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地面气象辣要素智能采集系统 第4页

更新时间:2009-4-1:  来源:毕业论文
地面气象辣要素智能采集系统 第4页
测量误差分析
使用金属温度计测量温度,总会产生一系列的系统误差,其成因十分复杂,如:
电流热效应引起的误差;
平衡电桥测量时电桥电阻误差,电源误差;
引线电阻引起的测量误差,尤其是引线电阻随温度变化导致的测量误差;
转换电路引起的误差;
电阻与温度曲线线性化较正引起的误差;
有通风量变化引起的误差;
湿度变化引起的误差;
测温元件热滞效应引起的误差;
环境热辐射(如太阳辐射、大气散射、地面反射辐射)所造成的测量误差,等。
为使温度数值能较真实地反映实际温度,即:使温度测量误差被限制在测量范围内,必须对误差的各种成因加以详细而深入的分析和研究,并对所使用的元件、工艺、使用条件和环境提出具体要求和规定。这也是选择相应传感设备的基本依据。由于篇幅限制,在此不能一一加以详述。鉴于测量元件的热滞效应是一种迟滞效应,而迟滞效应是感应元件所共有的一种特性,是影响温度测量的精确度的一个重要因素,其原理分析具有一定的代表性,故作一些简单介绍。目的主要是了解针对这类问题的一种分析方法。
元件从外界吸收(或失去)的热量:
      ……………(2-1)
其中,T和 分别表示元件以及环境温度,s为测温元件的有效散热面积,h为热交换系数。
元件吸收(或失去)热量使得其温度发生变化dT,根据热交换平衡原理有:
 …………………………(2-2)
其中,c为比热,M为元件的质量,将上面两式合并有:
 …………………(2-3)
令 ( 被称为热滞系数,其定义为温度表的示值与介质温度之差( )减小到起始温度差( )的1/e所需要的时间,其单位为s)。 表示温度表响应温度变化的速率。这个速率与热滞系数 成反比。为了减小热滞误差,提高响应速度,应该减小测温元件的质量m,并要选取比热小的测温物质;增大测温物质与被测介质的接触面积s;增大两者之间的热交换系数h,h取决于介质流速的大小。则有:
   ……………………(2-4)
解上述微分方程(2.2.4)得:
 …………………………(2-5)
1) 在环境温度恒定条件下的滞后误差
即 为常数,初始条件为 =0时, ,则只有当 时,才有 。由此,可以看出示度与环境间存在滞差。
经时间 温差为: ,
或达到 所需时间:
例如在初始温差为 条件下,一个热滞系数为300s的测温元件,欲使滞差达到 ,则需要1380s,即23分钟。
2) 当环境温度呈线性变化时的热滞误差
环境温度呈线性变化:
式中: 为环境温度的变化率,即 。
初始条件为 ,即开始时温度与环境温度已达到热平衡。解微分方程得到:
 …………………………(2-6)
1.当时间τ足够大时(一般取 ),热惯性误差 ,为一常数。
2.热惯性误差的大小,取决于β、λ。例如:实际气温每小时升温3℃,即:β=1/1200(℃/s),对一个热滞系数小于300s的元件,滞差可达0.25℃;当热滞系数小于60s时,滞差仅有0.05℃。
3)环境温度呈周期性变化时的热滞误差
    环境温度以周期 、振幅 呈简单的正弦变化,则:
 …………………………(2-7)
将上式代入(3-19)式求解可得:
 …………………………(2-8)
常数 由初始条件确定。当 时,
 …………………………(2-9)
    由上式可知:
1.温度表的示值也呈周期为 的正弦变化;
    2.温度表的示值振幅A小于实际振幅 ,
    3.温度表示值的正弦变化相位落后,相移角为: .
表2-1列出不同 所对应的振幅衰减和相位落后。
表2-2 温度表热滞对温度周期性变化的影响
 
5 2.5 1 0.5 0.25 0.1 0.05 0.025 0.018
 
0.032 0.064 0.157 0.303 0.537 0.346 0.954 0.988 0.994
 
88.2 86.4 81.0 72.3 57.5 32.1 17.4 8.9 6.5
    根据实际观测资料估计,1.5m高处百叶箱内的气温日变化可看做日振幅取作5℃的周期性变化,若要保证记录下来的日振幅误差小于0.05℃,则可由下式估计出测温元件的热滞系数应小于2000s:
 …………………………(2-10)
若同时要求最高(和最低)温度出现的时刻相位落后所引起的误差不超过5min,则可估计出测温元件的热滞系数应保持在300s以下,即
 …………………………(2-11)
再举例来说,对于λ=50s的温度表,若介质温度变化周期为100s,实际温度变化幅度为1℃,则温度表的示值变化幅度为0.3℃;但若介质温度变化周期为2000s,则温度表的示值变化幅度为0.95℃,与实际变化幅度就很接近了。又如,若想测量周期为1s的气温的微脉动变化,且要求振幅测量达95%的准确度,则测温元件的热滞系数λ应小于0.05s。
根据上述讨论可见,进行气象观测时应规定测温元件的热滞系数,以减小测温元件的滞差,保证观测资料的可比性。WMO要求地面气象观测用温度表当通风速度为5m/s时,热滞系数应在30s~60s之间。
通过对测温元件热滞效应的分析,我们可以看出:测量原理所造成的测量误差是一种系统误差,其构成因素较为复杂,且对测量的影响很大。因此,我们在使用某种探测原理进行实际测量时,应尽可能对其加以深入的研究和分析,否则就不可能获得较理想的、真实的测量结果。
当然,为使温度测量准确可靠,绝不仅仅如上述这么简单,比如在实际使用中,需用特制百叶箱防辐射,保证良好的通风环境、选择合乎规定的观测地点、对传感器进行提高反射率和抗腐蚀性的加工处理,使用多只铂电阻进行互校及取舍处理,取有效数据的平均值作为测量值等很多实际措施。
2.3湿度的测量
2.3.1概述
空气湿度是表征空气中水汽含量的物理量,通常表征空气湿度的量有以下几个量:水汽压、相对湿度、露点和露点温度、绝对湿度、混合比、比湿等。我们通常所说的湿度指的是相对湿度
2.3.2湿度的测量方法
湿度的测量方法很多,主要有干湿法、机械吸附法、电元件吸附法、重量法、露点法、光学辐射法。
2.3.3测湿元件
通常测湿元件有干湿表、冷却式露点传感器(冷却镜面式、石英振子)、湿敏电容(高分子湿敏电容、 湿敏电容)、湿敏电阻、红外线吸收式湿度传感器。
干湿球湿度计由于:
1) 根据其测量原理其输出信号很难转换为电信号;
2)按照我国现行规范,-10℃以下就需要停止使用干湿球湿度表。因此干湿球湿度计一般不适用于自动观测系统使用。
光学测量法是基于空气中的水汽对光谱的吸收效应原理,它是目前唯一用来测

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