高精度冻土层温度梯度检测系统的设计*

左广宇，杜超，秦建敏*，邓霄，侯煜

（1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，太原030024；2.太原理工大学物电学院，太原030024；3.中国水利水电科学研究院，北京100038）

高精度冻土层温度梯度检测系统的设计*

左广宇1，2，杜超1，2，秦建敏1，2*，邓霄1，2，侯煜3

（1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，太原030024；2.太原理工大学物电学院，太原030024；3.中国水利水电科学研究院，北京100038）

针对冻土层对温度梯度高精度自动检测的需求，设计了一种高精度低功耗温度梯度自动检测系统。选取性能稳定的恒流源REF200与四线制接法的铂电阻Pt100构成系统的温度检测单元，通过MSP430单片机控制CPLD与多路开关集成电路，实现了温度检测点的自动切换，完成温度梯度信号的自动检测，通过GPRS数据传输技术，使获取的现场温度梯度数据可以实现远程实时调用。经实验室模拟试验，采集数据经专用算法优化处理后，温度单点检测精度可达到±0.1℃。

冻土层温度梯度检测；Pt100；算法优化；高精度

地质学中把含有冰的土壤、或者含有裂隙冰的岩石定义为冻土。冻土的冻胀、融沉以及冻拔等作用对工程的施工和安全运营等构成了严重威胁［1］。温度作为冻土层区别于其他介质最重要的物理量，判别和确定所研究土壤系统的温度分布状况便成为冻土研究中首要考虑的课题［2］。在过去几十年青藏高原冻土的研究工作中，最多、最普遍采用的温度监测方法是气象台站的观测。但是气象站点地处高原，站点稀少，分布不够均匀，往往无法提供系统、全面的冻土层温度分布数据。随着遥感技术的逐渐成熟，科研人员有可能利用卫星资料反演获得地表温度。然而，在青藏高原地区，地表的组成和结构复杂，非均匀下垫面造成地表温度卫星反演精度的不确定性增大［2］。气象台人工监测温度和遥感卫星反演温度均存在测量精度低的缺点，例如MODIS地表温度产品平均误差达到5.337℃，标准误差达到6.391℃［3］，人工测温使用的HMP45C温度传感器观测精度在0.2℃［4］。而且国内冻土温度检测方法都无法实现冻土温度梯度的实时在线检测。针对以上几种情况，我们采用Pt100作为温度敏感元件，利用铂电阻阻值与温度呈正相关特性，采用恒流源与Pt100构成系统的温度敏感元件，通过MSP430单片机控制CPLD芯片与多路开关集成电路，实现了温度检测点的自动切换，完成了冻土活动层内部温度梯度信号的自动检测，温度数据经专用算法优化处理后，温度梯度检测精度可达到±0.1℃。

1　系统硬件结构设计

1.1系统整体结构设计

高精度冻土层温度梯度自动检测系统整体结构如图1所示。

图1　高精度冻土层温度梯度检测系统整体结构图

检测系统由温度梯度传感器、单片机数据处理模块、GPRS数据传输与通信模块、太阳能供电系统、监控中心数据管理微机5部分组成。其中，温度梯度传感器完成被测地点冻土层内部温度梯度各检测点温度值的采集；单片机数据处理模块电路选用低功耗的工业级MS430F1611作为CPU，通过外围扩展电路与内嵌的管理程序，完成温度梯度传感器温度采集点的切换、温度模拟信号的A/D转换、采集数据的现场实时计算、存储与通信控制等功能。系统主要电路工作原理与器件选型如下所述。

1.2温度梯度传感器结构与检测原理

在实际检测应用中，温度梯度传感器核心敏感元件Pt100热敏电阻被嵌套在不锈钢金属壳内，经过防水处理后排列放置在传感器柱体内部并用环氧树脂浇注密封，金属壳顶部暴露在柱体外部。使用时传感器被垂直埋放在冻土层中，通过导热良好的金属外壳与被测冻土保持直接接触。根据用户对温度梯度检测点分布密度的要求，各温度敏感元件可采用等间距或疏密间距排列结构。传感器整体电路结构如图2所示。

单个温度敏感元件电路由一个专用的恒流源电路与按四线制相连的Pt100热敏电阻组成，为了有效降低测试引线电阻引入的误差，Pt100采用四线制接法，其连接电路如图3所示，RL为线路引线等效电阻。我们选用了美国TI公司生产的REF200电流基准源芯片作为Pt100热敏电阻的恒流源，该芯片具有较宽的工作电压（3 V～14 V），可以为热敏电阻Pt100提供稳定的1mA工作电流。由于敏感电阻采用了圆柱形不锈钢外壳与环氧树脂浇注等保护措施，不仅可以保证温度敏感元件电路具有很强的耐压性与抗腐蚀性，同时具有较快的温度传导响应特性。CPLD译码电路与多路开关电路用来完成温度梯度检测过程中温度检测点的切换。其中，CPLD选用通过编程可实现100路输入输出端口定义的EPM1270T144C5；多路开关电路选用ANALOG公司生产的32路译码开关电路ADG732。

图2　温度采集电路结构框图

图3　温度敏感元件电路图

为了实现对多点温度梯度的自动检测，在传感器生产过程中通过编程预先将CPLD译码电路被定义为单路输入、多路输出的工作模式，各输出端分别与各恒流源电路使能端（高电平有效）相连；多路开关电路各输入端则分别与温度敏感元件电路输出端相接，输出端通过调理电路连接到单片机外围A/D电路。传感器在工作过程中，选取MSP430单片机1组I/O口作为控制引脚，并行输出8位控制字，与控制引脚相连的CPLD译码电路和多路开关电路将根据单片机发出的编码命令处于相应工作状态，即被选中的CPLD译码电路输出端处于高电平（其余所有输出端口保持高阻态），与输出高电平端口相接的温度敏感元件电路被激活，恒流源输出电流并使Pt100热敏电阻处于测温状态；同时，与该路相连的多路开关电路输入端将被导通（其余输入端处于关断状态），检测到的电压由调理电路放大后进入A/D转换电路处理。

1.3单片机数据处理模块

单片机数据处理模块完成现场温度数据的采集与处理任务。模块选用MSP430F1611作为CPU，除通过数据采集程序完成温度梯度检测过程中的检测点切换任务外，还控制数据传输与通信模块完成现场采集数据的远程传输以及与上位机的通信任务。

数据处理模块系统外扩了自校准16 bit模数转换器ADS1100实现对温度电压信号的模数转换。通过可兼容的I2C串口，ADS1100与MSP430进行数据通信。在单周期转换方式中，ADS1100在一次转换之后自动掉电，在空闲期间处于微电流状态，可以达到低功耗运行的目的。

实时时钟电路SD2200完成整个温度检测过程的时间协调。SD卡存储电路由文件管理芯片CH376S以及SD卡基本电路组成，通过CH376S完成对SD卡中数据的存储与调用操作。

1.4数据传输与通信模块的选型

本系统选用了北京阿尔泰公司的A-GPRS1090I数传模块实现温度梯度现场检测数据的远程实时调用与自动定时发送。模块内嵌有TCP/IP协议栈，可采用动态域名或固定IP地址访问，通信时与MSP430单片机通过RS232串口连接，在单片机程序控制下完成数据的透明传输。

2　高精度冻土层温度梯度自动检测系统软件设计

高精度冻土层温度梯度自动检测系统现场数据采集处理软件采用C语言编写完成。数据采集过程中系统采用了低功耗工作模式，初始化时可以根据检测现场实际需求，通过软件控制实时时钟芯片SD2200来设定温度采集的频次与采集时间。系统上电完成初始化后，CPU进入休眠模式，当到达设定的采集时间时，时钟芯片SD2200向MSP430单片机发出中断指令，MSP430单片机响应中断后，控制温度传感器采集温度数据，通过软件算法将采集到的电压信号转换为相应的温度值，存入SD卡中，并启动GPRS模块，将获取的数据发回上位管理微机，通信完成后系统又进入休眠模式，准备下一轮的数据采集与传送过程。温度数据采集处理程序流程如图4所示。

高精度冻土温度检测系统的上位管理微机可以接收分布在不同地点的温度检测传感器采集到的数据，并在同一个监测界面上显示处理结果。图5所示为采用面向对象的C#程序设计语言编写的上位管理微机监测界面。上位管理微机可完成对现场温度检测传感器及控制电路的操作，包括数据的接收与控制命令的发送、对接收到的温度采集数据可进行存储、历史数据显示及结果分析的功能，并可以实现串口通信、通信端口配置、IP地址选择、上线监控、生成Word报表等功能。

图4　温度数据采集处理程序流程图

图5　上位管理微机数据管理界面

3　温度梯度检测系统模拟仿真实验与数据分析

我们使用高低温试验箱ELS-10KA模拟工程现场低温环境，对高精度冻土层温度梯度自动检测系统的性能进行了模拟验证试验。

ELS-10KA高低温试验箱可以在-70℃～150℃温度范围内实现温度值的连续可调的功能。我们将图1所示温度检测传感器放置在试验箱内进行了数据的动态采集试验。在模拟仿真试验过程中，采用了4种不同的计量仪器同步对试验箱内温度数据进行采集记录。这4种仪器分别为：WNG-11高精度水银温度计（量程-30℃～20℃，分辨率为0.1℃，误差≤0.1℃），DS18B20温度传感器（误差<0.5℃），LCD-280高精度数显温度计（误差≤0.2℃）以及图1所示温度检测传感器，以精度最高的WNG-11高精度水银温度计测试结果作为温度基准，对检测数据进行比对。

实验开始前，温度检测传感器通电预热，调节高低温试验箱温控器达预设温度，关闭试验箱挡板，减少试验箱与外界热交换，保证实验环境温度稳定，等待10 min后开始测量。采集温度数据时保持每个温度检测点达10 min，保证传感器温度能接近设定的环境温度，1 min内采集100组数据，并储存每个测量温度点实测温度值。为减小测量误差，对所测数据求平均值，作为此温度采集点的最终检测值。表1为传感器单点温度采集模拟实验记录数据。

以WNG-11高精度水银温度计测试结果作为温度基准进行比对，从表1第2列测试结果可以看出，在-30℃～20℃的温度范围内，冻土温度检测系统温度实测值的最小误差为0.021℃，最大误差不超过0.159℃，较之于DS18B20及数显温度计等常用温度传感器，其测量值准确度有较大提升。

由于受A/D转换器ADS1100的转换位数及其基准电压的限制，使得某些误差绝对值反复出现，根据分析其出现的规律后，我们利用软件算法对原始测量数据采用二次多项式拟合进行了优化处理。处理方法如下：

根据Pt100电阻与温度关系，引入拟合曲线方程通式［6-14］：

实际拟合方程为：

式（2）中T为温度值（℃），R为Pt100电阻值（Ω），a，b，c为常数。

选择表1第2列温度检测系统实测R-T数据代入式（2），实际拟合方程为：

获得拟合曲线如图6所示。

表1　单个温度采集点对比模拟实验数据单位：℃

图6　冻土温度检测系统数据散点图与拟合曲线图

使用温度拟合方程（3）对检测结果进行修正，可获得表2所示修正数据。

表2　单个温度采集点对比模拟实验修正数据表单位：℃

在冻土温度检测系统测量范围内，冻土温度梯度检测系统测量温度值与Pt100电阻值符合较好的线性关系。通过对表1，表2数据的对比可以看出，经过优化处理后提高了温度检测结果的精度，冻土温度梯度检测系统温度实测值与标准值之间误差小于等于0.1℃，可以满足工程检测现场对冻土温度检测精度的要求。

传感器于2015年1月6日安装于内蒙古包头市画匠营子水文站，并进行为期2个月的现场试验。安装位置位于距离河岸30 m处，空气温度数据选取距土壤层表面20 cm处空气温度值，土壤温度选取土壤层表面下方50 cm处温度值。从图7可以看出，冻土层内部温度变化趋势与空气温度变化基本一致。由于空气层热交换现象明显，空气温度变化范围大；冻土层夜间表土冻结，下层的水汽向表面移动并凝结，增加了表土含水量，降低土壤层热交换频率，所以土壤温度变化范围较小。

图7　2015年1月6日到2月16日温度采集点数据

4　结论

本文所设计的高精度低功耗冻土层温度梯度自动检测系统具有精度高、功耗低的特点，适应和满足了在高海拔地区寒冷环境下对冻土层温度梯度测量的工程需求。采用的多点温度梯度设计方案在很大程度上降低了对冻土层温度梯度的检测成本，提高了冻土温度梯度检测的可靠性与检测效率，为冻土层内部温度梯度的自动检测提供了一种可行的技术手段。

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左广宇（1990-），男，汉族，山西省太原市人，太原理工大学，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置、传感器检测技术等，zuoguangyu529@163.com；

秦建敏（1951-），男，山西省静乐县人，太原理工大学，工学博士，教授，博士生导师，主要研究方向为检测技术与自动化装置、冰水情信息自动化检测技术等，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

项目来源：国家自然科学基金项目（51279122）；国家自然科学基金青年科学基金项目（51205273）；水利部公益性行业专项经费项目（1261530110110）；中俄国际合作项目（51511130042）

2015-05-26修改日期：2015-06-30