本實用新型具體涉及一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置。
背景技術:
近年來我國雪災、旱災、洪澇等自然災害發(fā)生頻率高、害危害面廣、破壞性大,對人民生命財產(chǎn)安全的造成巨大威脅,嚴重制約了社會經(jīng)濟的發(fā)展。國家對氣象保障的要求更為緊迫、期望也越來越高。準確的高空氣象要素測量數(shù)據(jù)是實現(xiàn)精確天氣預報和氣象災害預警的基礎。因而目前對高空氣象要素的準確探測尤其是高空濕度的探測要求也越來越高?,F(xiàn)今,探空濕度探測器有雙加熱濕度傳感器,有效解決了高空低溫、低濕、低壓傳感器容易結(jié)露、結(jié)冰的問題;還有帶有防護罩的濕度傳感器,有效的改善了高空云雨導致的測量精度降低的問題。
盡管如此,現(xiàn)階段探空濕度探測還存在以下缺陷:(1)除了受本身材料和結(jié)構(gòu)等影響外,研究表明太陽輻射導致濕度測量出現(xiàn)明顯的偏干現(xiàn)象,但目前尚缺乏較好的解決方案。(2)傳統(tǒng)的探空濕度傳感器需花費大量的成本;(3)高空、低溫環(huán)境下濕度系數(shù)修正困難,濕度傳感器的電容與相對濕度的關系曲線,隨溫度的變化而變化,現(xiàn)有的技術很難在溫度變化較大的范圍內(nèi)準確地進行誤差修正。
技術實現(xiàn)要素:
針對上述問題,本實用新型提出一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置,提高了濕度測量的精確度和穩(wěn)定性,并且極大的降低了成本。
實現(xiàn)上述技術目的,達到上述技術效果,本實用新型通過以下技術方案實現(xiàn):
一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置,包括環(huán)境檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元、第一數(shù)據(jù)處理單元、第一無線通信單元和地面終端單元;所述環(huán)境檢測單元包括濕度傳感器,濕度傳感器的上表面設有第一溫度傳感器,其四周至少設有一個第二溫度傳感器,第二溫度傳感器由支架支起,支架的一端與濕度傳感器相連,支架的另一端與第二溫度傳感器相連;所述數(shù)據(jù)采集單元的輸入端分別與濕度傳感器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的輸出端相連;所述第一數(shù)據(jù)處理單元設于數(shù)據(jù)采集單元和第一無線通信單元之間;所述地面終端單元包括相互連接的第二無線通信單元和第二數(shù)據(jù)處理單元,第二無線通信單元與第一無線通信單元之間無線連接。
進一步地,所述第一溫度傳感器為鉑電阻陣列式溫度傳感器;第二溫度傳感器為鉑電阻球型溫度傳感器;所述支架的材料為鋁材,鋁材的反射率大于90%。
進一步地,所述濕度傳感器的上表面設有一個第一溫度傳感器,其四周布設四個第二溫度傳感器。
進一步地,所述第一溫度傳感器和第二溫度傳感器上均設有防護罩。
進一步地,所述濕度傳感器包括從下至上依疊層設置的基底層、第一絕緣層、加熱層、第二絕緣層、下電極層、感濕層、多孔上電極層和頂部濾網(wǎng)層。
進一步地,所述數(shù)據(jù)采集單元包括A/D采樣電路和多諧振蕩電路;所述A/D采樣電路的輸入端分別與各溫度傳感器的輸出端相連;多諧振蕩電路的輸入端與濕度傳感器的輸出端相連;A/D采樣電路和多諧振蕩電路的輸出端均與第一數(shù)據(jù)處理單元相連;所述第一數(shù)據(jù)處理單元包括第一微處理器芯片;所述第二數(shù)據(jù)處理單元包括第二微處理器芯片。
進一步地,所述第一無線通信單元包括分別與第一微處理器芯片相連的第一北斗通信模塊和第一GPS模塊;所述第二無線通信單元包括分別與第二微處理器芯片相連的第二北斗通信模塊和第二GPS模塊;所述第一北斗通信模塊與第二北斗通信模塊無線連接;第一GPS模塊與第二GPS模塊無線連接。
進一步地,所述可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置,還包括用于供電的電源模塊,所述電源模塊包括直流電源、與直流電源相連的穩(wěn)壓電路,分別與穩(wěn)壓電路相連的模擬電源、基準電壓源和數(shù)字電源;模擬電源用于為環(huán)境檢測單元供電;基準電壓源用于為數(shù)據(jù)采集單元供電;數(shù)字電源用于為第一數(shù)據(jù)處理單元供電。
一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量方法,包括以下步驟:
(1)利用濕度傳感器測得太陽輻射加熱條件下的相對濕度RH0,濕度傳感器上表面的第一溫度傳感器測得太陽輻射加熱條件下濕度傳感器上表面的溫度T0,并通過數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元;
(2)第一數(shù)據(jù)處理單元調(diào)出預存的飽和水汽壓和溫度的關系曲線;
(3)根據(jù)步驟二中的關系曲線得到T0所對應的飽和水汽壓P0;
(4)根據(jù)相對濕度公式:得到
因此空氣中的實際水汽壓Pr=RH0×P0;
(5)設于濕度傳感器四周的第二溫度傳感器測得大氣環(huán)境中的實際溫度,并通過數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元,第一數(shù)據(jù)處理單元對其取平均值得到溫度T1;
(6)第一數(shù)據(jù)處理單元通過飽和水汽壓和溫度關系得到溫度T1所對應的飽和水汽壓P1;
(7)由相對濕度公式得到修正后的相對濕度值RH0':
(8)第一數(shù)據(jù)處理單元將修正后的相對濕度值RH0'通過第一無線通信單元傳送到地面終端單元,完成濕度測量。
本實用新型的有益效果:
1.本實用新型濕度傳感器采用了1個陣列式溫度傳感器和4個球狀的溫度傳感器,陣列式溫度傳感器在濕度傳感器表面上可測太陽輻射下的濕度傳感器表面溫度值,所述濕度傳感器四周為支架支起的四個球狀的溫度傳感器,可測精確測量大氣環(huán)境中實際的溫度;
2.本實用新型采用的溫度傳感器都安裝有防護罩,有效改善太陽輻射和雨水對溫度測量的影響;
3.本實用新型中的數(shù)據(jù)傳輸采用北斗通信模塊和GPS模塊,可供用戶選擇。北斗覆蓋范圍大,可以把導航定位與通信有機結(jié)合起來;
4.本實用新型的濕度信號采集電路采用多諧振蕩電路,結(jié)構(gòu)簡單,同時具有誤差小、抗干擾能力強、測量精確的特點;
5.本實用新型采用軟硬件相結(jié)合方法消除了太陽輻射誤差,降低了太陽輻射偏干誤差修正的成本,市場應用價值大;
6.本實用新型采用32位的STM32407ZGT6單片機進行數(shù)據(jù)處理和太陽輻射誤差補償,所述單片機的工作頻率為168MHZ,1024K的內(nèi)存和192KB的SRAM,速度快,實時性好,減小了延時誤差。
7.本實用新型提出的一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置及方法,在高空濕度探測領域尤其是太陽輻射誤差修正領域具有很大的市場前景。
附圖說明
圖1為濕度傳感器與溫度傳感器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本實用新型的探空濕度測量裝置的電路框圖;
圖3為太陽輻射下濕度測量系統(tǒng)溫度場變化圖;
圖4為可消除太陽輻射誤差的濕度測量方法的流程圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合實施例,對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型,并不用于限定本實用新型。
下面結(jié)合附圖對本實用新型的應用原理作詳細的描述。
如圖1-2所示,一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置,包括環(huán)境檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元、第一數(shù)據(jù)處理單元、第一無線通信單元和地面終端單元;所述環(huán)境檢測單元包括濕度傳感器,濕度傳感器的上表面設有第一溫度傳感器10,可測濕度傳感器表面的溫度,其四周至少設有一個第二溫度傳感器17,第二溫度傳感器17由支架12支起,支架12的一端與濕度傳感器相連,支架12的另一端與第二溫度傳感器17相連,支架12沿濕度傳感器對角線延伸,其長度為濕度傳感器的3~5倍,確保第二溫度傳感器17測量的是空氣中的真實溫度;所述數(shù)據(jù)采集單元的輸入端分別與濕度傳感器、第一溫度傳感器10和第二溫度傳感器17的輸出端相連;所述第一數(shù)據(jù)處理單元設于數(shù)據(jù)采集單元和第一無線通信單元之間;所述地面終端單元包括相互連接的第二無線通信單元和第二數(shù)據(jù)處理單元,第二無線通信單元與第一無線通信單元之間無線連接。
在本實用新型的一種實施例中,所述第一溫度傳感器10通過立柱9安裝在濕度傳感器的上表面,第一溫度傳感器10與濕度傳感器之間存在間隙,防止?jié)穸葌鞲衅髋c第一溫度傳感器10之間存在熱傳導,從而影響第一溫度傳感器10的測量精度。
在本實用新型的一種實施例中,所述第一溫度傳感器10為陣列式溫度傳感器,優(yōu)選為鉑電阻陣列式溫度傳感器,用于實時測量濕度傳感器表面的由于太陽輻射加熱升高的溫度變化;第二溫度傳感器17為球型溫度傳感器,優(yōu)選為鉑電阻球型溫度傳感器,用于測量遠離濕度傳感器表面的大氣環(huán)境真實溫度;所述支架12的材料為鋁材,鋁材的反射率大于90%。
在本實用新型中,由于濕度傳感器吸收太陽輻射的熱量導致傳感器內(nèi)部溫度升高,這種現(xiàn)象稱之為內(nèi)部導熱,采用原理性的表述太陽輻射的影響。
在本實用新型的優(yōu)選實施例中,所述濕度傳感器的上表面設有一個第一溫度傳感器10,其四周布設四個第二溫度傳感器17。
在本實用新型的一種實施例中,所述第一溫度傳感器10和第二溫度傳感器17上均設有防護罩(11、13、14、15、16),用于消除太陽輻射和雨水對測溫的影響。
在本實用新型的一種實施例中,所述濕度傳感器包括從下至上依疊層設置的基底層1、第一絕緣層2、加熱層3、第二絕緣層4、下電極層5、感濕層6、多孔上電極層7和頂部濾網(wǎng)層8。其中,基底層1材料為300μm厚的單晶硅,基底層1氧化形成1~2μm厚的二氧化硅作為第一絕緣層2,采用光刻和刻蝕技術在第一絕緣層2上制備4~6μm厚的同心圓立體形狀的加熱層3,加熱層3材料為金屬鉑電阻,它的加熱功率高且易于控溫,加熱層上覆有氧化鋁作為第二絕緣層4,在第二絕緣層4上光刻刻蝕制備下電極(優(yōu)選為金下電極),即下電極層,下電極上采用高分子聚合材料聚酰亞胺作為濕度感濕層6,在感濕層6上采用磁控濺射鍍一層20~40nm厚的多孔上電極層7(優(yōu)選為多孔金上電極層),在多孔上電極上制備塑料頂部濾網(wǎng)層8,防止探空測濕過程中的外界污染。
在本實用新型的一種實施例中,所述數(shù)據(jù)采集單元包括A/D采樣電路和多諧振蕩電路;所述A/D采樣電路的輸入端分別與各溫度傳感器的輸出端相連;多諧振蕩電路的輸入端與濕度傳感器的輸出端相連;A/D采樣電路和多諧振蕩電路的輸出端均與第一數(shù)據(jù)處理單元相連;A/D采樣電路和多諧振蕩電路分別用于采集放大、濾波處理后的溫度信號和濕度信號;所述第一數(shù)據(jù)處理單元包括第一微處理器芯片;所述第二數(shù)據(jù)處理單元包括第二微處理器芯片。優(yōu)選地,所述A/D采樣電路包括2個型號為AD7794的芯片;第一微處理器芯片采用STM32ZGT6單片機;第二微處理器芯片采用ARM處理器,多諧振蕩電路采用ICM7555。
更優(yōu)選地,所述第一微處理器芯片與數(shù)據(jù)采集單元之間還設有信號隔離電路和穩(wěn)壓隔離電路,用于對數(shù)據(jù)采集單元采集到的信號進行處理。
在本實用新型的一種實施例中,所述第一無線通信單元包括分別與第一微處理器芯片相連的第一北斗通信模塊和第一GPS模塊;所述第二無線通信單元包括分別與第二微處理器芯片相連的第二北斗通信模塊和第二GPS模塊;所述第一北斗通信模塊與第二北斗通信模塊無線連接;第一GPS模塊與第二GPS模塊無線連接。
在本實用新型的一種實施例中,所述第一數(shù)據(jù)處理單元還包括LCD液晶顯示模塊、串口接口模塊,LCD液晶顯示模塊用于對處理后的數(shù)據(jù)進行顯示;所述串口接口模塊分別與第一北斗通信模塊和第一GPS模塊相連;所述地面終端大單元包括電源、第二微處理器芯片(ARM處理芯片)、接口單元、第二北斗通信模塊和第二GPS模塊,所述第二北斗通信模塊包括北斗基帶模塊、北斗射頻模塊、北斗接收局域網(wǎng)、北斗發(fā)射功率放大器、北斗接收天線;所述第二GPS模塊包括GPS接收天線、GPS基帶模塊、GPS射頻模塊和GPS核心CPU;
在本實用新型的一種實施例中,所述的一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置,還包括用于供電的電源模塊,所述電源模塊包括直流電源、與直流電源相連的穩(wěn)壓電路,分別與穩(wěn)壓電路相連的模擬電源、基準電壓源和數(shù)字電源;模擬電源用于為環(huán)境監(jiān)測單元供電;基準電壓源用于為數(shù)據(jù)采集單元供電;數(shù)字電源用于為數(shù)據(jù)處理單元供電。優(yōu)選地,所述直流電源為12V直流電源。
如圖3所示為太陽輻射下探空濕度測量裝置中溫度場變化圖,○表示真實大氣中的水分子,●表示溫度升高的空氣分子,表示大氣中的水汽分子。
高空中q=h×(tw-t∞),Q=h×A(tw-t∞)=qA
其中q指為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內(nèi)交換的熱量,稱作熱流密度,tw和t∞分別為固體表面溫度和流體的溫度,A為壁面面積,Q為面積A上的傳熱熱量,h稱為表面對流傳熱系數(shù)。
當太陽輻射時,太陽輻射源與濕度傳感器表面對流換熱,太陽輻射流與濕度傳感器表面單位時間交換的熱量q1變大,進而導致濕度傳感器表面?zhèn)鳠釤崃縌1變大,大氣氣流與濕度傳感器表面對流換熱,大氣氣流與濕度傳感器表面單位時間交換的熱量q2明顯小于q1,氣流分子與濕度傳感器碰撞會抵消一部分熱量,但是遠小于濕度傳感器吸收的太陽輻射的熱量,從而導致濕度傳感器表面溫度升高,所測濕度偏干。圖中3中置于濕度傳感器表面的陣列式溫度傳感器可測量溫度升高后濕度傳感器表面的溫度T0;濕度傳感器四周由支架支起的第二溫度傳感器可測得真實大氣中的溫度值T1,探空濕度測量裝置通過數(shù)據(jù)采集單元將數(shù)據(jù)傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元中的單片機,單片機調(diào)出溫度和飽和水汽壓的關系,通過軟硬件結(jié)合可對太陽輻射誤差進行有效地消除。
為了解決太陽輻射引起的濕度測量偏干誤差,如圖4所示,本實用新型的一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量方法,包括以下步驟:
(1)利用濕度傳感器測得太陽輻射加熱條件下的相對濕度RH0,濕度傳感器上表面的第一溫度傳感器測得太陽輻射加熱條件下濕度傳感器上表面的溫度T0,并通過數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元;
(2)第一數(shù)據(jù)處理單元調(diào)出預存的飽和水汽壓和溫度的關系曲線;即STM32ZGT6單片機調(diào)出預存的飽和水汽壓和溫度的關系曲線;
(3)根據(jù)步驟二中的關系曲線得到T0所對應的飽和水汽壓P0;
(4)根據(jù)相對濕度公式:得到
因此空氣中的實際水汽壓Pr=RH0×P0;
(5)設于濕度傳感器四周的第二溫度傳感器測得大氣環(huán)境中的實際溫度,并通過數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元,第一數(shù)據(jù)處理單元對其取平均值得到溫度T1;
(6)第一數(shù)據(jù)處理單元通過飽和水汽壓和溫度關系得到溫度T1所對應的飽和水汽壓P1;
(7)由相對濕度公式得到修正后的相對濕度值RH0':
(8)第一數(shù)據(jù)處理單元將修正后的相對濕度值RH0'通過第一無線通信單元傳送到地面終端單元。
上述方法可以采用本實用新型中的探空濕度測量裝置來完成。
綜上所述:
1.本實用新型濕度傳感器采用了1個陣列式溫度傳感器和4個球狀的溫度傳感器,陣列式溫度傳感器在濕度傳感器表面上可測太陽輻射下的濕度傳感器表面溫度值,所述探空濕度傳感器四周為支架支起的四個球狀溫度傳感器,可測精確測量大氣環(huán)境中實際的溫度;
2.本實用新型采用的溫度傳感器都安裝有防護罩,有效改善太陽輻射和雨水對溫度測量的影響;
3.本實用新型中的數(shù)據(jù)傳輸采用北斗模塊和GPS模塊,可供用戶選擇。北斗覆蓋范圍大,可以把導航定位與通信有機結(jié)合起來;
4.本實用新型的濕度信號采集電路采用多諧振蕩電路,結(jié)構(gòu)簡單,同時具有誤差小、抗干擾能力強、測量精確的特點;
5.本實用新型采用軟硬件相結(jié)合方法消除了太陽輻射誤差,降低了太陽輻射偏干誤差修正的成本,市場應用價值大;
6.本實用新型采用32位的STM32407ZGT6單片機進行數(shù)據(jù)處理和太陽輻射誤差補償,所述單片機的工作頻率為168MHZ,1024K的內(nèi)存和192KB的SRAM,速度快,實時性好,減小了延時誤差。
7.本實用新型提出的一種可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置及方法,在高空濕度探測領域尤其是太陽輻射誤差修正領域具有很大的市場前景。
上述方法可以采用本實用新型的可消除太陽輻射誤差的探空濕度測量裝置來完成。
以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解,本實用新型不受上述實施例的限制,上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理,在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下,本實用新型還會有各種變化和改進,這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。