存在的误差和可采取的应对措施，根据总体方案设计了测温系统的的硬件软件。最后对设计出的测温系统做实验验证，确定其能满足设计要求。

参考文献：

[1]袁超,丁善文,于成献,陈叶婷.??防辐射罩与百叶箱温度观测差异性分析[J].山东气象.2015(03)

[2]贾鹏辉,陈辉,周平义.??基于STM32F103VCT6的振弦式传感器数据采集系统[J].仪表技术与传感器.2015(02)

作者简介：顾建兵（1977-）男，汉族，宁夏人，本科学历，工程师，从事综合气象观测工作。