河工模型溫排水試驗(yàn)多通道溫度采集系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

萬浩平，楊 楠，李昌垣

(江西省水利科學(xué)研究院， 江西 南昌 330029)

電廠溫排水模型試驗(yàn)作為一類特殊的河工模型試驗(yàn)[1]，主要目的是優(yōu)化工程設(shè)計(jì)中取排水口工程布置，預(yù)報(bào)取水溫升，判斷受納水域冷卻能力。模型試驗(yàn)過程中，需實(shí)時(shí)監(jiān)測取排水口附近表層溫水?dāng)U散的溫度場、特征流量的垂線溫升分布。按傳統(tǒng)方式測量，測量的溫度存在一定的時(shí)差、測量精度較低，且測點(diǎn)較多時(shí)，需架設(shè)大量的測橋及線纜，工作量較大，已不能滿足實(shí)際測量需求。河海大學(xué)的楊海燕在溫排水模型試驗(yàn)中，采用紅外熱象儀進(jìn)行表層溫度測量[2]。北京師范大學(xué)的顏鈺采用美國HOBO公司生產(chǎn)的UTBI-001水下溫度采集器進(jìn)行水溫觀測[3]。中國海洋大學(xué)的苗慶生采用自記小型CTD，實(shí)測象山港電溫排水表層到底層的溫度[4]。天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所的王海申采用荷蘭Smartec高精度數(shù)字輸出溫度傳感器，鈦合金外殼封裝，并通過AD轉(zhuǎn)換模塊和處理器模塊，用于取排水口溫度場的測量[5]。長江科學(xué)院的吳新生采用美國DALLAS公司的DS18B20總線制數(shù)字化溫度傳感器，通過LTM8002總線模塊，來測量發(fā)電廠取排水口附近表層溫水?dāng)U散的溫度場。上述這些測溫設(shè)備或不能對(duì)水下溫度進(jìn)行測量，或水下測點(diǎn)過多時(shí)測量費(fèi)用較高。王海申[5]采用數(shù)字化溫度傳感器進(jìn)行水體溫度測量，但均需對(duì)傳感器進(jìn)行金屬封裝，影響測量的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確度。因此很有必要根據(jù)模型試驗(yàn)的需求，研制開發(fā)出一套結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉且操作方便的多通道溫度采集系統(tǒng)[6-10]。為實(shí)現(xiàn)大面積水下溫度的實(shí)時(shí)觀測，本文設(shè)計(jì)了一種長條式多測點(diǎn)溫度傳感器，傳感器經(jīng)特殊加工工藝，表面覆蓋抗銅氧化且具有良好防水的涂覆層。多根溫度傳感器連接到數(shù)據(jù)采集模塊，通過AD轉(zhuǎn)換，即可在上位機(jī)采集軟件中實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)各觀測點(diǎn)溫度?，F(xiàn)場應(yīng)用中，采用該系統(tǒng)對(duì)模型入口水流及擴(kuò)散范圍進(jìn)行連續(xù)溫度觀測，系統(tǒng)操作便捷，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，能夠滿足試驗(yàn)的實(shí)際需求，且大大提高了試驗(yàn)的工作效率。系統(tǒng)的研制應(yīng)用可為溫排水物理模型試驗(yàn)研究優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供了良好的技術(shù)支撐。

1 溫度采集系統(tǒng)

多通道溫度采集系統(tǒng)主要由溫度傳感器、數(shù)字化溫度采集模塊以及上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)軟件組成。系統(tǒng)下接8根溫度傳感器，每根溫度傳感器帶有8個(gè)溫度探頭，總共可實(shí)現(xiàn)64個(gè)測點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)構(gòu)建示意圖如圖1所示。

圖1溫度采集系統(tǒng)構(gòu)建示意圖

1.1 溫度傳感器

當(dāng)前國內(nèi)使用的測溫芯片較多，常見的有DS18B20,TM35,TM36等等。本文采用當(dāng)前使用最普遍的DS18B20芯片作為組建溫度傳感器的元件。

1.1.1 DS18B20簡介

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，是美國Dallas公司生產(chǎn)的單總線器件，具有體積小，價(jià)格低廉，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)[11]。DS18B20集溫度轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換于一體，測量范圍寬(-55℃～125℃)，精度高(±0.5℃)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，僅需占用一位I/O端口，可以單片機(jī)直接連接。利用其單總線特性，可在一根總線上掛接多個(gè)DS18B20來組建測溫系統(tǒng)[12]。

系統(tǒng)采用TO-92封裝的DS18B20，其示意圖如圖2所示。

圖2 DS18B20 TO-92封裝

TO-92封裝的DS18B20芯片各管腳定義如表1所示。

表1 DS18B20管腳定義

DS18B20有兩種電路連接方式，分別為外部供電模式以及“寄生電源模式”(寄生電源模式工作時(shí)，通過DQ引腳從儲(chǔ)能電容中釋放能量供給元件工作使用。當(dāng)DS18B20工作在寄生電源模式時(shí)，VDD引腳必須接地)。

本系統(tǒng)采用的是外部供電模式下的多只DS18B20芯片連接，如圖3所示。

這里需要說明的是，通過單片機(jī)IO口去控制多片DS18B20芯片時(shí)，需在控線端連接一個(gè)上拉電阻，電阻值取4.7K。每片DS18B20都有唯一的序列號(hào)，單片機(jī)通過讀取總線上每個(gè)元件的序列號(hào)，來識(shí)別和記錄總線上每個(gè)DS18B20元件的地址。

1.1.2 溫度傳感器

實(shí)際應(yīng)用中，需將DS18B20芯片不銹鋼封裝后，才可用于水體的溫度測量?？紤]到不銹鋼封裝后，DS18B20感溫窗口易與封裝材料接觸不貼合，溫度傳導(dǎo)具有一定的延時(shí)性且會(huì)影響測量精度，造成測量的溫度存在一定的偏差。本測量系統(tǒng)不對(duì)DS18B20元件進(jìn)行不銹鋼封裝，而是采用絕緣漆涂抹覆蓋芯片管腳進(jìn)行防水處理。傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3外部供電模式下多只DS18B20電路連接圖

圖4傳感器結(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量，設(shè)計(jì)了圖4所示的溫度傳感器。圖4為8測點(diǎn)溫度傳感器PCB制板結(jié)構(gòu)圖，由protel99se軟件繪制而成。將圖4所示溫度傳感器PCB文件經(jīng)專業(yè)PCB制板加工，可得到溫度傳感器PCB電路板。在PCB電路板元件焊接點(diǎn)分別焊接三芯插頭、0805封裝4.7K貼片電阻、封裝為TO-92的DS18B20芯片(焊接時(shí)需注意管腳的插放位置)。

圖4所示單根溫度傳感器全長550 mm，每個(gè)DS18B20測點(diǎn)間隔50 mm，單根傳感器總共布有8個(gè)DS18B20測點(diǎn)，可分別實(shí)時(shí)觀測水面及水下不同水深處的溫度。

試驗(yàn)過程中，DS18B20測點(diǎn)需放置于模型水體中，由于水是導(dǎo)體，易使VCC腳與GND腳短路，造成DS18B20芯片燒壞。因此需對(duì)溫度傳感器進(jìn)行特殊絕緣處理。用絕緣漆涂抹覆蓋DS18B20直插元件各管腳以及PCB電路板布線處。DS18B20上部平整光滑的弧形面為感溫窗口，此處嚴(yán)禁用絕緣漆涂抹覆蓋，否則易造成溫度測量不準(zhǔn)確。

實(shí)際應(yīng)用中，可改變單根溫度傳感器測點(diǎn)數(shù)以及各測點(diǎn)間隔，以滿足不同溫排水模型試驗(yàn)的實(shí)際需求。

1.1.3 溫度傳感器率定

溫度傳感器制作完畢后，需對(duì)傳感器上的DS18B20測點(diǎn)進(jìn)行率定。將傳感器放置于恒溫水箱內(nèi)，從5℃開始對(duì)水箱進(jìn)行升溫，每升高10℃，水溫穩(wěn)定后，每5 s采集一次水體溫度，并取1 min內(nèi)采集溫度的平均值。

實(shí)時(shí)記錄下水溫從5℃增加55℃過程中，傳感器上每個(gè)測點(diǎn)的溫度，采用線性回歸法分析，可得到每個(gè)測點(diǎn)的R均方值均為0.999或1.000，且與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)相比精度均滿足±0.5℃，表明此批DS18B20芯片能夠滿足實(shí)際測溫精度要求。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

鑒于市場上已有較多應(yīng)用成熟的溫度數(shù)據(jù)采集模塊[13-15]，為加快系統(tǒng)的組建進(jìn)度，不再進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)，直接選用一款較成熟的溫度數(shù)據(jù)采集模塊STA-D DS18B20。STA-D DS18B20是北京賽億凌科技有限公司生產(chǎn)的一款專用的溫度數(shù)據(jù)采集模塊，工作電源為DC12V～30V，通訊方式為RS485，系統(tǒng)采用DC24V直流電源供電。模塊共有8個(gè)采集通道，每通道最多可連接16片DS18B20元件，總共可實(shí)現(xiàn)對(duì)128個(gè)測點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)測量，模塊與傳感器之間電源與數(shù)據(jù)連接線的最大距離為200 m。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

圖5中，電源正極接模塊“VS+”端子，電源地接模塊“GND”端子。模塊“DATA+”、“DATA-”端子分別連接RS485接收數(shù)據(jù)A端，接收數(shù)據(jù)B端。當(dāng)采用485轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)換器時(shí)，模塊與轉(zhuǎn)換器之間的連線需采用雙絞線，且最大支持1 000 m。模塊“DQ1”～“DQ8”端子分別連接傳感器數(shù)據(jù)傳輸端(圖4傳感器端子排IO口)。

模塊中間設(shè)有電源顯示燈、通訊顯示燈。模塊上電后，正常情況下電源燈會(huì)亮，通訊燈為熄滅，當(dāng)模塊搜尋完所有的傳感器后，通訊燈會(huì)變?yōu)殚W爍狀態(tài)(連接的DS18b20越多，閃爍的頻率越慢，反之越快)，表明模塊與傳感器之間正在正常交換傳輸數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)軟件

軟件可根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)傳感器各測點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)及自動(dòng)編號(hào)。試驗(yàn)過程中，軟件界面上實(shí)時(shí)顯示各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)軟件帶有通道選項(xiàng)，點(diǎn)擊各通道數(shù)值，可顯示該通道所連接的測點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。且為了方便試驗(yàn)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，軟件帶有定時(shí)存盤功能，可定時(shí)將所有測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)存盤。圖6為顯示的通道8溫度數(shù)據(jù)。

圖6溫度采集示意圖

2 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)開發(fā)完畢后，需首先驗(yàn)證所有傳感器的可靠性及準(zhǔn)確性。將傳感器放置于恒溫水箱內(nèi)，調(diào)節(jié)水箱溫度從5℃增加到30℃，實(shí)時(shí)記錄下傳感器上各探頭溫度，表2為8#傳感器1號(hào)—8號(hào)溫度探頭實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)。

表2 8#傳感器溫度測量結(jié)果

從表1可以明顯看出，8#傳感器1號(hào)—8號(hào)探頭溫度測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，測量溫度在誤差允許范圍之內(nèi)。按照上述方法，對(duì)每根傳感器均進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)證明溫度采集系統(tǒng)中的8根傳感器測量溫度均在誤差允許范圍內(nèi)，可以應(yīng)用于模型現(xiàn)場觀測。

結(jié)合試驗(yàn)的實(shí)際需求，將上述溫度傳感器分別布置于模型取排水口附近以及特征流量的垂線處。在采集軟件中設(shè)置每分鐘實(shí)時(shí)采集一次溫度，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤。圖7為排水口某監(jiān)測點(diǎn)的溫升過程線。

從圖7排水口溫升過程線可以看出，排水最大溫升為7.4℃，平均溫升為6.5℃。在上述溫排水物理模型試驗(yàn)應(yīng)用中，系統(tǒng)操作簡單、測量精準(zhǔn)可靠，且基本可以應(yīng)用于任意條件狀況下?？梢?，采用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度觀測是可行的。

圖7排水口溫升過程線

3 結(jié) 論

本文研究開發(fā)出一套多通道溫度采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采集傳感器由PCB封裝制板而成，且除感溫窗口外，測溫芯片及傳感器均采用絕緣漆封裝工藝，保證測溫探頭與水體的完整接觸，避免了其它金屬封裝所造成的測量延遲及精度影響。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)軟件實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，且可根據(jù)試驗(yàn)需求，在1 s～60 s內(nèi)任意選擇溫度采集間隔。整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水域表層及水下不同深度64個(gè)測點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)觀測。系統(tǒng)構(gòu)建簡單、價(jià)格低廉，操作方便，且可以根據(jù)不同溫排水模型試驗(yàn)的實(shí)際需求，改變溫度測點(diǎn)的數(shù)量及測點(diǎn)在水下的間隔距離。系統(tǒng)的成功應(yīng)用，大大方便了溫排水模型試驗(yàn)中溫度場的實(shí)時(shí)觀測，通過與其它監(jiān)測數(shù)據(jù)(如濃度場擴(kuò)散數(shù)據(jù))的相互補(bǔ)充，可以評(píng)估溫排水影響范圍，進(jìn)而為電廠取、排水口布置及環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供依據(jù)。