Погрешности датчика температуры

· Инерционная ( D t _ин ) – это отставание показаний датчика от температуры окружающей среды.

       (25)

где t_в – это температура воздуха;

t_д – это температура, измеренная датчиком.

Инерционная погрешность зависит от свойств датчика, т.е. от его коэффициента инерции (α),  от изменения температуры в атмосфере, т.е. от вертикального температурного градиента (γ=Dt/DH, °С/100м), от вертикальной скорости радиозонда (W=DH/Dt, м/мин).

Коэффициент инерции датчика (α) зависит от массы датчика (m), от площади поверхности (S), от теплоемкости датчика (С) и от его теплопроводности (h), т.е. от вентиляции датчика.

           (26)

Коэффициент инерции датчика (α) – это время, в течение которого датчик практически воспринимает температуру окружающей среды, т.е. время, за которое первоначальная разность температур (t_в- t_д) уменьшится в е раз (е » 2,7 – основание натурального логарифма), т.е. примерно в 3 раза.

Для уменьшения инерционной погрешности датчик должен иметь маленький коэффициент инерции (α), т.е. малую массу (m), большую площадь поверхности (S), малую теплоемкость (c) и большую теплопроводность (h), а также небольшую скорость подъема радиозонда (W). (Скорость подъема радиозонда примерно 300-400 м/мин).

· Радиационная погрешность возникает из-за нагрева датчика температуры солнечной радиацией. При этом датчик завышает температуру окружающей среды и появляется радиационная погрешность (Dt_рад). Радиационная погрешность зависит от падающей на датчик радиации, т.е. от высоты Солнца (h_*), от отражательной способности датчика – альбедо (А) и от высоты, на которой находится радиозонд (H_р/з). 

          (27)

Радиационная погрешность увеличивается при увеличении высоты Солнца и высоты подъема радиозонда и при уменьшении отражательной способности датчика. Для увеличения отражательной способности датчика и для уменьшения его радиационной погрешности датчик окрашивают в белый цвет. Радиационная погрешность систематическая, определяют радиационные поправки и вводят их в значения температуры воздуха со знаком минус. Радиационные поправки не вводятся  при ночном выпуске радиозонда. (Определение радиационных поправок изложено в пункте ??? данной работы).

· Из-за смачивания и обледенения

При прохождении радиозондом зоны облаков и осадков на датчике температуры воздуха могут появиться капли воды. При этом происходит занижение температуры воздуха, т.к. на испарение влаги затрачивается тепловая энергия. Наибольшая погрешность наблюдается при высокой температуре и малой относительной влажности воздуха (может достигать 3 ¸ 5 ° С). При температуре около 0°С она не превышает 1°С. Эта погрешность случайная.

Если капли воды на датчике замерзнут, то появляется погрешность, связанная с обледенением датчика. Когда смачивающая датчик вода замерзает, то освобождается скрытая теплота, повышающая температуру датчика. Обледенение датчика также приводит к повышению его инерции.

Датчик влажности – деформационно-реостатный, чувствительным элементом является животная пленка. Пленочная мембрана натягивается на металлическое кольцо, от середины пленки идет тяга к стрелке, перемещающейся по реостату. Животная пленка защищена козырьком от попадания осадков. Датчик влажности с помощью вилки подключается к радиоблоку и устанавливается на крышке радиозонда.  

Животная пленка гигроскопична, т.е. способна поглощать водяной пар, при этом изменяются ее масса, линейные размеры и объем. Т.о., при изменении влажности воздуха изменяется прогиб животной пленки, эта деформация передается с помощью тяги на стрелку, которая перемещается по реостату, и изменяется сопротивление датчика влажности. Т.о., относительная влажность воздуха (U,%) преобразуется в изменение сопротивления датчика (R_u). При изменении влажности от 15% до 98% сопротивление датчика изменяется от 15 кОм до 1,5 кОм. Функция преобразования датчика влажности (Ф.П. Д.В.):

(28)

R_u  - сопротивление датчика влажности, кОм

U – относительная влажность воздуха, %

K, % ; N,%/кОм;  M, %/кОм² – постоянные коэффициенты датчика влажности, которые определяются при градуировке датчика и заносятся в этикетку.

Зная константы датчика влажности К, N, М и сопротивление датчика R_u   можно определить влажность воздуха U, используя функцию обратную Ф.П. Д.В.:

(29)

В радиозондах МРЗ-3АК, МРЗ-3МК, И-2012 используется полупроводниковый емкостной датчик влажности HIH-4000-001 фирмы Honeywell.

Емкостные датчики влажности серии HIH-4000 построены на основе термореактивного полимера и отличаются высокой надежностью и диапазоном влажности от 0 до 100 %. Выходной сигнал датчика (напряжение) находится в линейной зависимости от измеряемой влажности.

Параметры датчика:

· Диапазон измерения влажности 0...100 %.

· Время отклика 15 с (коэффициент инерции).

· Напряжение питания 4,0...5,8В.

· Ток потребления 200 мкА.

· Рабочая температура -40...+85, °C.

Кристалл датчика обработан лазером и совмещает чувствительный емкостной элемент из термореактивного полимера с микросхемой усиления сигнала. Многослойная структура чувствительного элемента обеспечивает отличные характеристики приборов.