高精度凍土層溫度梯度檢測系統的設計*

左廣宇，杜超，秦建敏*，鄧霄，侯煜

（1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原030024；2.太原理工大學物電學院，太原030024；3.中國水利水電科學研究院，北京100038）

高精度凍土層溫度梯度檢測系統的設計*

左廣宇1，2，杜超1，2，秦建敏1，2*，鄧霄1，2，侯煜3

（1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原030024；2.太原理工大學物電學院，太原030024；3.中國水利水電科學研究院，北京100038）

針對凍土層對溫度梯度高精度自動檢測的需求，設計了一種高精度低功耗溫度梯度自動檢測系統。選取性能穩定的恒流源REF200與四線制接法的鉑電阻Pt100構成系統的溫度檢測單元，通過MSP430單片機控制CPLD與多路開關集成電路，實現了溫度檢測點的自動切換，完成溫度梯度信號的自動檢測，通過GPRS數據傳輸技術，使獲取的現場溫度梯度數據可以實現遠程實時調用。經實驗室模擬試驗，采集數據經專用算法優化處理后，溫度單點檢測精度可達到±0.1℃。

凍土層溫度梯度檢測；Pt100；算法優化；高精度

地質學中把含有冰的土壤、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工程的施工和安全運營等構成了嚴重威脅［1］。溫度作為凍土層區別于其他介質最重要的物理量，判別和確定所研究土壤系統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測方法是氣象臺站的觀測。但是氣象站點地處高原，站點稀少，分布不夠均勻，往往無法提供系統、全面的凍土層溫度分布數據。隨著遙感技術的逐漸成熟，科研人員有可能利用衛星資料反演獲得地表溫度。然而，在青藏高原地區，地表的組成和結構復雜，非均勻下墊面造成地表溫度衛星反演精度的不確定性增大［2］。氣象臺人工監測溫度和遙感衛星反演溫度均存在測量精度低的缺點，例如MODIS地表溫度產品平均誤差達到5.337℃，標準誤差達到6.391℃［3］，人工測溫使用的HMP45C溫度傳感器觀測精度在0.2℃［4］。而且國內凍土溫度檢測方法都無法實現凍土溫度梯度的實時在線檢測。針對以上幾種情況，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特性，采用恒流源與Pt100構成系統的溫度敏感元件，通過MSP430單片機控制CPLD芯片與多路開關集成電路，實現了溫度檢測點的自動切換，完成了凍土活動層內部溫度梯度信號的自動檢測，溫度數據經專用算法優化處理后，溫度梯度檢測精度可達到±0.1℃。

1　系統硬件結構設計

1.1系統整體結構設計

高精度凍土層溫度梯度自動檢測系統整體結構如圖1所示。

圖1　高精度凍土層溫度梯度檢測系統整體結構圖

檢測系統由溫度梯度傳感器、單片機數據處理模塊、GPRS數據傳輸與通信模塊、太陽能供電系統、監控中心數據管理微機5部分組成。其中，溫度梯度傳感器完成被測地點凍土層內部溫度梯度各檢測點溫度值的采集；單片機數據處理模塊電路選用低功耗的工業級MS430F1611作為CPU，通過外圍擴展電路與內嵌的管理程序，完成溫度梯度傳感器溫度采集點的切換、溫度模擬信號的A/D轉換、采集數據的現場實時計算、存儲與通信控制等功能。系統主要電路工作原理與器件選型如下所述。

1.2溫度梯度傳感器結構與檢測原理

在實際檢測應用中，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，經過防水處理后排列放置在傳感器柱體內部并用環氧樹脂澆注密封，金屬殼頂部暴露在柱體外部。使用時傳感器被垂直埋放在凍土層中，通過導熱良好的金屬外殼與被測凍土保持直接接觸。根據用戶對溫度梯度檢測點分布密度的要求，各溫度敏感元件可采用等間距或疏密間距排列結構。傳感器整體電路結構如圖2所示。

單個溫度敏感元件電路由一個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TI公司生產的REF200電流基準源芯片作為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氧樹脂澆注等保護措施，不僅可以保證溫度敏感元件電路具有很強的耐壓性與抗腐蝕性，同時具有較快的溫度傳導響應特性。CPLD譯碼電路與多路開關電路用來完成溫度梯度檢測過程中溫度檢測點的切換。其中，CPLD選用通過編程可實現100路輸入輸出端口定義的EPM1270T144C5；多路開關電路選用ANALOG公司生產的32路譯碼開關電路ADG732。

圖2　溫度采集電路結構框圖

圖3　溫度敏感元件電路圖

為了實現對多點溫度梯度的自動檢測，在傳感器生產過程中通過編程預先將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；多路開關電路各輸入端則分別與溫度敏感元件電路輸出端相接，輸出端通過調理電路連接到單片機外圍A/D電路。傳感器在工作過程中，選取MSP430單片機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譯碼電路和多路開關電路將根據單片機發出的編碼命令處于相應工作狀態，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），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熱敏電阻處于測溫狀態；同時，與該路相連的多路開關電路輸入端將被導通（其余輸入端處于關斷狀態），檢測到的電壓由調理電路放大后進入A/D轉換電路處理。

1.3單片機數據處理模塊

單片機數據處理模塊完成現場溫度數據的采集與處理任務。模塊選用MSP430F1611作為CPU，除通過數據采集程序完成溫度梯度檢測過程中的檢測點切換任務外，還控制數據傳輸與通信模塊完成現場采集數據的遠程傳輸以及與上位機的通信任務。

數據處理模塊系統外擴了自校準16 bit模數轉換器ADS1100實現對溫度電壓信號的模數轉換。通過可兼容的I2C串口，ADS1100與MSP430進行數據通信。在單周期轉換方式中，ADS1100在一次轉換之后自動掉電，在空閑期間處于微電流狀態，可以達到低功耗運行的目的。

實時時鐘電路SD2200完成整個溫度檢測過程的時間協調。SD卡存儲電路由文件管理芯片CH376S以及SD卡基本電路組成，通過CH376S完成對SD卡中數據的存儲與調用操作。

1.4數據傳輸與通信模塊的選型

本系統選用了北京阿爾泰公司的A-GPRS1090I數傳模塊實現溫度梯度現場檢測數據的遠程實時調用與自動定時發送。模塊內嵌有TCP/IP協議棧，可采用動態域名或固定IP地址訪問，通信時與MSP430單片機通過RS232串口連接，在單片機程序控制下完成數據的透明傳輸。

2　高精度凍土層溫度梯度自動檢測系統軟件設計

高精度凍土層溫度梯度自動檢測系統現場數據采集處理軟件采用C語言編寫完成。數據采集過程中系統采用了低功耗工作模式，初始化時可以根據檢測現場實際需求，通過軟件控制實時時鐘芯片SD2200來設定溫度采集的頻次與采集時間。系統上電完成初始化后，CPU進入休眠模式，當到達設定的采集時間時，時鐘芯片SD2200向MSP430單片機發出中斷指令，MSP430單片機響應中斷后，控制溫度傳感器采集溫度數據，通過軟件算法將采集到的電壓信號轉換為相應的溫度值，存入SD卡中，并啟動GPRS模塊，將獲取的數據發回上位管理微機，通信完成后系統又進入休眠模式，準備下一輪的數據采集與傳送過程。溫度數據采集處理程序流程如圖4所示。

高精度凍土溫度檢測系統的上位管理微機可以接收分布在不同地點的溫度檢測傳感器采集到的數據，并在同一個監測界面上顯示處理結果。圖5所示為采用面向對象的C#程序設計語言編寫的上位管理微機監測界面。上位管理微機可完成對現場溫度檢測傳感器及控制電路的操作，包括數據的接收與控制命令的發送、對接收到的溫度采集數據可進行存儲、歷史數據顯示及結果分析的功能，并可以實現串口通信、通信端口配置、IP地址選擇、上線監控、生成Word報表等功能。

圖4　溫度數據采集處理程序流程圖

圖5　上位管理微機數據管理界面

3　溫度梯度檢測系統模擬仿真實驗與數據分析

我們使用高低溫試驗箱ELS-10KA模擬工程現場低溫環境，對高精度凍土層溫度梯度自動檢測系統的性能進行了模擬驗證試驗。

ELS-10KA高低溫試驗箱可以在-70℃～150℃溫度范圍內實現溫度值的連續可調的功能。我們將圖1所示溫度檢測傳感器放置在試驗箱內進行了數據的動態采集試驗。在模擬仿真試驗過程中，采用了4種不同的計量儀器同步對試驗箱內溫度數據進行采集記錄。這4種儀器分別為：WNG-11高精度水銀溫度計（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高精度數顯溫度計（誤差≤0.2℃）以及圖1所示溫度檢測傳感器，以精度最高的WNG-11高精度水銀溫度計測試結果作為溫度基準，對檢測數據進行比對。

實驗開始前，溫度檢測傳感器通電預熱，調節高低溫試驗箱溫控器達預設溫度，關閉試驗箱擋板，減少試驗箱與外界熱交換，保證實驗環境溫度穩定，等待10 min后開始測量。采集溫度數據時保持每個溫度檢測點達10 min，保證傳感器溫度能接近設定的環境溫度，1 min內采集100組數據，并儲存每個測量溫度點實測溫度值。為減小測量誤差，對所測數據求平均值，作為此溫度采集點的最終檢測值。表1為傳感器單點溫度采集模擬實驗記錄數據。

以WNG-11高精度水銀溫度計測試結果作為溫度基準進行比對，從表1第2列測試結果可以看出，在-30℃～20℃的溫度范圍內，凍土溫度檢測系統溫度實測值的最小誤差為0.021℃，最大誤差不超過0.159℃，較之于DS18B20及數顯溫度計等常用溫度傳感器，其測量值準確度有較大提升。

由于受A/D轉換器ADS1100的轉換位數及其基準電壓的限制，使得某些誤差絕對值反復出現，根據分析其出現的規律后，我們利用軟件算法對原始測量數據采用二次多項式擬合進行了優化處理。處理方法如下：

根據Pt100電阻與溫度關系，引入擬合曲線方程通式［6-14］：

實際擬合方程為：

式（2）中T為溫度值（℃），R為Pt100電阻值（Ω），a，b，c為常數。

選擇表1第2列溫度檢測系統實測R-T數據代入式（2），實際擬合方程為：

獲得擬合曲線如圖6所示。

表1　單個溫度采集點對比模擬實驗數據單位：℃

圖6　凍土溫度檢測系統數據散點圖與擬合曲線圖

使用溫度擬合方程（3）對檢測結果進行修正，可獲得表2所示修正數據。

表2　單個溫度采集點對比模擬實驗修正數據表單位：℃

在凍土溫度檢測系統測量范圍內，凍土溫度梯度檢測系統測量溫度值與Pt100電阻值符合較好的線性關系。通過對表1，表2數據的對比可以看出，經過優化處理后提高了溫度檢測結果的精度，凍土溫度梯度檢測系統溫度實測值與標準值之間誤差小于等于0.1℃，可以滿足工程檢測現場對凍土溫度檢測精度的要求。

傳感器于2015年1月6日安裝于內蒙古包頭市畫匠營子水文站，并進行為期2個月的現場試驗。安裝位置位于距離河岸30 m處，空氣溫度數據選取距土壤層表面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，凍土層內部溫度變化趨勢與空氣溫度變化基本一致。由于空氣層熱交換現象明顯，空氣溫度變化范圍大；凍土層夜間表土凍結，下層的水汽向表面移動并凝結，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日溫度采集點數據

4　結論

本文所設計的高精度低功耗凍土層溫度梯度自動檢測系統具有精度高、功耗低的特點，適應和滿足了在高海拔地區寒冷環境下對凍土層溫度梯度測量的工程需求。采用的多點溫度梯度設計方案在很大程度上降低了對凍土層溫度梯度的檢測成本，提高了凍土溫度梯度檢測的可靠性與檢測效率，為凍土層內部溫度梯度的自動檢測提供了一種可行的技術手段。

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左廣宇（1990-），男，漢族，山西省太原市人，太原理工大學，碩士研究生，研究方向為檢測技術與自動化裝置、傳感器檢測技術等，zuoguangyu529@163.com；

秦建敏（1951-），男，山西省靜樂縣人，太原理工大學，工學博士，教授，博士生導師，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置、冰水情信息自動化檢測技術等，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

項目來源：國家自然科學基金項目（51279122）；國家自然科學基金青年科學基金項目（51205273）；水利部公益性行業專項經費項目（1261530110110）；中俄國際合作項目（51511130042）

2015-05-26修改日期：2015-06-30