河工模型温排水试验多通道温度采集系统的研制及应用

万浩平，杨 楠，李昌垣

(江西省水利科学研究院， 江西 南昌 330029)

电厂温排水模型试验作为一类特殊的河工模型试验[1]，主要目的是优化工程设计中取排水口工程布置，预报取水温升，判断受纳水域冷却能力。模型试验过程中，需实时监测取排水口附近表层温水扩散的温度场、特征流量的垂线温升分布。按传统方式测量，测量的温度存在一定的时差、测量精度较低，且测点较多时，需架设大量的测桥及线缆，工作量较大，已不能满足实际测量需求。河海大学的杨海燕在温排水模型试验中，采用红外热象仪进行表层温度测量[2]。北京师范大学的颜钰采用美国HOBO公司生产的UTBI-001水下温度采集器进行水温观测[3]。中国海洋大学的苗庆生采用自记小型CTD，实测象山港电温排水表层到底层的温度[4]。天津水运工程科学研究所的王海申采用荷兰Smartec高精度数字输出温度传感器，钛合金外壳封装，并通过AD转换模块和处理器模块，用于取排水口温度场的测量[5]。长江科学院的吴新生采用美国DALLAS公司的DS18B20总线制数字化温度传感器，通过LTM8002总线模块，来测量发电厂取排水口附近表层温水扩散的温度场。上述这些测温设备或不能对水下温度进行测量，或水下测点过多时测量费用较高。王海申[5]采用数字化温度传感器进行水体温度测量，但均需对传感器进行金属封装，影响测量的实时性及准确度。因此很有必要根据模型试验的需求，研制开发出一套结构简单、价格低廉且操作方便的多通道温度采集系统[6-10]。为实现大面积水下温度的实时观测，本文设计了一种长条式多测点温度传感器，传感器经特殊加工工艺，表面覆盖抗铜氧化且具有良好防水的涂覆层。多根温度传感器连接到数据采集模块，通过AD转换，即可在上位机采集软件中实时显示存储各观测点温度。现场应用中，采用该系统对模型入口水流及扩散范围进行连续温度观测，系统操作便捷，测量数据稳定、可靠，能够满足试验的实际需求，且大大提高了试验的工作效率。系统的研制应用可为温排水物理模型试验研究优化工程设计、环境影响评价提供了良好的技术支撑。

1 温度采集系统

多通道温度采集系统主要由温度传感器、数字化温度采集模块以及上位机数据显示存储软件组成。系统下接8根温度传感器，每根温度传感器带有8个温度探头，总共可实现64个测点的温度实时采集。系统构建示意图如图1所示。

图1温度采集系统构建示意图

1.1 温度传感器

当前国内使用的测温芯片较多，常见的有DS18B20,TM35,TM36等等。本文采用当前使用最普遍的DS18B20芯片作为组建温度传感器的元件。

1.1.1 DS18B20简介

DS18B20是常用的数字温度传感器，是美国Dallas公司生产的单总线器件，具有体积小，价格低廉，抗干扰能力强，精度高等特点[11]。DS18B20集温度转换、A/D转换于一体，测量范围宽(-55℃～125℃)，精度高(±0.5℃)。DS18B20数字温度传感器接线方便，将温度转换为数字信号输出，仅需占用一位I/O端口，可以单片机直接连接。利用其单总线特性，可在一根总线上挂接多个DS18B20来组建测温系统[12]。

系统采用TO-92封装的DS18B20，其示意图如图2所示。

图2 DS18B20 TO-92封装

TO-92封装的DS18B20芯片各管脚定义如表1所示。

表1 DS18B20管脚定义

DS18B20有两种电路连接方式，分别为外部供电模式以及“寄生电源模式”(寄生电源模式工作时，通过DQ引脚从储能电容中释放能量供给元件工作使用。当DS18B20工作在寄生电源模式时，VDD引脚必须接地)。

本系统采用的是外部供电模式下的多只DS18B20芯片连接，如图3所示。

这里需要说明的是，通过单片机IO口去控制多片DS18B20芯片时，需在控线端连接一个上拉电阻，电阻值取4.7K。每片DS18B20都有唯一的序列号，单片机通过读取总线上每个元件的序列号，来识别和记录总线上每个DS18B20元件的地址。

1.1.2 温度传感器

实际应用中，需将DS18B20芯片不锈钢封装后，才可用于水体的温度测量。考虑到不锈钢封装后，DS18B20感温窗口易与封装材料接触不贴合，温度传导具有一定的延时性且会影响测量精度，造成测量的温度存在一定的偏差。本测量系统不对DS18B20元件进行不锈钢封装，而是采用绝缘漆涂抹覆盖芯片管脚进行防水处理。传感器结构如图4所示。

图3外部供电模式下多只DS18B20电路连接图

图4传感器结构图

为实现多点温度测量，设计了图4所示的温度传感器。图4为8测点温度传感器PCB制板结构图，由protel99se软件绘制而成。将图4所示温度传感器PCB文件经专业PCB制板加工，可得到温度传感器PCB电路板。在PCB电路板元件焊接点分别焊接三芯插头、0805封装4.7K贴片电阻、封装为TO-92的DS18B20芯片(焊接时需注意管脚的插放位置)。

图4所示单根温度传感器全长550 mm，每个DS18B20测点间隔50 mm，单根传感器总共布有8个DS18B20测点，可分别实时观测水面及水下不同水深处的温度。

试验过程中，DS18B20测点需放置于模型水体中，由于水是导体，易使VCC脚与GND脚短路，造成DS18B20芯片烧坏。因此需对温度传感器进行特殊绝缘处理。用绝缘漆涂抹覆盖DS18B20直插元件各管脚以及PCB电路板布线处。DS18B20上部平整光滑的弧形面为感温窗口，此处严禁用绝缘漆涂抹覆盖，否则易造成温度测量不准确。

实际应用中，可改变单根温度传感器测点数以及各测点间隔，以满足不同温排水模型试验的实际需求。

1.1.3 温度传感器率定

温度传感器制作完毕后，需对传感器上的DS18B20测点进行率定。将传感器放置于恒温水箱内，从5℃开始对水箱进行升温，每升高10℃，水温稳定后，每5 s采集一次水体温度，并取1 min内采集温度的平均值。

实时记录下水温从5℃增加55℃过程中，传感器上每个测点的温度，采用线性回归法分析，可得到每个测点的R均方值均为0.999或1.000，且与标准温度计相比精度均满足±0.5℃，表明此批DS18B20芯片能够满足实际测温精度要求。

1.2 数据采集模块

鉴于市场上已有较多应用成熟的温度数据采集模块[13-15]，为加快系统的组建进度，不再进行单片机开发，直接选用一款较成熟的温度数据采集模块STA-D DS18B20。STA-D DS18B20是北京赛亿凌科技有限公司生产的一款专用的温度数据采集模块，工作电源为DC12V～30V，通讯方式为RS485，系统采用DC24V直流电源供电。模块共有8个采集通道，每通道最多可连接16片DS18B20元件，总共可实现对128个测点的温度实时测量，模块与传感器之间电源与数据连接线的最大距离为200 m。模块结构图如图5所示。

图5数据采集模块结构图

图5中，电源正极接模块“VS+”端子，电源地接模块“GND”端子。模块“DATA+”、“DATA-”端子分别连接RS485接收数据A端，接收数据B端。当采用485转232转换器时，模块与转换器之间的连线需采用双绞线，且最大支持1 000 m。模块“DQ1”～“DQ8”端子分别连接传感器数据传输端(图4传感器端子排IO口)。

模块中间设有电源显示灯、通讯显示灯。模块上电后，正常情况下电源灯会亮，通讯灯为熄灭，当模块搜寻完所有的传感器后，通讯灯会变为闪烁状态(连接的DS18b20越多，闪烁的频率越慢，反之越快)，表明模块与传感器之间正在正常交换传输数据。

1.3 数据采集存储软件

软件可根据实际需要，对传感器各测点进行手动及自动编号。试验过程中，软件界面上实时显示各测点温度数据，同时软件带有通道选项，点击各通道数值，可显示该通道所连接的测点的实时温度数据。且为了方便试验后对数据进行分析处理，软件带有定时存盘功能，可定时将所有测点温度数据存盘。图6为显示的通道8温度数据。

图6温度采集示意图

2 系统应用

系统开发完毕后，需首先验证所有传感器的可靠性及准确性。将传感器放置于恒温水箱内，调节水箱温度从5℃增加到30℃，实时记录下传感器上各探头温度，表2为8#传感器1号—8号温度探头实时观测数据。

表2 8#传感器温度测量结果

从表1可以明显看出，8#传感器1号—8号探头温度测量数据稳定、可靠，测量温度在误差允许范围之内。按照上述方法，对每根传感器均进行检测，实验证明温度采集系统中的8根传感器测量温度均在误差允许范围内，可以应用于模型现场观测。

结合试验的实际需求，将上述温度传感器分别布置于模型取排水口附近以及特征流量的垂线处。在采集软件中设置每分钟实时采集一次温度，并将采集的数据实时存盘。图7为排水口某监测点的温升过程线。

从图7排水口温升过程线可以看出，排水最大温升为7.4℃，平均温升为6.5℃。在上述温排水物理模型试验应用中，系统操作简单、测量精准可靠，且基本可以应用于任意条件状况下。可见，采用该系统进行实时温度观测是可行的。

图7排水口温升过程线

3 结 论

本文研究开发出一套多通道温度采集系统。系统采集传感器由PCB封装制板而成，且除感温窗口外，测温芯片及传感器均采用绝缘漆封装工艺，保证测温探头与水体的完整接触，避免了其它金属封装所造成的测量延迟及精度影响。数据采集存储软件实时采集存储各测点温度数据，且可根据试验需求，在1 s～60 s内任意选择温度采集间隔。整套系统可实现水域表层及水下不同深度64个测点的温度实时观测。系统构建简单、价格低廉，操作方便，且可以根据不同温排水模型试验的实际需求，改变温度测点的数量及测点在水下的间隔距离。系统的成功应用，大大方便了温排水模型试验中温度场的实时观测，通过与其它监测数据(如浓度场扩散数据)的相互补充，可以评估温排水影响范围，进而为电厂取、排水口布置及环境影响评价提供依据。