气温多传感器融合系统工作原理与故障排查及日常维护

闫 平

（内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

地面气象观测是气象观测中开始最早、发展最普遍的一类，是整个气象业务的基础。气象观测数据是天气预报的基础，包括温度、湿度、气压、风向、风速、降水、日照、蒸发等，这些数据每分钟都在被监测并记录。气象要素的监测对社会经济发展、人们日常生产生活具有重要意义，应用先进、智能的技术手段对气象要素及其变化过程进行连续的观察和测定，及时、准确地采集、传输、存储相关原始数据并进行整合分析，对气象部门准确预测可能性气象灾害、及时发布预警预报信息、有效应对复杂天气意义重大。随着气象观测现代化建设和改革的不断推进，地面气象观测进入全面自动化时代。自动气象站的建成和应用，使得气象数据采集和处理更加高效、便捷，在降低基层台站观测员工作量的同时，进一步提高了观测的精确性、时效性。然而在实际工作中，地面气象观测数据缺失和观测数据异常的问题偶有发生，数据的连续性、完整性无法保证。2019年，内蒙古气象部门开展了山洪地质灾害防治气象保障工程建设任务——多传感器温度雨量融合系统建设。其中，气温多传感器融合系统的建设有效解决了单一传感器数据缺失的问题，较好地剔除了观测异常值，增加了对单一传感器数据漂移的检查，从而整体提高了观测数据质量，减少了观测人员观测及维护的工作量。

1 气温多传感器融合系统结构与原理

1.1 系统结构

气温多传感器融合系统主要包括3 支气温传感器、1 支湿度传感器、气温融合控制器、通信接口和外围设备等。气温多传感器融合系统硬件结构示意图，如图1所示。

图1 气温多传感器融合系统硬件结构示意图

温度测量传感器采用Pt100 铂电阻温度传感器，并采用ITS-90 温标。气温传感器安装在百叶箱内的专用支架上，支架均匀分布有8 个孔，固定于百叶箱箱底中部，3 支气温传感器分别安装在支架的正东、正北、正南方向。其中，正东为气温传感器I，正北为气温传感器II，正南为气温传感器III。湿度传感器安装在支架的正西方向，气温传感器感应部分垂直向下，固定在支架东侧相应位置上，感应元件的中心部分距地高度1.5 m[1]。

气温多传感器融合控制器能实现多支气温传感器的融合算法，其输入端连接传感器的输出端，输出气温融合数据、观测数据和设备工作状态等，利用原温湿分采CAN 总线与主采集器连接，融合控制器面板上的状态指示灯可以显示设备工作状态，融合控制器安装在百叶箱外部箱体底部。

1.2 工作原理

电阻温度传感器测温原理如图2 所示，其电阻值随温度的变化而发生变化，且可以直接作为输出信号。铂电阻阻值范围为80 Ω~120 Ω，精度：0.05 ℃。铂电阻为100 Ω 时，温度为0 ℃；温度每升高1 ℃，电阻增大0.385 Ω，公式：Rt=100+0.385 T（Ω）。

Pt100 铂电阻测温采用四线制测温法，如图3 所示。测温公式：T=（R-100）/0.385。首先测量1 脚（或者2 脚）与3 脚（或者4 脚）之间的电阻值R1，然后测量1 脚与2 脚（或者3 脚与4 脚）之间的电阻值R2，再用R1减去R2求得铂电阻的电阻大小R，最后利用公式算得温度[2-3]。特别说明，铂电阻的线缆分为两组，即1、2 和3、4，组内没有明确的线序。

图2 电阻传感器工作原理

图3 四线制测温法

3 支气温传感器采集的气温观测数据进入气温采集融合控制模块后，通过融合算法和监控算法实现多传感器融合数据，采样频率为30 次/min。首先，对传感器按预定的采样频率进行扫描，并将获得的电信号转换成微控制器可读信号，得到气象变量测量值序列，对气象变量测量值进行转换，使传感器输出的电信号转换成气象单位量，得到采样瞬时值，再根据规定的算法，计算出气象变量瞬时值，实现数据质量检查。数据采集完成后，气温融合控制模块会对3 支气温传感器的采样值进行数据融合，形成气温融合数据。数据融合后采用CAN 总线方式接入自动气象站主采集器，实现与上位机的数据通信。气温融合算法通过气温多传感器融合控制器写入的融合算法实现，首先采集3 支气温传感器I、II、III 瞬时值（即各传感器1 min 内的平均值），分别记T1、T2、T3，将T1、T2、T3 两两比对，计算出每两只传感器间的气温偏差（Tij），即T12=|T1-T2|，T23=|T2-T3|，T31=|T3-T1|。接下来再定义气温偏差值的阈值范围，当T1、T2、T3均在-50 ℃~50 ℃范围内，则气温偏差值的阈值定义为0.2 ℃；当|Ti|或|Tj|大于50 ℃，则气温偏差值的阈值定义为0.4 ℃；如果|Ti|或|Tj|某一值缺测，则Tij记为缺测。当Tij 小于等于阈值范围，表示Tij 在允许范围之内；当Tij 大于阈值范围或缺测，则在允许范围之外。当Tij 有两个或两个以上在允许范围之内，算法取T1、T2、T3 中间值作为结果；如果Tij 仅有一个在允许范围内，则取Ti、Tj 两支温度传感器的平均值作为结果[1]。

气温多传感器标准控制器选取气温传感器I 的测量结果作为业务主用数据源，气温传感器II 和III 的测量结果作为热备份数据源，将3 个传感器的测量结果与标准值进行对比，如超出阈值±0.3 ℃，输出相应状态码，观测业务软件自动报警，并提示需要检查异常气温传感器。当现用气温传感器异常，标准控制器可自动切换至下一个状态正常的热备份气温数据源，切换顺序为气温传感器I、II、III、I，依次切换。根据气温数据源形成气温传输值序列，若标准值缺测或3支温度传感器均超出阈值，则传输值记为缺测，并输出相应状态码。

湿度传感器测湿元件的介电常数会随着环境的相对湿度变化而变化，主要是利用其上下电极之间的感湿膜吸附空气中的水分使其电容量发生相应变化，当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大；当相对湿度减小时，湿敏电容量随之减小。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压变化量，对应于相对湿度0~100% RH的变化，传感器的输出呈0~1 V的线性变化[4-5]。本系统采用的电容传感器为HUMICAP180，测量范围为0~100% RH，分辨率为1% RH，输出电压范围为0~1 V，对应湿度为0~100%。

2 气温多传感器融合系统常见故障排查与日常维护

2.1 故障排查

根据气温多传感器融合系统结构，按照信号流向分区间进行测试和故障排查，主要从线缆故障、温度传感器故障、湿度传感器故障、气温多传感器融合控制器故障4个方面进行故障排查。

2.1.1 线缆故障排查

一是利用线内短路检测，具体方式是断开线路两端，使用通断档测试内芯两两间通断。二是利用线内断路检测，具体方式是通过短路法，将线缆一端两两短接，另一端用万用表通断档测量，可选屏蔽线作为基准线芯[6]；也可用电参数法，断开线路一端，根据四线制测温法，测取另一端的电阻特性来进行线缆测试和故障排查。

通过定性与定量相结合的分析，综合AHP法、熵值法、最小二乘法进行权重组合优化，建立ELV充电站选址评价模型。

2.1.2 气温传感器故障排查

线缆正常的情况下，可以采用四线制测温法分别测取每个温度传感器是否正常，也可以通过测试命令检测系统是否正常工作。

发送命令：OBSAMPLE TAIR（回车换行）

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

对照气温多传感器融合标准控制器实时数据格式，即可初步判定故障，如表1所示。

表1 气温多传感器融合标准控制器实时数据格式

若某一温度传感器输出数据异常，则可更换具体传感器解除故障；若3 支温度传感器均异常或缺测，但测试各温度传感器输出端电气特性均正常的话，则考虑气温多传感器融合控制器故障。

2.1.3 湿度传感器故障排查

参照气温传感器发送命令进行故障排查的方式，进行湿度传感器故障的初步排查，发送命令同读取温度值的命令一致，返回的数据中，U 字段即为湿度数据，对照表1 第5 行格式说明，即可对湿度传感器进行故障初步判定。若需进一步确定是否为湿度传感器故障，则当测得的数据异常或与当时环境明显不符时（此步骤需建立在明确当前环境准确相对湿度的前提下才可判断和讨论），首先观察湿度传感器外观，观察其外观是否变形，过滤网是否堆积了灰尘。其次，进行供电与传感器电性能检查。湿度传感器的工作电压是直流电压12 V，可以用万用表测量其供电端电压，若为12 V 则证明供电正常，否则供电故障[7]；湿度传感器的电容特性经外围电路输出的是电压信号，输出电压为0~1 V 的单端电压，测量输出端电压，若为0.45 V，则代表当前相对湿度为45%，对比当前环境准确相对湿度，即可知湿度传感器是否出现故障[8]。

2.1.4 气温多传感器融合控制器故障排查

融合控制器面板上的状态指示灯可以显示设备工作状态，气温多传感器融合控制器如图4 所示。3个状态指示灯中，SYS 代表系统状态指示灯，红色秒闪表示正常；CAN-R 指示灯代表数据接收，CAN-T指示灯代表数据发送，这两个指示灯在通信时闪烁，常亮即为异常状态。

图4 气温多传感器融合控制器示意图

如果信号线缆正常、温度传感器正常，则可根据气温多传感器融合控制器输出情况判断故障可能的原因。结合气温多传感器融合控制器电路板，如图5所示，如果融合控制器气温I、气温II、气温III 某一路无输出，可初步判断模拟开关故障；如果气温I、气温II、气温III 有输出，但输出值较实际气温误差较大，则可能是标准电阻故障；如果气温I、气温II、气温III 均无输出，可能是A/D 转换器故障。A/D 转换器负责模拟量的接入和采集，在本系统中可测量温度传感器电阻模拟量，多通道16 位A/D 转换芯片在MCU 控制下按照程序要求进行输入信号切换、A/D自校准、量程转换、模数转换等操作。

图5 气温多传感器融合控制器电路板

2.2 日常维护

虽然气温多传感器融合系统建设有效解决了单一温度传感器数据缺失的问题，但认真维护好气象观测仪器和设备、保障气象仪器设备正常运行是保证数据完整、连续的基础性工作。气温多传感器融合系统日常维护内容和方法主要有：气温、湿度传感器在使用过程中感应部件头部会落有灰尘，应定期用干布或毛刷清洁传感器，保持其清洁干燥，避免用手或者不干净的抹布擦拭；维护时，注意避开正点数据采集[9]；切勿强烈碰撞感应部位，以免内部铂电阻被打碎而造成永久性损坏[10]；定期检查传感器和线缆连接处是否松动；定期检查融合控制器工作状态；定期维护气温、湿度传感器，当设备故障时，应及时进行维护或维修；百叶箱要干净，定期清洁，不能有与观测无关的物品，百叶箱门打开时间不宜过长，身体部位尽量远离感应部分以免影响观测数据的准确性。

3 结语

随着我国社会经济的不断发展和气象现代化建设的深入推进，综合气象观测技术的发展也越来越迅速，观测能力进一步提高，为防灾、减灾提供了更加丰富的气象观测资料，在中小尺度监测、预报预警和防汛抗旱中发挥了重要作用。因此，尽可能保证观测数据的完整、准确尤为重要。内蒙古自治区地域辽阔，基层气象台站气象探测设备专职保障员偏少，综合观测人员承担着运行维护管理工作，对气温多传感器融合系统的原理、故障排除及日常维护进行介绍能够进一步加深和提高观测员对观测设备的了解，帮助其在发现异常数据时能及时分析异常原因，找出故障所在，及时排除故障，确保观测数据的准确可靠。