氣溫多傳感器融合系統(tǒng)工作原理與故障排查及日常維護

閆 平

（內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

地面氣象觀測是氣象觀測中開始最早、發(fā)展最普遍的一類，是整個氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。氣象觀測數(shù)據(jù)是天氣預報的基礎(chǔ)，包括溫度、濕度、氣壓、風向、風速、降水、日照、蒸發(fā)等，這些數(shù)據(jù)每分鐘都在被監(jiān)測并記錄。氣象要素的監(jiān)測對社會經(jīng)濟發(fā)展、人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活具有重要意義，應用先進、智能的技術(shù)手段對氣象要素及其變化過程進行連續(xù)的觀察和測定，及時、準確地采集、傳輸、存儲相關(guān)原始數(shù)據(jù)并進行整合分析，對氣象部門準確預測可能性氣象災害、及時發(fā)布預警預報信息、有效應對復雜天氣意義重大。隨著氣象觀測現(xiàn)代化建設(shè)和改革的不斷推進，地面氣象觀測進入全面自動化時代。自動氣象站的建成和應用，使得氣象數(shù)據(jù)采集和處理更加高效、便捷，在降低基層臺站觀測員工作量的同時，進一步提高了觀測的精確性、時效性。然而在實際工作中，地面氣象觀測數(shù)據(jù)缺失和觀測數(shù)據(jù)異常的問題偶有發(fā)生，數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性無法保證。2019年，內(nèi)蒙古氣象部門開展了山洪地質(zhì)災害防治氣象保障工程建設(shè)任務(wù)——多傳感器溫度雨量融合系統(tǒng)建設(shè)。其中，氣溫多傳感器融合系統(tǒng)的建設(shè)有效解決了單一傳感器數(shù)據(jù)缺失的問題，較好地剔除了觀測異常值，增加了對單一傳感器數(shù)據(jù)漂移的檢查，從而整體提高了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少了觀測人員觀測及維護的工作量。

1 氣溫多傳感器融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣溫多傳感器融合系統(tǒng)主要包括3 支氣溫傳感器、1 支濕度傳感器、氣溫融合控制器、通信接口和外圍設(shè)備等。氣溫多傳感器融合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 氣溫多傳感器融合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

溫度測量傳感器采用Pt100 鉑電阻溫度傳感器，并采用ITS-90 溫標。氣溫傳感器安裝在百葉箱內(nèi)的專用支架上，支架均勻分布有8 個孔，固定于百葉箱箱底中部，3 支氣溫傳感器分別安裝在支架的正東、正北、正南方向。其中，正東為氣溫傳感器I，正北為氣溫傳感器II，正南為氣溫傳感器III。濕度傳感器安裝在支架的正西方向，氣溫傳感器感應部分垂直向下，固定在支架東側(cè)相應位置上，感應元件的中心部分距地高度1.5 m[1]。

氣溫多傳感器融合控制器能實現(xiàn)多支氣溫傳感器的融合算法，其輸入端連接傳感器的輸出端，輸出氣溫融合數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)等，利用原溫濕分采CAN 總線與主采集器連接，融合控制器面板上的狀態(tài)指示燈可以顯示設(shè)備工作狀態(tài)，融合控制器安裝在百葉箱外部箱體底部。

1.2 工作原理

電阻溫度傳感器測溫原理如圖2 所示，其電阻值隨溫度的變化而發(fā)生變化，且可以直接作為輸出信號。鉑電阻阻值范圍為80 Ω~120 Ω，精度：0.05 ℃。鉑電阻為100 Ω 時，溫度為0 ℃；溫度每升高1 ℃，電阻增大0.385 Ω，公式：Rt=100+0.385 T（Ω）。

Pt100 鉑電阻測溫采用四線制測溫法，如圖3 所示。測溫公式：T=（R-100）/0.385。首先測量1 腳（或者2 腳）與3 腳（或者4 腳）之間的電阻值R1，然后測量1 腳與2 腳（或者3 腳與4 腳）之間的電阻值R2，再用R1減去R2求得鉑電阻的電阻大小R，最后利用公式算得溫度[2-3]。特別說明，鉑電阻的線纜分為兩組，即1、2 和3、4，組內(nèi)沒有明確的線序。

圖2 電阻傳感器工作原理

圖3 四線制測溫法

3 支氣溫傳感器采集的氣溫觀測數(shù)據(jù)進入氣溫采集融合控制模塊后，通過融合算法和監(jiān)控算法實現(xiàn)多傳感器融合數(shù)據(jù)，采樣頻率為30 次/min。首先，對傳感器按預定的采樣頻率進行掃描，并將獲得的電信號轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號，得到氣象變量測量值序列，對氣象變量測量值進行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣象單位量，得到采樣瞬時值，再根據(jù)規(guī)定的算法，計算出氣象變量瞬時值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。數(shù)據(jù)采集完成后，氣溫融合控制模塊會對3 支氣溫傳感器的采樣值進行數(shù)據(jù)融合，形成氣溫融合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合后采用CAN 總線方式接入自動氣象站主采集器，實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信。氣溫融合算法通過氣溫多傳感器融合控制器寫入的融合算法實現(xiàn)，首先采集3 支氣溫傳感器I、II、III 瞬時值（即各傳感器1 min 內(nèi)的平均值），分別記T1、T2、T3，將T1、T2、T3 兩兩比對，計算出每兩只傳感器間的氣溫偏差（Tij），即T12=|T1-T2|，T23=|T2-T3|，T31=|T3-T1|。接下來再定義氣溫偏差值的閾值范圍，當T1、T2、T3均在-50 ℃~50 ℃范圍內(nèi)，則氣溫偏差值的閾值定義為0.2 ℃；當|Ti|或|Tj|大于50 ℃，則氣溫偏差值的閾值定義為0.4 ℃；如果|Ti|或|Tj|某一值缺測，則Tij記為缺測。當Tij 小于等于閾值范圍，表示Tij 在允許范圍之內(nèi)；當Tij 大于閾值范圍或缺測，則在允許范圍之外。當Tij 有兩個或兩個以上在允許范圍之內(nèi)，算法取T1、T2、T3 中間值作為結(jié)果；如果Tij 僅有一個在允許范圍內(nèi)，則取Ti、Tj 兩支溫度傳感器的平均值作為結(jié)果[1]。

氣溫多傳感器標準控制器選取氣溫傳感器I 的測量結(jié)果作為業(yè)務(wù)主用數(shù)據(jù)源，氣溫傳感器II 和III 的測量結(jié)果作為熱備份數(shù)據(jù)源，將3 個傳感器的測量結(jié)果與標準值進行對比，如超出閾值±0.3 ℃，輸出相應狀態(tài)碼，觀測業(yè)務(wù)軟件自動報警，并提示需要檢查異常氣溫傳感器。當現(xiàn)用氣溫傳感器異常，標準控制器可自動切換至下一個狀態(tài)正常的熱備份氣溫數(shù)據(jù)源，切換順序為氣溫傳感器I、II、III、I，依次切換。根據(jù)氣溫數(shù)據(jù)源形成氣溫傳輸值序列，若標準值缺測或3支溫度傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測，并輸出相應狀態(tài)碼。

濕度傳感器測濕元件的介電常數(shù)會隨著環(huán)境的相對濕度變化而變化，主要是利用其上下電極之間的感濕膜吸附空氣中的水分使其電容量發(fā)生相應變化，當相對濕度增大時，濕敏電容量隨之增大；當相對濕度減小時，濕敏電容量隨之減小。傳感器的轉(zhuǎn)換電路把濕敏電容變化量轉(zhuǎn)換成電壓變化量，對應于相對濕度0~100% RH的變化，傳感器的輸出呈0~1 V的線性變化[4-5]。本系統(tǒng)采用的電容傳感器為HUMICAP180，測量范圍為0~100% RH，分辨率為1% RH，輸出電壓范圍為0~1 V，對應濕度為0~100%。

2 氣溫多傳感器融合系統(tǒng)常見故障排查與日常維護

2.1 故障排查

根據(jù)氣溫多傳感器融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照信號流向分區(qū)間進行測試和故障排查，主要從線纜故障、溫度傳感器故障、濕度傳感器故障、氣溫多傳感器融合控制器故障4個方面進行故障排查。

2.1.1 線纜故障排查

一是利用線內(nèi)短路檢測，具體方式是斷開線路兩端，使用通斷檔測試內(nèi)芯兩兩間通斷。二是利用線內(nèi)斷路檢測，具體方式是通過短路法，將線纜一端兩兩短接，另一端用萬用表通斷檔測量，可選屏蔽線作為基準線芯[6]；也可用電參數(shù)法，斷開線路一端，根據(jù)四線制測溫法，測取另一端的電阻特性來進行線纜測試和故障排查。

通過定性與定量相結(jié)合的分析，綜合AHP法、熵值法、最小二乘法進行權(quán)重組合優(yōu)化，建立ELV充電站選址評價模型。

2.1.2 氣溫傳感器故障排查

線纜正常的情況下，可以采用四線制測溫法分別測取每個溫度傳感器是否正常，也可以通過測試命令檢測系統(tǒng)是否正常工作。

發(fā)送命令：OBSAMPLE TAIR（回車換行）

返回：＜18:13:42 T1:11.11 T2:11.11 T3:11.11 U:15MBTEMP:21.9 POWER:13.7＞

對照氣溫多傳感器融合標準控制器實時數(shù)據(jù)格式，即可初步判定故障，如表1所示。

表1 氣溫多傳感器融合標準控制器實時數(shù)據(jù)格式

若某一溫度傳感器輸出數(shù)據(jù)異常，則可更換具體傳感器解除故障；若3 支溫度傳感器均異常或缺測，但測試各溫度傳感器輸出端電氣特性均正常的話，則考慮氣溫多傳感器融合控制器故障。

2.1.3 濕度傳感器故障排查

參照氣溫傳感器發(fā)送命令進行故障排查的方式，進行濕度傳感器故障的初步排查，發(fā)送命令同讀取溫度值的命令一致，返回的數(shù)據(jù)中，U 字段即為濕度數(shù)據(jù)，對照表1 第5 行格式說明，即可對濕度傳感器進行故障初步判定。若需進一步確定是否為濕度傳感器故障，則當測得的數(shù)據(jù)異?；蚺c當時環(huán)境明顯不符時（此步驟需建立在明確當前環(huán)境準確相對濕度的前提下才可判斷和討論），首先觀察濕度傳感器外觀，觀察其外觀是否變形，過濾網(wǎng)是否堆積了灰塵。其次，進行供電與傳感器電性能檢查。濕度傳感器的工作電壓是直流電壓12 V，可以用萬用表測量其供電端電壓，若為12 V 則證明供電正常，否則供電故障[7]；濕度傳感器的電容特性經(jīng)外圍電路輸出的是電壓信號，輸出電壓為0~1 V 的單端電壓，測量輸出端電壓，若為0.45 V，則代表當前相對濕度為45%，對比當前環(huán)境準確相對濕度，即可知濕度傳感器是否出現(xiàn)故障[8]。

2.1.4 氣溫多傳感器融合控制器故障排查

融合控制器面板上的狀態(tài)指示燈可以顯示設(shè)備工作狀態(tài)，氣溫多傳感器融合控制器如圖4 所示。3個狀態(tài)指示燈中，SYS 代表系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，紅色秒閃表示正常；CAN-R 指示燈代表數(shù)據(jù)接收，CAN-T指示燈代表數(shù)據(jù)發(fā)送，這兩個指示燈在通信時閃爍，常亮即為異常狀態(tài)。

圖4 氣溫多傳感器融合控制器示意圖

如果信號線纜正常、溫度傳感器正常，則可根據(jù)氣溫多傳感器融合控制器輸出情況判斷故障可能的原因。結(jié)合氣溫多傳感器融合控制器電路板，如圖5所示，如果融合控制器氣溫I、氣溫II、氣溫III 某一路無輸出，可初步判斷模擬開關(guān)故障；如果氣溫I、氣溫II、氣溫III 有輸出，但輸出值較實際氣溫誤差較大，則可能是標準電阻故障；如果氣溫I、氣溫II、氣溫III 均無輸出，可能是A/D 轉(zhuǎn)換器故障。A/D 轉(zhuǎn)換器負責模擬量的接入和采集，在本系統(tǒng)中可測量溫度傳感器電阻模擬量，多通道16 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片在MCU 控制下按照程序要求進行輸入信號切換、A/D自校準、量程轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作。

圖5 氣溫多傳感器融合控制器電路板

2.2 日常維護

雖然氣溫多傳感器融合系統(tǒng)建設(shè)有效解決了單一溫度傳感器數(shù)據(jù)缺失的問題，但認真維護好氣象觀測儀器和設(shè)備、保障氣象儀器設(shè)備正常運行是保證數(shù)據(jù)完整、連續(xù)的基礎(chǔ)性工作。氣溫多傳感器融合系統(tǒng)日常維護內(nèi)容和方法主要有：氣溫、濕度傳感器在使用過程中感應部件頭部會落有灰塵，應定期用干布或毛刷清潔傳感器，保持其清潔干燥，避免用手或者不干凈的抹布擦拭；維護時，注意避開正點數(shù)據(jù)采集[9]；切勿強烈碰撞感應部位，以免內(nèi)部鉑電阻被打碎而造成永久性損壞[10]；定期檢查傳感器和線纜連接處是否松動；定期檢查融合控制器工作狀態(tài)；定期維護氣溫、濕度傳感器，當設(shè)備故障時，應及時進行維護或維修；百葉箱要干凈，定期清潔，不能有與觀測無關(guān)的物品，百葉箱門打開時間不宜過長，身體部位盡量遠離感應部分以免影響觀測數(shù)據(jù)的準確性。

3 結(jié)語

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和氣象現(xiàn)代化建設(shè)的深入推進，綜合氣象觀測技術(shù)的發(fā)展也越來越迅速，觀測能力進一步提高，為防災、減災提供了更加豐富的氣象觀測資料，在中小尺度監(jiān)測、預報預警和防汛抗旱中發(fā)揮了重要作用。因此，盡可能保證觀測數(shù)據(jù)的完整、準確尤為重要。內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，基層氣象臺站氣象探測設(shè)備專職保障員偏少，綜合觀測人員承擔著運行維護管理工作，對氣溫多傳感器融合系統(tǒng)的原理、故障排除及日常維護進行介紹能夠進一步加深和提高觀測員對觀測設(shè)備的了解，幫助其在發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時能及時分析異常原因，找出故障所在，及時排除故障，確保觀測數(shù)據(jù)的準確可靠。