智能温度测量仪及其实时数据质量控制方法

技术领域

本发明涉及温度测量领域，特别是涉及一种智能温度测量仪及其实时数据质量控制方法。

背景技术

目前，气象、水文、海洋等行业观测业务中均是使用单一的铂电阻温度传感器测量气温，而使用单一的铂电阻温度传感器测量温度主要存在以下问题：

(1)传感器一旦出现故障、遭遇雷击或者受到环境影响等情况就会造成观测数据缺失，从而影响数据的完整性。而如果用备份站数据代替，则会因两种不同系统不同型号仪器观测的数据在代替时会存在序列不均一的问题，而影响数据的连续性。而且用备份站的数据代替时，需要人工把代替的数据录入业务软件，增加了观测人员的工作量，进而会影响全面实现观测自动化工作的进程。

(2)当因信号干扰或者维护不当等因素造成数据异常时，自动质量控制未能检查疑误信息时，将会影响数据的质量。

(3)当极端天气事件(如雷暴、强降水、冰雹等)发生时，由于其影响地理范围小，持续时间短，数据之间的变化幅度大，变率超过质控规则或超过极值时，容易被自动质控为“疑误”记录，业务软件可能把这种关键、重要且正确的“异常”值剔除了。

(4)单个传感器使用过程的数据偏移导致的系统性误差，在实际业务中很难发现。目前主要是采用人工经验方法综合判断，且一旦发现，已经滞后很长时间，严重影响数据的准确性。

针对单个传感器在业务中出现的以上问题，本发明提供了种智能温度测量仪及其实时数据质量控制方法，可同时采集数支温度传感器的分钟温度值，并采用融合算法，输出更接近“真值”的分钟温度报告值，整体的提高观测数据质量，减轻了观测人员的观测及维护的工作量。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有工程项目中的问题。以期能提供一种实时数据质量控制方法，其是利用三个铂电阻温度传感器构成的铂电阻温度传感器组，根据《自动气象站铂电阻温度传感器检定规程》所规定的最大允许误差，结合数学思想获得实时数据质量控制方法，并将实时数据质量控制后的数据和三个原始数据，一同输出，构成具有实时数据质量控制功能的智能温度测量仪。

为达上述目的，本发明提供一种智能温度测量仪及其应用的实时数据质量控制方法，具体方案如下：

所述的智能温度测量仪，主要包括铂电阻温度传感器组、数据传输线、数据采集器。其中的铂电阻温度传感器组包括数只(例如三只)铂电阻温度传感器，封装管(柱状)，数据传输线，通过数据传输线与数据采集器连接。

进一步地所述的数据采集器，可包括微处理器、信号调理与采集、存储单元、监控电路、供电单元、实时时钟、232/485/422接口、CAN总线接口。

所述的智能温度测量仪的进一步设计在于，铂电阻温度传感器组的铂电阻数据线采用四线制接线方式，所述数据传输线为三根，分别为第一数据传输线、第二数据传输线以及第三数据传输线，通过数据线与数据采集器连接。

所述的智能温度测量仪及实时数据质量控制方法，其主要包括：1、数据采样方法，其规定了瞬时平均值计算方法；2、实时数据质量控制方法。

其中：

1、数据采样方法

所述的数据采样方法中，采样序列应能足够代表温度要素的变化，鉴于采样频率为30次/分钟，瞬时平均值计算方法是1分钟平均值，对1分钟内“正确”采样值计算分钟算术平均。

所述数据采样法的瞬时平均值计算方法如下，

式中：

——观测时段内气象变量的平均值；

y

N——观测时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定；

m——观测时段内“正确”的样本数(m≤N)。

2、实时数据质量控制方法

所述的实时数据质量控制方法是对瞬时温度要素值的数据质量进行实时控制；根据《新型自动气象(气候)站功能需求书(修订版)》所规定的最大允许误差，为实时数据质量控制判断瞬时温度要素值数据的正确、可疑、错误的依据。

所述的实时数据质量控制方法，根据《新型自动气象(气候)站功能需求书(修订版)》所规定的最大允许误差为δ；设铂电阻温度传感器组由温度传感器I、温度传感器II、温度传感器III组成，在气温测量时最大允许误差δ＝±0.2℃，在地温测量时最大允许误差δ＝±0.5℃，铂电阻温度传感器组的三支温度传感器的1min平均温度(即瞬时值)分别为T1，T2，T3，实时数据质量控制温度瞬时值为

本发明智能温度测量仪及实时数据质量控制方法，其中所述的实时数据质量控制方法获得温度瞬时值为

对3支温度传感器所测得的瞬时温度值相互比较，根据两两偏差确定取值；

第一步：两两偏差计算，

δ12＝|T1–T2|

δ23＝|T2–T3| (2)

δ31＝|T3–T1|

第二步：δ12，δ23，δ31分别与最大允许误差为δ比较，均小于δ；如果δ12，δ23，δ31任意一项缺失，则按缺失项在允许范围之外处理；

第三步：实时数据质量控制方法获得温度瞬时值为

如果δi j均在允许范围之内，取

如果δi j有2个在允许范围之内，取

如果仅有1个δi j在允许范围之内，取形成该δi j的两支温度值的平均值作为标准值结果；

如果所有δi j都不在允许范围之内，标准值结果标识为缺测；

根据温度融合过程及结果，标准值数据的状态按照表1标识；

单只温度传感器的观测值与标准值的偏差超过阈值，其状态标识为“偏高”或“偏低”；

输出挂接的温度传感器所测得的瞬时温度值和标准值，其中标准值作为数据源测量结果输出值；

本发明所述的实时数据质量控制方法，铂电阻温度传感器组三个温度值的实时数据质量控制规则可参见表1。

与现有技术相比，本发明智能温度测量仪及实时数据质量控制方法至少具有以下有益效果：

本发明智能温度测量仪及实时数据质量控制方法，同时采集三支温度传感器的分钟温度值，并采用融合算法，输出更接近“真值”的分钟温度报告值，从而有效地解决单一传感器数据缺失的问题，以保障观测数据的完整性、连续性；能较好的剔除观测异常值；增加极端天气事件超过极值及变率质控规则提示“疑误”数据的可信度；增加对单一传感器数据漂移的检查，从而整体提高观测数据质量，减轻观测人员的观测及维护的工作量。

当某个传感器故障、雷击或者环境影响等原因造成观测数据缺失时，可使用其他两个传感器观测的数据进行数据融合分析，代替缺失值，保证观测数据的完整性、连续性；在信号干扰或者维护不当等情况造成某支传感器数据异常时，利用其他两个传感器的数据融合分析，剔除该类异常数据；在强对流剧烈变化的天气过程中，数据超极值或数据之间的变化幅度超过变率质控规则，自动质控提示“疑误”时，可以通过三支传感器输出的数据相互比对融合分析，增加对这类“疑误”正确数据的可信度；对单个传感器使用过程的数据偏移系统性误差，可以通过数据融合记录分析，及时发现传感器使用过程中的性能变化，便于及时维护或更换仪器，保证数据的准确性。本发明可利用铂电阻温度传感器组的特殊结构，根据《自动气象站铂电阻温度传感器检定规程》《新型自动气象(气候)站功能需求书(修订版)》所规定的最大允许误差，结合数学思想获得实时数据质量控制，并将实时数据质量控制后的数据和三个原始数据，一同输出。

下面结合附图对本发明智能温度测量仪及实时数据质量控制方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明智能温度测量仪的结构示意图；

图2为铂电阻温度传感器组结构示意图；

图3为本发明智能温度测量仪的数据采集器结构框图；

图4为本发明实时数据质量控制方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明智能温度测量仪的结构示意图。本发明的一种智能温度测量仪，主要包括铂电阻温度传感器组1、数据传输线2、数据采集器3。其中所述的铂电阻温度传感器组1包含至少2个铂电阻温度传感器，其型号可以根据观测需要选择Pt100或Pt1000，在本具体实施例中是包含了3个铂电阻温度传感器，所述铂电阻温度传感器组1是通过三根数据传输线2与数据采集器3连接；本发明智能温度测量仪根据本发明的实时数据质量控制方法完成温度感应值的数据采集及实时数据的质量控制，构成温度感应值的数据采集系统。

如图2所示，为铂电阻温度传感器组结构示意图。所述的铂电阻温度传感器组1包括温度感应片1-1，三只铂电阻温度传感器1-2，数据传输线1-3，柱状封装管1-6，所述的铂电阻温度传感器组1，温度感应片1-1与柱状封装管1-6紧密配合成为一体，三只铂电阻温度传感器1-2与数据传输线2焊接相连，装入柱状封装管1-6，温度感应片1-1与三只铂电阻温度传感器1-2间灌注导热胶1-3确保紧密接触，封装管出线口采用环氧树脂1-5密封防水、防尘、防潮，数据传输线2与采集器连接。

请参见图3，为本发明智能温度测量仪的数据采集器结构框图。所述数据采集器3包括微处理器3-1、信号调理与采集3-2、存储单元3-3、监控电路3-4、供电单元3-5、实时时钟3-6、232/485/422接口3-7、CAN总线接口3-8。工作时，铂电阻温度传感器组1经过数据传输线2，将感应的温度电信号接入信号调理与采集3-2，微处理器3-1按照实时数据质量控制方法规则编制的程序控制下完成数据的采集、处理、传输。存储单元3-3用于满足2天采样数据和10天分钟观测要素及状态要素存储要求，监控电路3-4用于实现对测量仪内部电路温度、工作电压、工作电流和设备工作状态的监测，实时时钟3-6，时钟误差不超过30s/月，232/485/422接口3-7和CAN总线接口3-8是为数据输出接口，通过CAN总线可以挂接多个智能温度测量仪和主采集器，可扩展连接Zigbee、4G、GPRS、北斗卫星等通信模块，实现数据传输和组网观测。

本发明用于智能温度测量仪的实时数据质量控制方法包括：数据采样及实时数据质量控制方法。

在所述的数据采样方法中，采样序列应能足够代表温度要素的变化，鉴于气温变化缓慢，而气象行业以时间区间为统计平均值，1分钟平均值是统计输出的最小时间区间，通常是根据1分钟平均值计算小时内极值。因此本实施例中采样频率为30次/分钟，瞬时平均值计算方法是1分钟平均值，对1分钟内“正确”采样值计算分钟算术平均。

具体请参见图4，其是本发明的实时数据质量控制方法的流程图。本实施例是3支铂电阻温度传感器所测得的瞬时气象值，现以温度传感器I为例说明如下：

数据采样法为：

式中：

——观测时段内1分钟温度变量的平均值；

y

N——观测时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定；

m——观测时段内“正确”的样本数(m≤N)；

铂电阻传感器组可以获得T1，T2，T3，三组数据，作为原始数据输出。

两两偏差计算的计算：

所述的实时数据质量控制方法获得温度瞬时值为

第一步：两两偏差计算。

δ12＝|T1–T2|

δ23＝|T2–T3| (2)

δ31＝|T3–T1|

第二步：定义两两偏差允许范围，δ12，δ23，δ31分别与最大允许误差为δ比较，均小于δ。

第三步：实时数据质量控制方法获得温度瞬时值为

判断计算结果是否在两两偏差允许范围内

是：

1)如果δ

3支温度传感器两两之间的差值δi j均在允许范围之内，取T1，T2，T3的平均值作为标准值结果，输出T1、T2、T3和标准值，标准值作为数据源测量结果输出值；

2)如果δ

有2个δi j在允许范围之内，取T1，T2，T3的平均值作为标准值结果，输出T1、T2、T3和标准值，标准值作为数据源测量结果输出值；

3)如果仅有1个δ

否：如果所有δ

根据上述逻辑，输出相应标准控制码；

根据温度融合过程及结果，标准值数据的状态按照表1标识。

单只温度传感器的观测值与标准值的偏差超过阈值，其状态标识为“偏高”或“偏低”。

输出挂接的温度传感器所测得的瞬时温度值和标准值，其中标准值作为数据源测量结果输出值。

所述的实时数据质量控制方法，铂电阻温度传感器组三个温度值的实时数据质量控制规则如表1。

表1温度标准控制码表

以下为实施例的实测数值：

10:01-12:00分钟数据格式如下，其中T1为1号传感器温度值，T2为2号传感器温度值，T3为3号传感器温度值，

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。