CD4052失调电流对自动气象站采集器温度测量的影响

CD4052失调电流对自动气象站采集器温度测量的影响 CD4052 失调电流对自动气象站 采集器温度测量的影响 1赵步达 摘要 0 引言 温度的高精度测量一直是自动气象 站采 集 器 的 关 键 技 术, 多 路 选 择 器 、、自动气象站是一种能自动进行观测处理存储或发送气象观 CD4052 在采 集 器 温 度 测 量 电 路 设 计 中 ,、、、数据的设备主要由各气象要素传感器数据采集器上位机通讯 广泛使用,但 其 失 调 电 流 及 其 温 度 特 性 , 口和系统电源等 组 成各气象要素传感器感受规定的被测量并 将 对采集 器 温 度 测 量 的 影 响 一 直 缺 乏 研 , CD4052 究针对多路选择器 存在较大失 ,、、按照一定的规律转换成相应的电信号如电阻电压电流和频率 ,调电流问 题研 究 了 采 集 器 在 实 现 对 温 ,数据采集器对各传感器的电信号进行定时采集经过线性化和 定 PT100 , 度传 感 器 温 度 采 集 时 的 误 差结 ,, 处理实现工程量到气象要素量的转换通过通信组网设备或者通 : CD4052 果表明失调电流对 采 集 器 的 温 , 度测量误 差 影 响 较 大且 误 差 大 小 与 环,,接口与上位机或者中心站进行通讯实现气象资料的传输 , 境温度有 很 大 关 系研 究 结 果 对 数 据 采 20 ,世纪末我国开始在全国台站布设地面自动气象观测系统 集器的研制及补偿提供了理论依据和工 3 ,、、前大约有 万多台自动气象站投入使用可实现温度湿度风向 ,程应用价值 ,1-2,关键词 、、、, 速雨量气压蒸发和辐射等气象要素的 自 动 测 量自 动 气 象 采 集 器; CD4052; 温 度; 失 调 电 流; ,,观测频次较高观测数据能够迅速反映近地面大气的实际状况这 误差 , 根本上提高了我国大气探测现代化的总体水平在现有的气象 台 P414.5 中图分类号 ,和现有的气象台站之外建自动气象站能够有效提高地面观测 资 ,3,文献标志码 A ,、、,的空间密度和时间密度对增强监测警报预测等的能力为科 、、、、实验科学研究气候观测天气预报人工影响天气和气象灾害决 ,1,4,、、,服务等方面提供更加准确及时有效的地面气象观测资料 , 自动气象站观测数据的质量直接关系到气 候观测的准确性 ,保证自动气象站测量温度的准确性需对产生测量误差的各种 误 , 源进行分析各气象要素传感器的探测性能和数据采集器的采 集 , 理性能是决定自动气象站观测数据质量的关键因素数 据 采 集 器 ,影响自动气象站观测精度的关键部件因此数据采集器需要定 期 ,5-7,, ,定和标定影响采集器测量误差的因素很多本 文 综 合 分 析 有 , 1) , AD 、下几个方面电路设计中固有误差比如 的转换精度开关电 、, 2 ) , 噪声模块电路之间的相互 影 响 等环 境 温 度 影 响由 于 自 动 气 ,、站工作环境差异性很大区域性季节性差异均会带来采集器的环 , 3) 温度变化采集器内部器件的温度特性对采集器测量精度影 响 2012-06-11收稿日期 资助项目 江苏省产学研项目( SBY201020107) , ,,、大特别是对小信号测量的影响更大比如温度辐射和湿度但长 作者简介 ,以来一直缺乏环境温度对采集器测量误差影响研究特 别 是 关 键 ,,,赵步达男高级工程师研究方向为气象 , zbd195507@16 3, com计量 , 器件的温度特性对测量误差的影响研究本文分析了采集器温 度 ,量中的关键元器件对温度测量误差的影响 1 ,,030002山西省大气探测技术保障中心太原 HMP45D 0. 8 ? ,, ,,气象行业中自动气象站大多采用 作 远远超出了允许范围因 此分 量误差达到 ,8,CD4052 , ,HMP45D 析 的漏电流和温度特性是非常有必要的为温湿度传感器其中 的温度传感器为 PT100, 铂电阻温度传感器 铂电阻温度传感 器 测 温 、、、,范围大性能稳定准确度高重复性好在温度测量 ,中得到广泛应用但铂电阻测温同样不可避免地存 , 在测量误差问题引起铂电阻测温误差的因素多种 ,: 多样本文针对以下问题进行了研究双四选一模拟 CD4052 PT100 ,开关 存 在 失 调 电 流使 得 流 过 的 恒 ,,流源产生变化从而造成温度的测量误差 1多路温度采集原理 自动气象站数据采集器温度通道通常须同时采 、/ 、、集气温草 面 雪 面 温地 表 温浅层地温和深层地 ,温通常需要采用多个类型相同的温度传感器采集 , HMP45D 不同对象的温度自动气象站采用 温湿度 1 图 自动气象站多路测温系统 ,HMP45D PT100 传感器采用 中的 铂电阻温度传感 Fig, 1 Schematic of multi-channel temperature :)50 ,器测量不同对象温 度温度测量范围是 measuremenint automatic weathers tation 50 ? , 而采集器内部不可能针对每一路传感器均采 , 用独立的温度测量 电 路大多数采集器采用的设计 CD4052 2 漏电流误差分析 A / D 方案是多路温度传感器共用信号放大电 路 和 ,( 转换电路通过前端加入模拟开关双四选一模拟开 CD4052 ,是双四选一模拟开关每组四选一模拟 CD4052) ,关 来达到测量不同传感器的目的 2 , 开关分别有 个二进制控制输入根据器件厂家数 1 图 为自动气象站采集器温度测量通 道 的 原 ( ) ,CD4052 据手册美 国 德 州 仪 器 公 司当 任 意 通 道 , 、CD4052 、理系统由恒流源多路选择器仪表放大器 ,)500 :500 nA ,闭合后都会有 的漏电流漏电流叠 ( OPA) 、A / D 、高精度 变 换 器温度传感器组和控制 ,,加在恒流源的输出电流再流经铂电阻由信号测量 , PT100 器等组成恒流源输出电流过大时 会 有 自 热 ,电路得到铂电阻 两 端 电 压以恒流源的输出电流计 ,,效应电流过小则测量误差较大因此恒流源值通常 ,算铂电阻值则测量电阻值与实际电阻值之间产生 125 : 1 mA , A 选择在 μ之间恒流源输出由控制器控 ,, 误 差最终导致测量温度误 差下 面 定 量 分 析 CD4052 制模拟开关 选择某一通道铂电阻进行温度 CD4052 ,漏电流带来的温度测量误差 , ,测量当某 一 通 道 被 选 择 后该通道的模拟开关闭 ,9 ,,PT100 根据文献温 度 与 铂电阻之间的换 ,,合恒流源电流流过该通道的铂电阻铂电阻两端产 算公式为 , CD4052 生电压仪表放大器将通过电子开关 的 铂 R = t,A / D 电阻电压信号放大送至高精度的 转换器进行 2 3 R ( 1 + At + Bt+ C( t )10 0) t) ,t ,) 200,0,? 0( 1) ,A / D ,模数转换控 制 器 读 取 转 换 值计 算 得 到 电 阻 , 2 R( 1 + At + Bt ) ,t ( 0,850,,? 0 , ,值和对应温度被测温度变化时铂电阻的阻值也发 ( 1) ,t ,R= 100 3. 908 02 ×,A = 式中为温度参数 Ω 0 ,, 生变化从而导致电压变化该温度测量方法的校准 )3)1)7)210 ? ,B = )5. 802× 10 ? ,C = )4. 27350 × ( 80. 31 方法 是 利 用 两 组 标 准 电 阻 通 常 选 择 和 )12)4 10 ? ,119.34 ) CD4052 , Ω通过电子开关 切换到测量电路( 1) ,Rt ( 0,,从式中可以看出是分段函数当 ? t , 得到测量电路的线 性 变 换 方 程该方法的优点是利 850,,2 t ) 200,0,,,,时最高次为 次而当 ?时最高 ,CD4052 用标准电阻校准了测量通道误差包 括 的 4 C A B ,,, 次为 次且参数 要比参数 和 小得多所以当,, 失调电流误差但其并不能解决在环境温度变化时t ,) 200,0,,3 、4 R ?时函数表达式的 次次项对 的t CD4052 , 的失调电流变化带来的影响大量试验结果 2R= R( 1 + At + Bt ) ,( 2) t 0 I,CD4052 I,设恒流源 电 流 为 失 调 漏 电 流 为 Δ R, 铂电阻的真实阻值为 铂电阻两端的理论电压值 U = IR, 而实际测量值为 U + U = ( I + I) R, ( 3) ΔΔ ( 3) U CD4052 I 式中的 Δ是 失调漏电流为 Δ产生的电 , 压误差则铂电阻的测量值为 U + U ( I + I) RΔΔ R + R= = ,( 4) Δ II ( 4) R ,式中的 Δ是铂电阻测量值与真实值的误差 I 3 图 Δ为负时产生的温度误差 ( 2) : 由式得Fig, 3 Temperature measurement error wheI n, 0Δ 2R + R = R,1 + A( t + t) + B( t + t),, ( 5) ΔΔΔ 0 ( 5) t ,( t + t) 式中 为真实温度值Δ为实际测量的温 2 ,I ,Δ为正 时产 生 由图 可以看出当漏电流 ,t CD4052 度值则 Δ是由 失调电流引起的温度测量 t ,温度测量误 差 Δ为 正即测量温度比实际温 度 ,误差值 , I ,t ,大漏电流 Δ越大环境实际温度 越高均会导 ( 2) ( 4) : 将式代入式得t ,温度测量误差 Δ增大 I + I) ( Δ2 R + R,R ( 1 + At + Bt) ,, ( 6),3 ,I = Δ 同样由图 可以看出当漏电流 Δ为负时 0 It ,生的温度测量误差 Δ为负即测量温度比实际温 ( 5) 、( 6) :由式得 , I ,t ,漏电流 Δ绝对值越大环境温度 越高均 偏小 IΔ2 2 B( t) + ( A + 2B)t ) ( 1 + At + Bt)t ΔΔ= 0, ( 7) t ,导致温度测量误差 Δ的绝对值增大 I I )50 :50 ? 500 nA ,t 当 Δ取最大值 时取 t ,( 7)t 把 Δ看成待求解的未知量则式即为 Δ的 Matlab t )t ( 4) ,画出 Δ图图 , ,一元二次方程解这个一元二次方程有一个正解和 ,,CD4052 一个负解选择一个符合条件的解即为 引 t,起的温度测量误差 Δ CD4052 I )500 :500 已知 漏 电 流 Δ的 范 围 是 nA,t )50 :50 ? ,I 250取 恒流源输出电流 选 取 A,t I , 2 I t μ则 Δ是关于 Δ和 的函数图 是 Δ为正时产 ,3 I ,生的温度误差图 是 Δ为负时产生的温度误差 4 图 环境温度与温度测量误差变化 Fig, 4 Relationship between temperature eamsurement error ande nvironmental temperature CD4052 4 ,图 即当取 漏电流最大时在不同环 , 4 下产生的最大温度误差由图 可知环境温度越 CD4052 , 漏电流引起的最大温度测量误差越大 3结束语 在自动气象站的实际应用中应考虑各个因素 I 2 图 Δ为正时产生的温度误差 CD4052 ,来的测量误差本文分析了模拟开关 失调 Temperature measurement error wheI n, 0Δ Fig, 2,电流对自动气象站的温度测量结果的影响分 析 vations recorded,D,, Beijing: Chinese Academy oMf ete- CD4052 明 失调漏电流对温度测量误差有 较 大 影 orological Sciences,2007 ,, 响影响程度随环境温度变化而变 化为 了 减 小 , 魏文健自动气象站数据采集器的计量 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 和结果处 5 , ,CD4052 ,的失调电流的影响在采集器电路设计中可 ,J,, ,2005( 1) : 52-55理方法气象水文海洋仪器增刊 WEI Wenjian, The measuring examination and the result ,以考虑增加采集器环境温度的测量从 而 校 准 采 集 processing methods of datao ecctor of automatic weather ll,器的采样值或者选择低温度漂移特性的多路选择 station,J,, Meteoroogica Hydroogica and Marine n- llllI,电子开关 strumen,t2005( sup1) : 52-55 ,6 , , ,J,, 李伟雄自动气象站数据采集器的常用校准方法 中国计量,2008( 5) : 83-84 参考文献 exong, Cabaton method of u taomatc weatheLI Wiiliriir References station data aqcuisition unit,J,, China Metrology,2008 , ,M,, : ,1 , 胡玉峰自动气象站原理与测量方法北京气象 ( 5) : 83-84 出版社,2004 7 , ,, ,唐慧强周静艳物联网自动气象站远程数据采集处 HU Yufeng, Automatic weathers tation measuremenpt rin-,J,, : ,理系统南京信息工程大学学报自 然 科 学 版 ciples and methods,M,, Beijing: China Meteorological2011,3( 5) : 436-439 Press,2004 TANG Huiqiang,ZHOU Jingyan, The data a cquisition 2 , ,, ,M,, : 李 黄自 动 气 象 站 实 用 手 册北 京气 象 出 版and processing system of uatomatic weather station based 社,2007 on nternet of Thing,J,, Journa of Nanjing University of Il LI Huang, Practical handbook fora utomatic weather sta-nformation Science and Technoogy: Natura Science E- Illtion,M,, Beijing: China Meteorological Press,2007 邸永dition,2011,3( 5) : 436-439 , 强陕西省自动气象站实时数据质量控制系统研 究与,3 , ,, ,8 , 唐慧强刘银锋自动气象站数据采集器的研究与设 ,D,, : ,实 现西 安西安电子科技大学计 算 机 学 院计,J,, 通信技术,2009,42( 7) : 182-184 2010 TANG Huiqiang,LIU Yinfeng, A design and researcho f DI Yongqiang, Design and reaization of rea-time data lldata collector for automatic weather station,J,, Commu- quality control of automatic weather s tation in Shanxi nications Technology,2009,42( 7) : 182-184 ,D,, Xi'an: Computer Coege,Xidian University,2010 ll, 90 、 ,9 , 李 吉 林国际温标常用热电偶热 电 阻 分 度 表, 余君自动气象站与人工站气温和相对湿度观测结果 ,4 , ,M,, 北京: 中国计量出版社,1998 ,D,, : 的差异及其原 因 的 研 究北 京中国气象科学研 LI Jilin, Sub-tables of thermocouple,RTD in 90 interna- ,2007究院 tional thermometric scale,M,, Beijing: China Metrology YU Jun, Research of the caused iffoefr ence between byPress,1998 AWS-and MAN-temperature anrelda tive humidity obser- CD4052 offset current impact analysis for automatic weather station temperature measurement 1 ZHAO Buda 1 Shanxi Meteorological Observation , Technical Support Center,Taiyuan 030002 Abstract The high-precise measurement of temperaitsure alw ays the important technology of automatic weather station ( AWS) design, Multiplexer CD4052i s widely usedi n dataa cquisition unit ( DAU) design,which is a most important part ofA WS, Until now,there is still a lack in research on theim pact of offset current andtemp erature characteristics of CD4052 in temperature eamsurement, This paper focuses on itmhep act of CD4052 offsceturr ent for temperature mea surement, Study results show that the offset current im phasorta nt influence on temperature measurement erro,andr the erroris significantly correlated with environmental temperature, The results are valuable in theoretca bass and engneerng appcaton for desgn and offset DofA U, iliiiliii ey wods dataa cquston unit; CD4052; temperature; offsetcurren ;t errorKriii