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空气的温度和温度差异的高分辨率测量

唐纳德·w·史蒂文斯

空军剑桥研究实验室，贝德福德，马萨诸塞州

（1966年4月18日收稿，1966年8月17日完成修订）

文摘

这是一个测量空气的温度和温差的高分辨率的系统。该系统用于常规现场使用与高质量的数据处理设备,并且用于测量温差在0.01C和温度在0.05 c。铂电阻传感元素使用，还描述了械吸气辐射屏蔽了这些传感器机。

1.简介

对于微气象学研究的温度剖面测量系统的设计者很快发现他有两个主要方面的问题。在一方面是小的垂直梯度，他必须测量需求的准确度和分辨率，通常只存在于实验室设备。 另一方面，他的设备必须提供此水平的性能可靠地在现场环境，而不需要过度的维护和重新校准。此外，成本通常是一个重要的因素，特别是如果考虑多个测量水平。本文介绍了我们的努力，以满足空军剑桥研究实验室移动微气象观测系统（MMOS）这些要求。一份说明该系统的信号调理，数据处理和控制功能的文件将于近日出版（Kaimal等，1966）。

2.传感器选择

最明显的温度曲线传感器的选择是电式的，它允许远程读取或测量。除少数特殊情况下，电子温度传感器通常是热电（即热电偶）或电阻器件。后者可进一步细分为半导体（即热敏电阻器）或金属（铜，镍，铂等）的类型。虽然所有这些设备已在微气象研究和工业工作中使用，至关重要的一点是，对于实验室测量，最大的准确性，稳定性和再现性是必需的，铂电阻元件几乎是必然选择。因此，我们决定在MMOS使用铂丝传感器。本文的其余部分将关注他们的表现。

3.电路设计注意事项

因为电阻型传感器的基本原理是其电阻随温度的变化,电信号的最方便的方法是通过使用将它转换为一个惠斯通电桥的电路。电路设计和操作管理模式主要是由三个因素:

a）分辨率的要求；

b）线性度要求；

C）在一些参考温度下的基本元件电阻 。

我们与MMOS在温度测量的主要兴趣是在垂直梯度方面;因此，干绝热递减率约0.01为最低分辨率要求。也就是说，我们应该能够检测和精确测量的温度差异为0.01摄氏度的两个元素之间分离垂直一米。当然，这假设每个元件与周围的空气热平衡。一个附加的要求是，如果在所有，作为空气温度的变化。当然,这假设每个元素与周围的空气热平衡。另外一个要求就是,如果随着气温的变化，分辨率应该稍有改变。

虽然合理的非线性通常不会有太大困难来补偿，但是如果选择的线路是线性的，这是更为方便的。即在我们的例子中,我们希望测量温差是由线性相关传感器测得的实际温差。另外，在共同分辨率的要求下,由于环境温度的变化，传感器应该有小线性变化。

在20℃下，电阻随温度的纯铂线的变化是大约每度0.4％。为了遥感、长引线必须连接到元素,所以很明显,使用一高电阻传感器最小化引线电阻的产生的影响变化。另一方面,高阻抗电路也是臭名昭著的外来噪音拾取。

如上所述,我们的基本目标是0.01摄氏度的温差测量。如果我们通过每个级别和减去测量温度试着达到这个目标,我们必须获得每个0.005摄氏度温度范围内的温度,如果我们考虑50摄氏度的温度范围,我们的分辨率必须是1/10000。相反,如果我们直接测量温差范围是5摄氏度，那么这种情况下分辨率就要提高了一个数量级。

4.温差桥

可能的最常用的电路，一个是用于测量与电阻元件是一个具有两个相邻的有源臂的桥梁（克劳福德，1962年; 格兰特和希克斯，1962年）。另一个是在应变工作常见的微分电路的四个有源臂电桥（布拉德利，1966年，弗兰克，1962年; 泽维尔和沃格特，1962年）。而两个桥能够线性输出(即通过线性相关的电阻变化的有源臂桥输出),对于相同的外加电压或电流，四个有源臂桥的灵敏度是两个有源臂桥的两倍。布拉德利（同前）已经通过一个方便的形式总结了各种桥电路。

由于我们的要求需要以最小的自热效应兼容最高的灵敏度，我们选择了温度差测量的四个有源臂桥。图1是一个电路的原理图,其中R1和R4 是双绕传感器，R2和R3的绕组是与其相似的另一个绕组传感器。它可以表明,这座桥的恒电流操作给出了仅是桥电流和温度差的函数的输出,而对于恒压操作温度传感器电压和温度的函数输出不一样。虽然恒流操作优先,但恒定电压供应通常更容易获得,所以R3(见图1)被插入以减少桥电流变化。ES是一个可调节恒压电源，输出的电压用于图1的电路，当R1 = R4和R2 = R3由下式给出

(1)

这里的。输出极性表示在图中传感器R2R3比R1R4温暖是有效的，即R2gt;R1。如果我们灵敏度定义为输出电压/温度,

式（1）可以被写为

同样的，时，

因此，我们得到

(3)

作为灵敏度随温度的微小变化的表达。对于铂在大气温度的范围内，是负的并且基本上是恒定的，而是阳性，所以在方程(3)式右侧的两个术语是附加的。 方程（3）将在本文的后面部分进行数值计算。

5.温度测量

为了标准化系统中的传感器，两个有源臂桥用于温度的测量，完成这座桥的传感器连接的双绕组对桥臂和固定电阻的温度系数非常低。这些电阻物理位置非常接近传感器,使桥连接短并且在本质上是相同的温度。图2是这座桥的示意图。忽略引线电阻和假设R1= R2,则输出是

(4)

为方便起见，所以在0℃时选择R = R1 = R2。

6.电路的值

用于MMOS的传感器是每卷绕在0℃为1000.1Omega;的基本电阻玻璃双伤口元素。图3显示了这些的一对。考虑到系统的数据处理设备的特点,在20摄氏度的环境温度下，我们选择了时间内灵敏度桥和桥。温度桥的固定电阻的电阻是100Omega;0.005％，并且在5到45度的范围内，温度系数为1ppm。将, R1,R2和 代入方程式（2）和（4）能够得到给定的Rs的灵敏度，典型数值列于表1。

7.误差分析

下面是有几种可能的误差源电路讨论。作为辅助分析和评估他们,他们都可以被分成三类:a)与传感器相关的错误,b)与桥电路和错误的操作模式,和c)错误输出的测量。讨论这些的清单如下:

a)传感器错误

1)不匹配。

方程(1)表达△T桥是派生的输出假设的两个线圈传感器，它们有相同的电阻(R1 = R4和R2 = R3)。制造公差可能不满足这些条件,但我们知道通过传感器对的选择和适当的桥连接可以减少失配的影响,。要满足的条件是:

对于为0，如果，那么主要影响将是一个零偏移量。

温度桥传感器绕组之间导致错误的原因就是最大参考温度(在我们的例子中是0度)和参考温度降低的增加偏离。我们可以插入的平衡电阻桥,而是我们选择校准每个温度桥，这在第8节中有描述。

2)自我加热。

对于桥,通过传感器的电流本质上总是平等的,因此取消自动加热的影响。这不是温度桥的问题,但传感器非常低的功率耗散()和我们的校准结果都可能出现的小的影响。

3)热辐射。

显而易见的，从太阳和地球辐射可知屏蔽传感器的必要性。对于传感器，屏蔽效率并不如T传感器如此重要,但它们当然应该被暴露于尽可能地相似的辐射的环境中。泵吸式屏蔽装置将在本文的第9节简要介绍。

b）电路和操作失误

1. 温度相关的灵敏度。

使用从传感器制造商的数据适当的值，我们得到一个典型的传感器数据

这些代入式（3），R 1和R 2从表1的值给出

per cent per degree，

在0至40℃的范围，其产生约1％的灵敏度的最大变化。

类似的计算温度桥显示出在20℃，灵敏度偏差约为0.03％每度。这种变化包含在桥校准中。

2）导线电阻的变化。

在桥电路的互连引线之间的温度差异可以是误差源。在桥，这个源是由补偿在桥的每个臂插入引线，每个臂经历在引线电阻随着环境温度的变化相同的变化的方式消除。 图4是经补偿的桥的示意图，是由一个八导体电缆提供所有互连和补偿导线;功率和输出连接在电缆的中点制成。

没有补偿采用的是MMOS温度的桥梁。如在第5部分所指出的，互连引线都非常短，都暴露于相同的环境温度。

由于温度引起的变化，连接到桥位于电源附近的电阻Rs的引线的电阻可能导致灵敏度的细微变化。这是通过利用低电阻电缆来降低到微不足道。

3）电源变化。

在MMOS中，所有的和T桥并联在数据处理操作中使用一个公共电源，这公共电源连同所有系列的RS电阻器。该电源具有0.05％的调节，而一峰纹波有0.006％的调节，所以从这个源头预期的敏感性变化最多为0.06％。

1. 设置错误。

在表1中所列的桥电流所需的那些的所需的灵敏度。由于列出的Rs中的值是不标准的电阻值，各接收的系统中Rx的一个部分是可变的。在20 度，通过测量IR压降在高精度电阻Rs的组成部分，他们提供适当的调整桥电流传感器。

测量是用具有0.01％的精度读数的一个精密电压表，和电阻器容差是0.005％的或更好。

5）热电效应。

因为它是不实用的，以避免在制造桥组件的异种金属的接合，必须注意的热电效应的可能性。通过避免使用焊接连接的和定位的接合处，以便它们之间该温度差小，我们显然已经成功地消除了这个问题。没有热电效应已经注意到，在任何校准和测试。

C）测量误差

就输入电压的表示而言，MMOS数据处理设备的整体噪声水平是。由于桥灵敏度是并且T桥灵敏度是，系统噪声分别为和，分别用于单独测量和T.

表2总结的是误差来源及其大小。表中出现的百分比表示的是百分比变化的敏感度。

通常MMOS的轮廓测量的操作模式是使用每秒一个的采样率和十分钟的最小平均时间。有人认为,上述电源波动和测量误差是随机分布在时间,因此将不会影响和T的平均值。

在表2,显然这种假设对测量零点偏移的唯一重要的误差源在于失配和随温度而变的敏感偏移。如以下部分中描述被确定为最接近的0.01C为每个传感器对。在0至40℃的范围内的桥灵敏度非常近的温度的线性函数，所以它被定为MMOS数据处理程序中的的校正方程。该方程的形式是

这里的是温度T下桥的输出，是零偏移量，是20摄氏度下桥的灵敏度，单位是，可以从方程（3）中获得。

8.校准和测试

温度桥梁的校准和桥的零点偏移的判定是通过传感器搅拌和控制水槽温度实现。水槽温度是使用精密的铂标准电阻元件和米勒桥来测定。由于控制器的特性，水槽温度振荡大约0.015摄氏度是一个稳定的选点温度,时间约30秒。穆勒桥平衡调整中心空点的波动,这是作为水槽的温度。这个温度被认为是精确到0.01摄氏度。

测试桥的输出是由MMOS设备以1秒为间隔测量10分钟时间，这意味着重复零补偿值计算。这个测量是以10℃为间隔，测量范围为0度到40度。平均数零被四舍五入到最接近的0.01C和稳定在整个温度范围内。平均温度电桥输出值被舍入到最近0.05C。每一个温度桥校正方程从这些校准数据源纳入MMO数据处理程序。经过6周的使用在该领域的校准重复显示没有显著的变化。

热电效应的存在的电路测试通过观察与桥功率移除。没有观察到显著的影响。

超前补偿的有效性在桥梁检测是通过建立温差约40度之间的电缆部分导致了两个传感器,浸水槽里，没有检测到影响测量零点偏移。

9.辐射防护罩

前面提到的是，屏蔽来自太阳能和地面辐射的传感器的必要性。防护罩的设计来实现这一目的，但往往是相当昂贵的。一些有如此大的体积流量，在一个给定的水平的空气温度的测量变得毫无意义。因此，它被决定尝试使用现成的、低成本的材料，构建一个令人满意的屏蔽组件。易于制造，装配和维护都在设计的考虑范围。

经过多次试验和测试，设计采用的是图5、6和7所示，分别显示剖析图和组装观点成品屏障组件。选择上的镀铬外遮阳对太阳辐射的反射率高。马达管和进气管都画着铝粉漆并外涂透明塑料喷涂，即选择了其红外反射率。电动机管材料和各种非金属安装螺钉、垫片等，分别选择，以防止热传导从电机到传感器。

该文章中抽吸率尚未实测；据估计为15-20。在现场使用时，应将防护罩装配为导向，使进气端面自然风，以避免用电机热加热空气的可能性。三种方式的屏蔽进行了有效性的测试。首先，它是与通过在每个屏蔽安装的一对中的一个传感器（两个取样空气在同一水平），并测量10分钟的平均温度差与商业模型进行比较。一系列这样的测量，在黑暗或阳光下没有显著差异。第二测试相似，所不同的是2 个MMOS屏蔽进行比较，并再次无显著差异。最后，一个屏蔽的温度传感器被暴露在明亮的阳光和阴影交替。由于空气温度的自然时间变异性，本试验可得出结论。这2个屏蔽平均温度与那些在任何环境的连续曝光10分钟的时间的相比差异并不大。

在各方面，这样的测试是不令人满意的。正在形成更多的测试，更好地控制外部条件的计划，并将在不久的将来实施。

10.结束语。

当采用适当的对细节的关注在组装,校准,并安装,所描述的系统能够获得平均值的温差和温度分辨率分别为0.01度和0.05度。系统的现场经验证明了其可靠性和稳定性。我们相信,

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