CN214750888U - 一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，包括：若干标准电阻，若干模拟开关芯片，若干接线端子，主控制器，采集器；各标准电阻的A端分别与模拟开关芯片U300、U301的B0‑B7端口对应连接，其B端分别与模拟开关芯片U302、U303的B0‑B7端口对应连接；各模拟开关芯片的输入端与主控制器的IO端口对应连接，模拟开关芯片U300、U301、U302、U303的公共端与接线端子E、H、L、C对应连接，接线端子E、H、L、C与采集器的I+、U+、U‑、I‑端口对应连接。本实用新型利用高性能模拟开关芯片代替继电器开关，降低了回路功耗并提高了系统稳定性，并采用精度高且温漂低的标准电阻，从而减小了自动气象站数据采集器的通道误差。

Description

一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道

技术领域

本实用新型属于气象探测领域，具体涉及一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道。

背景技术

自动气象站可以自动探测多个气象要素并能进行数据资料的传输，其结构基本相同，一般由各种传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置和电源等组成，可用于监测风速、风向、温湿度、降雨量、总辐射、大气压力、土壤温湿度等多种要素，已广泛应用于农业、水文、林业、城市环境监测及海洋环境等领域。但自动气象站大多运行在各种恶劣的野外环境中，长时间的运行会导致气象传感器在采集气象数据时存在使用误差，同时采集设备的系统误差也不可忽视。数据采集器是自动气象站的核心，其通道误差是自动气象站观测系统误差的主要来源。由于我国缺少稳定可靠的信号模拟器，现有大量数据采集器模拟通道的校准结果误差偏大，甚至已经超过了传感器的允许误差。

我国的自动气象站气象监测中，温度和地温的测量以铂电阻传感器为主。金属铂电阻的阻值会随着温度的升高而增加，其阻值与温度呈线性关系。但当铂电阻与测量电路之间用较长的导线连接时，引线电阻不可避免的会带来温度测量误差，为此温度传感器常使用引线四线制，虽增加了引线数，但可保证电路不受接线电阻的影响。

目前，自动气象站采集器温度检测通道检定装置结合了电阻电路与四线制电阻测量电路。关于检定自动气象站采集器温度通道的方法，中国专利CN201120208292.X（一种自动气象站采集器温度测量通道检定装置）在采集器与四线制电阻间接入了选通继电器，由控制器控制采集器和电阻测量电路接入继电器的通断。中国专利CN201721613288.5（一种自动气象站信号模拟器的温度通道）提出通过双刀信号继电器切换四线制的四根导线的通断以提高采集精度，但其切换导线使用的双刀信号继电器结构复杂、功耗大，且继电器控制系统使用了大量的机械触点，每次切换控制电阻电路时都会存在噪声，其可靠性、维护性较差。

发明内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，其技术方案如下：

一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，包括：标准电阻R0、标准电阻R1、标准电阻R2、标准电阻R3、标准电阻R4、标准电阻R5、标准电阻R6、标准电阻R7，模拟开关芯片U300、模拟开关芯片U301、模拟开关芯片U302、模拟开关芯片U303，接线端子E、接线端子H、接线端子L、接线端子C，主控制器MCU和采集器；各模拟开关芯片采用复用/解复用器高带宽模拟开关TS5N118；每个标准电阻都具有一个A端和一个B端，各标准电阻的A端分别与模拟开关芯片U300的B0-B7端口和模拟开关芯片U301的B0-B7端口对应连接，各标准电阻的B端分别与模拟开关芯片U302的B0-B7端口和模拟开关芯片U303的B0-B7端口对应连接；各模拟开关芯片的输入端与主控制器MCU的IO端口连接，模拟开关芯片U300的公共端与接线端子E连接，模拟开关芯片U301的公共端与接线端子H连接，模拟开关芯片U302的公共端与接线端子L连接，模拟开关芯片U303的公共端与接线端子C连接；所述接线端子E与采集器的I+端口连接，接线端子H与采集器的U+端口连接，接线端子L与采集器的U-端口连接，接线端子C与采集器的I-端口连接；所述采集器的I+与I-端口用于采集电流信号，U+与U-端口用于采集电压信号。

进一步地，所述模拟开关芯片U302的Vcc端连接有滤波电路，模拟开关芯片U303的Vcc端连接有滤波电路。

进一步地，所述滤波电路包括两个并联的电容。

进一步地，所述标准电阻R0、标准电阻R1、标准电阻R2、标准电阻R3、标准电阻R4、标准电阻R5、标准电阻R6、标准电阻R7的阻值分别为80.31Ω、88.22Ω、96.09Ω、100Ω、103.9Ω、111.67Ω、119.4Ω、130.9Ω，其对应的温度分别为-50℃、-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃、50℃、80℃。

进一步地，所述标准电阻R0、标准电阻R1、标准电阻R2、标准电阻R3、标准电阻R4、标准电阻R5、标准电阻R6、标准电阻R7的精度为±0.01%，温漂为±1ppm。

进一步地，所述采集器为DT50系列采集器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用一种接地电阻极小且响应快的高带宽FET母线开关TS5N118，而不是功耗大、有噪声的继电器开关来控制电阻的选择，大大降低了回路的功耗；此外，本实用新型采用的电阻为高精度且温漂低的标准电阻，能消除继电器接地电阻的影响，使数据采集电阻误差小，进而提高了温度通道的检定精度。

附图说明

图1为模拟器温度通道的原理图。

图2为本实用新型实施例的方案原理图。

图3为本实用新型实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型。

图1中虚线部分为模拟器内部电路，若要输出某个温度对应的电阻值R1时，双刀信号继电器K1和K1’的双刀闭合，使R1接入四线制电路中，此时R1的阻值即为采集电阻的阻值。虽然继电器接地电阻未影响采集器电阻，但是在双刀信号继电器关闭时会产生噪声，且功耗大，不符合实际投入使用时功耗小的要求，且双刀信号继电器在实际使用时的稳定性以及可靠性也不高。

本实用新型使用高精度、低温漂的标准电阻模拟温度，并且在电阻电路与四线制电阻之间加入一种高带宽FET母线开关以控制电阻电路的通断。所用开关芯片为德州仪器公司生产的高性能TS5N118复用器/解复用器高带宽模拟开关，TS5N118芯片为一个八选一的多路复用器/解多路复用器，其接触电阻极小、响应快且功耗低，接入模拟开关芯片后数据采集器通道的检定只需比较数据采集器的测量电阻与标准电阻的阻值即可完成。既可以避免继电器接入后接地电阻的影响，又能提高测量电路的精度与稳定性。

本实用新型改进之后的原理图如图2所示。标准电阻R0-R7采用高精度、低温漂电阻，其精度为±0.01%，温漂为±1ppm。各标准电阻的阻值分别为80.31Ω、88.22Ω、96.09Ω、100Ω、103.9Ω、111.67Ω、119.4Ω、130.9Ω，其对应的温度分别为-50℃、-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃、50℃以及80℃。当模拟器温度通道需要输出温度为-50℃对应的电阻R0时，主控制器MCU分别控制模拟开关U300、U302的三个地址信号端，使其皆为低电平，模拟开关U300、U302的公共端皆连接到其B0端口，使R1接入到四线制电阻中，采集器的测量电阻值即为R0。本实施例中的采集器为DT50系列采集器，其I+与I-端口用于采集电流信号，U+与U-端口用于采集电压信号。

现以输出-50℃对应的80.31Ω电阻为例，说明具体实现电路。如图3所示，R300为阻值80.31Ω、其对应温度值为-50℃的高精度、低温漂电阻。U300和U302皆为高性能高带宽FET母线开关。接线端子E和采集器的I+端口连接作为采集器的电流激励输入端，接线端子H和采集器的U+端口连接作为采集器的差分电压高电平测量端，接线端子L和采集器的U-端口连接作为采集器的差分电压低电平测量端，接线端子C和采集器的I-端口连接作为采集器的电流激励输出端。模拟开关芯片U300和U302的地址信号端（输入端）S0、S1、S2连接主控制器的IO端口，用来接收主控制器的控制信号以选择模拟开关输出端口。TS5N118是一个八分之一的多路复用器/多路解复用器，当其OE端口为高电平时，多路复用器/多路解复用器被禁用，开关断开。当IO端口皆为低电平时，开启多路复用器/多路解复用器，模拟开关芯片U300的A端口（公共端）和B0端口连接，模拟开关芯片U301的A端口（公共端）也与其B0端口连接，允许端口之间的数据双向流动。此时采集器的端口I+、端口U+都与标准电阻R300的A端口相连。同理，模拟开关芯片U302、U303的A端口（公共端）也分别与其B0端口相连。此时采集器的端口U-、端口I-都与标准电阻R300的B端相连。采集器的标准电阻R300被接入电路。采集器的激励电流由接线端子E流入模拟器的温度通道，经过标准电阻R300后由接线端子C流回采集器。接线端子H和接线端子L的之间的电压差即为电阻R300之间的电压差。最终，将计算出的电阻值与标准电阻的阻值进行比对即可检定温度通道的采集精度。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，其特征在于，包括：标准电阻R0、标准电阻R1、标准电阻R2、标准电阻R3、标准电阻R4、标准电阻R5、标准电阻R6、标准电阻R7，模拟开关芯片U300、模拟开关芯片U301、模拟开关芯片U302、模拟开关芯片U303，接线端子E、接线端子H、接线端子L、接线端子C，主控制器MCU和采集器；各模拟开关芯片采用复用/解复用器高带宽模拟开关TS5N118；每个标准电阻都具有一个A端和一个B端，各标准电阻的A端分别与模拟开关芯片U300的B0-B7端口和模拟开关芯片U301的B0-B7端口对应连接，各标准电阻的B端分别与模拟开关芯片U302的B0-B7端口和模拟开关芯片U303的B0-B7端口对应连接；各模拟开关芯片的输入端与主控制器MCU的IO端口连接，模拟开关芯片U300的公共端与接线端子E连接，模拟开关芯片U301的公共端与接线端子H连接，模拟开关芯片U302的公共端与接线端子L连接，模拟开关芯片U303的公共端与接线端子C连接；所述接线端子E与采集器的I+端口连接，接线端子H与采集器的U+端口连接，接线端子L与采集器的U-端口连接，接线端子C与采集器的I-端口连接；所述采集器的I+与I-端口用于采集电流信号， U+与U-端口用于采集电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，其特征在于，所述模拟开关芯片U302的Vcc端连接有滤波电路，模拟开关芯片U303的Vcc端连接有滤波电路。

3.根据权利要求2所述的一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，其特征在于，所述滤波电路包括两个并联的电容。

4.根据权利要求1所述的一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，其特征在于，所述标准电阻R0、标准电阻R1、标准电阻R2、标准电阻R3、标准电阻R4、标准电阻R5、标准电阻R6、标准电阻R7的阻值分别为80.31Ω、88.22Ω、96.09Ω、100Ω、103.9Ω、111.67Ω、119.4Ω、130.9Ω，其对应的温度分别为-50℃、-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃、50℃、80℃。

5.根据权利要求4所述的一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，其特征在于，所述标准电阻R0、标准电阻R1、标准电阻R2、标准电阻R3、标准电阻R4、标准电阻R5、标准电阻R6、标准电阻R7的精度为±0.01%，温漂为±1ppm。

6.根据权利要求1所述的一种低功耗自动气象站信号模拟器的温度通道，其特征在于，所述采集器为DT50系列采集器。

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