气象观测用地温测量装置误差一致性电路的设计

　　0　引言

　　地温测量是气象观测的基本要素,传统的地温测量采用水银温度计通过人工读数完成,人工造成的误差较大,劳动强度大,效率低,数据采集的时间密度通常一次/h,不能满足气象业务的需要。随着电子科技迅猛发展,电子测温装置逐渐取代水银温度计,实现自动测量和数据传输,数据采集时间密度大幅度提高。但是要准确测量地表下的9层地温[1],而且深层80cm、160cm、320cm的温度日变化非常小,各层的温差也较小,如果电路不够精密以及各通道系统误差没有一致性,那么就不能客观地反映真实的地温变化。

　　1地温测量方法

　　气象观测业务规定地表和浅层地温是安装在地下0cm、5cm、10cm、15cm、20cm处;传感器安装在观测场西南侧地表裸露的地温场(面积1×2 m2)中心线位置,传感器的感应部分朝向南方,信号缆线采用铝塑管防护,从地温传感器位置的土壤中送入分线井。0cm、5cm、10cm、15cm、20cm温度传感器采用专用支架固定,如图1所示,一体化地安装在地温场位置。

　　深层地温传感器安装深度在地下40cm、80cm、160cm和320cm处。深层地温传感器安装在观测场东南侧地面保持自然状态的场地中,传感器保持东西向间隔0·5m排列,其信号缆线从外管顶端用PVC塑料管做防护送入土壤中,再引入分线井,如图2所示。

　　从实际安装图上可以看出,如果各层地温使用独立的仪器测量,或者虽然使用同一个仪器但各层的数据采集是独立的话,那么系统误差是不同的。实际上各层传感器至数据采集器的A/D转换电路的电缆长度也是不相同的, 320cm传感器的连线最长,由于信号线本身的存在电阻,线缆越长电阻越大,其压降越大。如果采取二线制接线方法,传感器感应电压差会受到线长的影响而产生误差[2],因此必须采取四线制连线方法减少误差,也就是其中两条线通过恒定电流I,另两条线采集电压差V+、V-,如图3所示。

2　误差一致性电路设计

　　地温测量电路主要由微处理器、A/D转换器、矩阵模拟开关电路、传感器供电切换电路、开关控制电路、统一的基准电阻器(100Ω)等组成。关键的是A/D转换器、矩阵模拟开关电路、传感器供电切换电路和基准电阻器(100Ω)构成了误差一致性测量电路的核心,也是本文介绍的重点。流程框图如图4所示。

　　地温测量电路MCU采用89C58,内部有32KB存储器EE-PROM,外扩32K数据存储器RAM。通过隔离式RS232异步通信口JB2与下位机通信,送出地温数据。+12V电源输入经过DC-DC隔离稳压变换成+5V精密电源电压供整板使用,电源隔离的作用是地温测量精度不容易受到其它外电路的干扰[3]。要实现各路测量误差一致性,有几个关键技术,一是传感器采用四线制接法;二是必须共用同一A/D通道;三是必须采用同一测量基准;四是传感器信号在不被采样的时候也必须通电。基于这些要求,核心电路简化了的电路原理图如图5所示。MAX333A是四组独立的二输入一输出单刀双掷模拟开关, 4个MAX333A (UC5 - UC8)组成16路二选一开关转换电路;ADG407是八组独立的二输入二输出双刀单掷模拟开关, 2个ADG407 (UC1、UC2)组成16路二入二出开关转换电路,以选择不同的传感器输入。