自动气象站四线制测量气温原理分析

　　目前,在投入业务应用的自动气象站设备上,都是采用四线制来测量气温,其原理是通过温度传感器的温度感应元件———铂电阻丝的电阻值与温度特性来进行测量的,即温度传感器铂电阻丝的阻值在一定的温度区间内和温度呈线性关系,这样,只要测得温度传感器铂电阻丝的阻值,就可以通过其温度与阻值的线性关系反推得到当前的温度值。一般而言,一个典型的四线制测温电路包括恒流源电路、放大电路、开关电路、以及A/D变换电路。图1给出了其原理框图。

　　1　恒流源电路

　　恒流源电路的作用是为被测温度传感器的铂电阻丝提供一个稳定的激励电流,将温度传感器铂电阻丝的阻值转化为电压值。由于铂电阻丝的阻值是随温度变化而变化的,所以过大的电流加在被测量的电阻丝上会引起发热,导致铂电阻丝电阻值变大,最终会影响测量结果。在产品应用中,根据实际情况以及理论计算,目前投入业务使用的自动气象站产品设计中都是采用了2·5 mA作为激励电流。由于放大电路的输入阻抗在兆欧级,被测温度传感器铂电阻丝(标准电阻)、传感器到采集端的引线和开关电路电阻值大约在100Ω左右,所以,从图1中可以看出流过被测温度传感器的铂电阻丝电流值就是恒流源所提供的电流值。

　　2　开关电路

　　恒流源电路只是提供一个恒定的激励电流,从测量的精度出发,应当避免在自动气象站不进行温度数据采集的时候在铂电阻丝加载激励电流,因为长时间的电流加在铂电阻丝上会引起发热,最终会影响测量结果。只有在采集程序需要进行温度数据采集的时候才加上激励电流,为避免铂电阻丝发热而影响测量精度,要求加在铂电阻丝上的激励电流时间越短越好,而小电流、开关响应速度快是电子开关的特点。自动气象站产品上用的比较多的电子开关产品有CD4052、CD4066等芯片。这样,在自动气象站进行数据采集的时候,先对被测铂电阻丝加载激励电流,然后再对标准电阻加载激励电流。

　　3　放大电路

　　正常情况下,铂电阻丝的电阻值在100Ω左右,再乘以激励电流,产生在铂电阻丝两端的电压值约0·25 V。这样的一个电压值对于A/D转换是不适合的,对于常用的A/D芯片量程来说,0~5 V是一个比较常用的范围,所以将铂电阻丝两端的电压先进行适当的放大,然后再进行A/D转化是较常见的做法。由于采用了标准电阻作为比对,在后面的分析中会看到放大电路具体的放大倍数精确值不需要求出,只要保证其增益保持稳定即可。常见放大电路做法是采用几级运算放大器进行串联放大或直接采用集成度比较高的放大器进行放大(只需一个芯片加适当的电阻电容等器件就可以完成放大功能),将小电压信号放大到A/D芯片的工作范围。