高精度凍土層溫度梯度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

左廣宇，杜超，秦建敏*，鄧霄，侯煜

（1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024；2.太原理工大學(xué)物電學(xué)院，太原030024；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

高精度凍土層溫度梯度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

左廣宇1，2，杜超1，2，秦建敏1，2*，鄧霄1，2，侯煜3

（1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024；2.太原理工大學(xué)物電學(xué)院，太原030024；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

針對(duì)凍土層對(duì)溫度梯度高精度自動(dòng)檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種高精度低功耗溫度梯度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。選取性能穩(wěn)定的恒流源REF200與四線制接法的鉑電阻Pt100構(gòu)成系統(tǒng)的溫度檢測(cè)單元，通過(guò)MSP430單片機(jī)控制CPLD與多路開(kāi)關(guān)集成電路，實(shí)現(xiàn)了溫度檢測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)切換，完成溫度梯度信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使獲取的現(xiàn)場(chǎng)溫度梯度數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)經(jīng)專用算法優(yōu)化處理后，溫度單點(diǎn)檢測(cè)精度可達(dá)到±0.1℃。

凍土層溫度梯度檢測(cè)；Pt100；算法優(yōu)化；高精度

地質(zhì)學(xué)中把含有冰的土壤、或者含有裂隙冰的巖石定義為凍土。凍土的凍脹、融沉以及凍拔等作用對(duì)工程的施工和安全運(yùn)營(yíng)等構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［1］。溫度作為凍土層區(qū)別于其他介質(zhì)最重要的物理量，判別和確定所研究土壤系統(tǒng)的溫度分布狀況便成為凍土研究中首要考慮的課題［2］。在過(guò)去幾十年青藏高原凍土的研究工作中，最多、最普遍采用的溫度監(jiān)測(cè)方法是氣象臺(tái)站的觀測(cè)。但是氣象站點(diǎn)地處高原，站點(diǎn)稀少，分布不夠均勻，往往無(wú)法提供系統(tǒng)、全面的凍土層溫度分布數(shù)據(jù)。隨著遙感技術(shù)的逐漸成熟，科研人員有可能利用衛(wèi)星資料反演獲得地表溫度。然而，在青藏高原地區(qū)，地表的組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均勻下墊面造成地表溫度衛(wèi)星反演精度的不確定性增大［2］。氣象臺(tái)人工監(jiān)測(cè)溫度和遙感衛(wèi)星反演溫度均存在測(cè)量精度低的缺點(diǎn)，例如MODIS地表溫度產(chǎn)品平均誤差達(dá)到5.337℃，標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到6.391℃［3］，人工測(cè)溫使用的HMP45C溫度傳感器觀測(cè)精度在0.2℃［4］。而且國(guó)內(nèi)凍土溫度檢測(cè)方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)凍土溫度梯度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。針對(duì)以上幾種情況，我們采用Pt100作為溫度敏感元件，利用鉑電阻阻值與溫度呈正相關(guān)特性，采用恒流源與Pt100構(gòu)成系統(tǒng)的溫度敏感元件，通過(guò)MSP430單片機(jī)控制CPLD芯片與多路開(kāi)關(guān)集成電路，實(shí)現(xiàn)了溫度檢測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)切換，完成了凍土活動(dòng)層內(nèi)部溫度梯度信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)，溫度數(shù)據(jù)經(jīng)專用算法優(yōu)化處理后，溫度梯度檢測(cè)精度可達(dá)到±0.1℃。

1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高精度凍土層溫度梯度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　高精度凍土層溫度梯度檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)系統(tǒng)由溫度梯度傳感器、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸與通信模塊、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理微機(jī)5部分組成。其中，溫度梯度傳感器完成被測(cè)地點(diǎn)凍土層內(nèi)部溫度梯度各檢測(cè)點(diǎn)溫度值的采集；單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊電路選用低功耗的工業(yè)級(jí)MS430F1611作為CPU，通過(guò)外圍擴(kuò)展電路與內(nèi)嵌的管理程序，完成溫度梯度傳感器溫度采集點(diǎn)的切換、溫度模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、采集數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算、存儲(chǔ)與通信控制等功能。系統(tǒng)主要電路工作原理與器件選型如下所述。

1.2溫度梯度傳感器結(jié)構(gòu)與檢測(cè)原理

在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中，溫度梯度傳感器核心敏感元件Pt100熱敏電阻被嵌套在不銹鋼金屬殼內(nèi)，經(jīng)過(guò)防水處理后排列放置在傳感器柱體內(nèi)部并用環(huán)氧樹(shù)脂澆注密封，金屬殼頂部暴露在柱體外部。使用時(shí)傳感器被垂直埋放在凍土層中，通過(guò)導(dǎo)熱良好的金屬外殼與被測(cè)凍土保持直接接觸。根據(jù)用戶對(duì)溫度梯度檢測(cè)點(diǎn)分布密度的要求，各溫度敏感元件可采用等間距或疏密間距排列結(jié)構(gòu)。傳感器整體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

單個(gè)溫度敏感元件電路由一個(gè)專用的恒流源電路與按四線制相連的Pt100熱敏電阻組成，為了有效降低測(cè)試引線電阻引入的誤差，Pt100采用四線制接法，其連接電路如圖3所示，RL為線路引線等效電阻。我們選用了美國(guó)TI公司生產(chǎn)的REF200電流基準(zhǔn)源芯片作為Pt100熱敏電阻的恒流源，該芯片具有較寬的工作電壓（3 V～14 V），可以為熱敏電阻Pt100提供穩(wěn)定的1mA工作電流。由于敏感電阻采用了圓柱形不銹鋼外殼與環(huán)氧樹(shù)脂澆注等保護(hù)措施，不僅可以保證溫度敏感元件電路具有很強(qiáng)的耐壓性與抗腐蝕性，同時(shí)具有較快的溫度傳導(dǎo)響應(yīng)特性。CPLD譯碼電路與多路開(kāi)關(guān)電路用來(lái)完成溫度梯度檢測(cè)過(guò)程中溫度檢測(cè)點(diǎn)的切換。其中，CPLD選用通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)100路輸入輸出端口定義的EPM1270T144C5；多路開(kāi)關(guān)電路選用ANALOG公司生產(chǎn)的32路譯碼開(kāi)關(guān)電路ADG732。

圖2　溫度采集電路結(jié)構(gòu)框圖

圖3　溫度敏感元件電路圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度梯度的自動(dòng)檢測(cè)，在傳感器生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)編程預(yù)先將CPLD譯碼電路被定義為單路輸入、多路輸出的工作模式，各輸出端分別與各恒流源電路使能端（高電平有效）相連；多路開(kāi)關(guān)電路各輸入端則分別與溫度敏感元件電路輸出端相接，輸出端通過(guò)調(diào)理電路連接到單片機(jī)外圍A/D電路。傳感器在工作過(guò)程中，選取MSP430單片機(jī)1組I/O口作為控制引腳，并行輸出8位控制字，與控制引腳相連的CPLD譯碼電路和多路開(kāi)關(guān)電路將根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的編碼命令處于相應(yīng)工作狀態(tài)，即被選中的CPLD譯碼電路輸出端處于高電平（其余所有輸出端口保持高阻態(tài)），與輸出高電平端口相接的溫度敏感元件電路被激活，恒流源輸出電流并使Pt100熱敏電阻處于測(cè)溫狀態(tài)；同時(shí)，與該路相連的多路開(kāi)關(guān)電路輸入端將被導(dǎo)通（其余輸入端處于關(guān)斷狀態(tài)），檢測(cè)到的電壓由調(diào)理電路放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路處理。

1.3單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊

單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊完成現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)的采集與處理任務(wù)。模塊選用MSP430F1611作為CPU，除通過(guò)數(shù)據(jù)采集程序完成溫度梯度檢測(cè)過(guò)程中的檢測(cè)點(diǎn)切換任務(wù)外，還控制數(shù)據(jù)傳輸與通信模塊完成現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸以及與上位機(jī)的通信任務(wù)。

數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)外擴(kuò)了自校準(zhǔn)16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度電壓信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)可兼容的I2C串口，ADS1100與MSP430進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，ADS1100在一次轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)掉電，在空閑期間處于微電流狀態(tài)，可以達(dá)到低功耗運(yùn)行的目的。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路SD2200完成整個(gè)溫度檢測(cè)過(guò)程的時(shí)間協(xié)調(diào)。SD卡存儲(chǔ)電路由文件管理芯片CH376S以及SD卡基本電路組成，通過(guò)CH376S完成對(duì)SD卡中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用操作。

1.4數(shù)據(jù)傳輸與通信模塊的選型

本系統(tǒng)選用了北京阿爾泰公司的A-GPRS1090I數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)溫度梯度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)用與自動(dòng)定時(shí)發(fā)送。模塊內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧，可采用動(dòng)態(tài)域名或固定IP地址訪問(wèn)，通信時(shí)與MSP430單片機(jī)通過(guò)RS232串口連接，在單片機(jī)程序控制下完成數(shù)據(jù)的透明傳輸。

2　高精度凍土層溫度梯度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高精度凍土層溫度梯度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)完成。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中系統(tǒng)采用了低功耗工作模式，初始化時(shí)可以根據(jù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，通過(guò)軟件控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片SD2200來(lái)設(shè)定溫度采集的頻次與采集時(shí)間。系統(tǒng)上電完成初始化后，CPU進(jìn)入休眠模式，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的采集時(shí)間時(shí)，時(shí)鐘芯片SD2200向MSP430單片機(jī)發(fā)出中斷指令，MSP430單片機(jī)響應(yīng)中斷后，控制溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件算法將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，存入SD卡中，并啟動(dòng)GPRS模塊，將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)回上位管理微機(jī)，通信完成后系統(tǒng)又進(jìn)入休眠模式，準(zhǔn)備下一輪的數(shù)據(jù)采集與傳送過(guò)程。溫度數(shù)據(jù)采集處理程序流程如圖4所示。

高精度凍土溫度檢測(cè)系統(tǒng)的上位管理微機(jī)可以接收分布在不同地點(diǎn)的溫度檢測(cè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并在同一個(gè)監(jiān)測(cè)界面上顯示處理結(jié)果。圖5所示為采用面向?qū)ο蟮腃#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)的上位管理微機(jī)監(jiān)測(cè)界面。上位管理微機(jī)可完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)傳感器及控制電路的操作，包括數(shù)據(jù)的接收與控制命令的發(fā)送、對(duì)接收到的溫度采集數(shù)據(jù)可進(jìn)行存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)顯示及結(jié)果分析的功能，并可以實(shí)現(xiàn)串口通信、通信端口配置、IP地址選擇、上線監(jiān)控、生成Word報(bào)表等功能。

圖4　溫度數(shù)據(jù)采集處理程序流程圖

圖5　上位管理微機(jī)數(shù)據(jù)管理界面

3　溫度梯度檢測(cè)系統(tǒng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

我們使用高低溫試驗(yàn)箱ELS-10KA模擬工程現(xiàn)場(chǎng)低溫環(huán)境，對(duì)高精度凍土層溫度梯度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了模擬驗(yàn)證試驗(yàn)。

ELS-10KA高低溫試驗(yàn)箱可以在-70℃～150℃溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度值的連續(xù)可調(diào)的功能。我們將圖1所示溫度檢測(cè)傳感器放置在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集試驗(yàn)。在模擬仿真試驗(yàn)過(guò)程中，采用了4種不同的計(jì)量?jī)x器同步對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄。這4種儀器分別為：WNG-11高精度水銀溫度計(jì)（量程-30℃～20℃，分辨率為0.1℃，誤差≤0.1℃），DS18B20溫度傳感器（誤差<0.5℃），LCD-280高精度數(shù)顯溫度計(jì)（誤差≤0.2℃）以及圖1所示溫度檢測(cè)傳感器，以精度最高的WNG-11高精度水銀溫度計(jì)測(cè)試結(jié)果作為溫度基準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，溫度檢測(cè)傳感器通電預(yù)熱，調(diào)節(jié)高低溫試驗(yàn)箱溫控器達(dá)預(yù)設(shè)溫度，關(guān)閉試驗(yàn)箱擋板，減少試驗(yàn)箱與外界熱交換，保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度穩(wěn)定，等待10 min后開(kāi)始測(cè)量。采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)保持每個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)達(dá)10 min，保證傳感器溫度能接近設(shè)定的環(huán)境溫度，1 min內(nèi)采集100組數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存每個(gè)測(cè)量溫度點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度值。為減小測(cè)量誤差，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)求平均值，作為此溫度采集點(diǎn)的最終檢測(cè)值。表1為傳感器單點(diǎn)溫度采集模擬實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)。

以WNG-11高精度水銀溫度計(jì)測(cè)試結(jié)果作為溫度基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，從表1第2列測(cè)試結(jié)果可以看出，在-30℃～20℃的溫度范圍內(nèi)，凍土溫度檢測(cè)系統(tǒng)溫度實(shí)測(cè)值的最小誤差為0.021℃，最大誤差不超過(guò)0.159℃，較之于DS18B20及數(shù)顯溫度計(jì)等常用溫度傳感器，其測(cè)量值準(zhǔn)確度有較大提升。

由于受A/D轉(zhuǎn)換器ADS1100的轉(zhuǎn)換位數(shù)及其基準(zhǔn)電壓的限制，使得某些誤差絕對(duì)值反復(fù)出現(xiàn)，根據(jù)分析其出現(xiàn)的規(guī)律后，我們利用軟件算法對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)采用二次多項(xiàng)式擬合進(jìn)行了優(yōu)化處理。處理方法如下：

根據(jù)Pt100電阻與溫度關(guān)系，引入擬合曲線方程通式［6-14］：

實(shí)際擬合方程為：

式（2）中T為溫度值（℃），R為Pt100電阻值（Ω），a，b，c為常數(shù)。

選擇表1第2列溫度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)R-T數(shù)據(jù)代入式（2），實(shí)際擬合方程為：

獲得擬合曲線如圖6所示。

表1　單個(gè)溫度采集點(diǎn)對(duì)比模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單位：℃

圖6　凍土溫度檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖與擬合曲線圖

使用溫度擬合方程（3）對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，可獲得表2所示修正數(shù)據(jù)。

表2　單個(gè)溫度采集點(diǎn)對(duì)比模擬實(shí)驗(yàn)修正數(shù)據(jù)表單位：℃

在凍土溫度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量范圍內(nèi)，凍土溫度梯度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量溫度值與Pt100電阻值符合較好的線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)表1，表2數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后提高了溫度檢測(cè)結(jié)果的精度，凍土溫度梯度檢測(cè)系統(tǒng)溫度實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之間誤差小于等于0.1℃，可以滿足工程檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)凍土溫度檢測(cè)精度的要求。

傳感器于2015年1月6日安裝于內(nèi)蒙古包頭市畫(huà)匠營(yíng)子水文站，并進(jìn)行為期2個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。安裝位置位于距離河岸30 m處，空氣溫度數(shù)據(jù)選取距土壤層表面20 cm處空氣溫度值，土壤溫度選取土壤層表面下方50 cm處溫度值。從圖7可以看出，凍土層內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)與空氣溫度變化基本一致。由于空氣層熱交換現(xiàn)象明顯，空氣溫度變化范圍大；凍土層夜間表土凍結(jié)，下層的水汽向表面移動(dòng)并凝結(jié)，增加了表土含水量，降低土壤層熱交換頻率，所以土壤溫度變化范圍較小。

圖7　2015年1月6日到2月16日溫度采集點(diǎn)數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的高精度低功耗凍土層溫度梯度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有精度高、功耗低的特點(diǎn)，適應(yīng)和滿足了在高海拔地區(qū)寒冷環(huán)境下對(duì)凍土層溫度梯度測(cè)量的工程需求。采用的多點(diǎn)溫度梯度設(shè)計(jì)方案在很大程度上降低了對(duì)凍土層溫度梯度的檢測(cè)成本，提高了凍土溫度梯度檢測(cè)的可靠性與檢測(cè)效率，為凍土層內(nèi)部溫度梯度的自動(dòng)檢測(cè)提供了一種可行的技術(shù)手段。

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［14］張志勇，辛長(zhǎng)宇，朱玉龍.Pt100溫度傳感器非線性的補(bǔ)償方法與電路實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2007，30（6）：2189-2191.

左廣宇（1990-），男，漢族，山西省太原市人，太原理工大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置、傳感器檢測(cè)技術(shù)等，zuoguangyu529@163.com；

秦建敏（1951-），男，山西省靜樂(lè)縣人，太原理工大學(xué)，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置、冰水情信息自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)等，qinjianmin@tyut.edu.cn。

The Design of High-Precision Temperature Detection System for the Active Layer of Permafrost*

ZUO Guangyu1，2，DU Chao1，2，QIN Jianmin1，2*，DENG Xiao1，2，HOU Yu3
（1.Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.College of Physics and Optoelectronics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；3.The Department of Hydraulics，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

In response to the demand for permafrost active layer of high-precision detection of the temperature gradi?ent，a low-power high-precision automatic temperature detection system is designed.The system uses a stability con?stant current excitation source and chooses industrial grade Pt100 which are four-wire connection as temperature sensors.MSP430 microcontroller signal acquisition and processing circuit control the CPLD multiple signal switch?ing circuit and multiple switch integrated circuit to realize the automatic switching of temperature detection point and to achieve the automatic collection of temperature gradient signal.By means of a public mobile communications platform，the system will use GPRS data transmission technology to achieve data transferring and data calling.After a laboratory simulation test，the system uses a special software algorithm to optimize the accuracy of the original da?ta，and temperature detection accuracy of a single point can reach±0.1℃.

permafrost temperature gradient detection；Pt100；algorithms；high precision

TP273；TP274

A

1005-9490（2016）02-0469-06

EEACC：7120；7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.044

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279122）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51205273）；水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（1261530110110）；中俄國(guó)際合作項(xiàng)目（51511130042）

2015-05-26修改日期：2015-06-30