地面气象优要素智能采集系统 第4页
测量误差分析
使用金属温度计测量温度,总会产生一系列的系统误差,其成因十分复杂,如:
电流热效应引起的误差；
平衡电桥测量时电桥电阻误差，电源误差；
引线电阻引起的测量误差,尤其是引线电阻随温度变化导致的测量误差；
转换电路引起的误差；
电阻与温度曲线线性化较正引起的误差；
有通风量变化引起的误差；
湿度变化引起的误差；
测温元件热滞效应引起的误差；
环境热辐射（如太阳辐射、大气散射、地面反射辐射）所造成的测量误差，等。
为使温度数值能较真实地反映实际温度，即：使温度测量误差被限制在测量范围内，必须对误差的各种成因加以详细而深入的分析和研究，并对所使用的元件、工艺、使用条件和环境提出具体要求和规定。这也是选择相应传感设备的基本依据。由于篇幅限制，在此不能一一加以详述。鉴于测量元件的热滞效应是一种迟滞效应，而迟滞效应是感应元件所共有的一种特性，是影响温度测量的精确度的一个重要因素，其原理分析具有一定的代表性，故作一些简单介绍。目的主要是了解针对这类问题的一种分析方法。
元件从外界吸收（或失去）的热量：
……………（2-1）
其中，T和 分别表示元件以及环境温度，s为测温元件的有效散热面积，h为热交换系数。
元件吸收（或失去）热量使得其温度发生变化dT，根据热交换平衡原理有：
…………………………（2-2）
其中，c为比热，M为元件的质量，将上面两式合并有：
…………………（2-3）
令 （ 被称为热滞系数，其定义为温度表的示值与介质温度之差（ ）减小到起始温度差（ ）的1/e所需要的时间，其单位为s）。 表示温度表响应温度变化的速率。这个速率与热滞系数 成反比。为了减小热滞误差，提高响应速度，应该减小测温元件的质量m，并要选取比热小的测温物质；增大测温物质与被测介质的接触面积s；增大两者之间的热交换系数h，h取决于介质流速的大小。则有：
……………………（2-4）
解上述微分方程（2.2.4）得：
…………………………（2-5）
1） 在环境温度恒定条件下的滞后误差
即 为常数，初始条件为 ＝0时， ，则只有当 时，才有 。由此，可以看出示度与环境间存在滞差。
经时间 温差为： ，
或达到 所需时间：
例如在初始温差为 条件下，一个热滞系数为300s的测温元件，欲使滞差达到 ，则需要1380s，即23分钟。
2） 当环境温度呈线性变化时的热滞误差
环境温度呈线性变化：
式中： 为环境温度的变化率，即 。
初始条件为 ，即开始时温度与环境温度已达到热平衡。解微分方程得到：
…………………………（2-6）
1．当时间τ足够大时（一般取 ），热惯性误差 ，为一常数。
2．热惯性误差的大小，取决于β、λ。例如：实际气温每小时升温3℃，即：β＝1/1200（℃/s），对一个热滞系数小于300s的元件，滞差可达0.25℃；当热滞系数小于60s时，滞差仅有0.05℃。
3）环境温度呈周期性变化时的热滞误差
环境温度以周期 、振幅 呈简单的正弦变化，则：
…………………………（2-7）
将上式代入（3－19）式求解可得：
…………………………（2-8）
常数 由初始条件确定。当 时，
…………………………（2-9）
由上式可知：
1．温度表的示值也呈周期为 的正弦变化；
2．温度表的示值振幅A小于实际振幅 ，
3．温度表示值的正弦变化相位落后，相移角为： .
表2－1列出不同 所对应的振幅衰减和相位落后。
表2－2 温度表热滞对温度周期性变化的影响
5 2.5 1 0.5 0.25 0.1 0.05 0.025 0.018
0.032 0.064 0.157 0.303 0.537 0.346 0.954 0.988 0.994
88.2 86.4 81.0 72.3 57.5 32.1 17.4 8.9 6.5
根据实际观测资料估计，1.5m高处百叶箱内的气温日变化可看做日振幅取作5℃的周期性变化，若要保证记录下来的日振幅误差小于0.05℃,则可由下式估计出测温元件的热滞系数应小于2000s：
…………………………（2-10）
若同时要求最高（和最低）温度出现的时刻相位落后所引起的误差不超过5min，则可估计出测温元件的热滞系数应保持在300s以下，即
…………………………（2-11）
再举例来说，对于λ＝50s的温度表，若介质温度变化周期为100s，实际温度变化幅度为1℃，则温度表的示值变化幅度为0.3℃；但若介质温度变化周期为2000s，则温度表的示值变化幅度为0.95℃，与实际变化幅度就很接近了。又如，若想测量周期为1s的气温的微脉动变化，且要求振幅测量达95％的准确度，则测温元件的热滞系数λ应小于0.05s。
根据上述讨论可见，进行气象观测时应规定测温元件的热滞系数，以减小测温元件的滞差，保证观测资料的可比性。WMO要求地面气象观测用温度表当通风速度为5m/s时，热滞系数应在30s~60s之间。
通过对测温元件热滞效应的分析，我们可以看出：测量原理所造成的测量误差是一种系统误差，其构成因素较为复杂，且对测量的影响很大。因此，我们在使用某种探测原理进行实际测量时，应尽可能对其加以深入的研究和分析，否则就不可能获得较理想的、真实的测量结果。
当然，为使温度测量准确可靠，绝不仅仅如上述这么简单，比如在实际使用中，需用特制百叶箱防辐射，保证良好的通风环境、选择合乎规定的观测地点、对传感器进行提高反射率和抗腐蚀性的加工处理，使用多只铂电阻进行互校及取舍处理，取有效数据的平均值作为测量值等很多实际措施。
2.3湿度的测量
2.3.1概述
空气湿度是表征空气中水汽含量的物理量，通常表征空气湿度的量有以下几个量：水汽压、相对湿度、露点和露点温度、绝对湿度、混合比、比湿等。我们通常所说的湿度指的是相对湿度
2.3.2湿度的测量方法
湿度的测量方法很多，主要有干湿法、机械吸附法、电元件吸附法、重量法、露点法、光学辐射法。
2.3.3测湿元件
通常测湿元件有干湿表、冷却式露点传感器（冷却镜面式、石英振子）、湿敏电容（高分子湿敏电容、 湿敏电容）、湿敏电阻、红外线吸收式湿度传感器。
干湿球湿度计由于：
1） 根据其测量原理其输出信号很难转换为电信号；
2）按照我国现行规范，-10℃以下就需要停止使用干湿球湿度表。因此干湿球湿度计一般不适用于自动观测系统使用。
光学测量法是基于空气中的水汽对光谱的吸收效应原理，它是目前唯一用来测
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