CN110567604A - 一种高精度海冰温度链及其测温方法 - Google Patents

一种高精度海冰温度链及其测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度海冰温度链，属于极地监测技术领域。温度链由主机和多个从机组成，主机用于读取整条温度链的数据并与外界进行数据交互，从机用于采集和上传温度数据，主机和从机之间采用RS485总线通讯方式。每个单点铂电阻温度测量单元都采用软件校正，单点测温误差不超过0.0069℃。该温度链对低温环境下多点同时测温整体可靠性较高，适用于在极地环境下对冰川或海冰的温度场进行垂直剖面检测，也可用于土壤环境温度场监测等。

Description

一种高精度海冰温度链及其测温方法
技术领域
本发明涉及自动化监测领域，尤其涉及一种高精度极地海冰温度链及其测温方法，主要应用在极地海冰温度场监测领域。
背景技术
极地作为地球上最大冷源，其冰盖或海冰热力学的变化对全球大气环流、气候变化和海平面变化有极大影响，极地浅层冰盖和海冰温度场的变化直接反映了温度变化与极地冰雪热动力学直接相关，是研究全球气候变化的指示剂，所以极地冰雪多点连续温度场的精确检测非常重要。
常见的电学测温主要有热敏电阻、热电偶和半导体等方法。其中热敏电阻的阻值与温度关系的非线性误差较大，元件的一致性差，易老化不稳定，且绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃的测温范围。热电偶的测量温度范围广，但是精度低。半导体测温受温漂影响较大，尤其在低温下精度会大幅度下降，并不适合在极地极低温环境中使用。在多点测温系统中，通常使用DS18B20或DS28EA00温度传感器，这类温度传感器具有的64位序列号是自己唯一的地址，可以很容易的实现一根总线上链接多个温度传感器，但最高测量精度仅为0.5℃，不适用于极地冰盖温度场的高精度观测。
目前，国内大连理工大学的李志军教授曾设计了用于观测海冰温度场的多点温度观测装置。每个层位的测温铂电阻需一根独立的信号线缆直接与数据采集盒连接。不足之处是随测量层位的增多，会导致导线越多。国外，苏格兰海洋协会开发了基于半导体温度传感器DS28EA00的多点测温的温度链，不足之处是最高分辨率仅为0.0625℃。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种高精度海冰温度链及其测温方法。
本发明一种高精度海冰温度链，包括：多个串联的从机、主机、柔性电路板、含胶热缩管、铱星无线传输模块及大容量蓄电池；多个从机设置于柔性电路板，以实现所述从机之间的相互连接；主机连接其中一个从机；铱星无线传输模块连接主机，含胶热缩管包覆于柔性电路板外部；从机、主机、柔性电路板及铱星无线传输模块分别连接大容量蓄电池进行供电；
其中，从机包括依序连接的铂电阻、信号调理电路、高精度模数转换芯片、低功耗单片机及串口电平转换芯片，用于精确测量当前温度点的温度，在接收到所述主机发送的指令后退出休眠，判断解析指令内容，按照指令内容进行处理并回复消息；
主机包括单片机、SD存储卡模块、显示屏、串口电平转换芯片及高精度实时时钟芯片均连接至单片机，主机根据接收的指令执行相应的命令，并把必要的消息传达给相应的从机；
含胶热缩管将所述柔性电路板内套，进行一次热缩，将热缩完成的半成品再次套入所述热缩管，共热缩两层，以增强温度链的机械强度和抗海水腐蚀能力；
铱星无线通讯模块定期将存储的数据结果发送到国内岸基服务器。
其中，主机的单片机选用STC15W4K56S4，主频30MHz，具有四个串口；高精度实时时钟芯片用于为主机提供实时时钟时间， SD存储卡模块用于实时存储温度链的所有温度、系统时间数据；显示屏用于实时显示温度链温度值、系统电压、测试时间参数，方便在需要时直接读取数据；串口电平转换芯片采用具有1/8负载阻抗的MAX1483ESA芯片，通讯传输距离为1.2km，数据传输速率高达2.5Mbps，以满足千米级温度链的需求。
从机的低功耗单片机主控芯片为MSP430G2553单片机，正常运行程序时主频设置为1 MHz、2.2 v供电情况下电流为230μA，待机模式下电流为0.5μA，从待机模式中唤醒的时间小于1μs，高精度模数转换芯片用于计算温度链测点的温度值，铂电阻测温的敏感元件，其中，铂电阻为Pt1000铂电阻，作为敏感元件进行精确的单点温度测量。
其中，柔性电路板上布有4根线分别用于供电和通讯，通过提前预留的焊盘将从机与柔性电路板焊接到一起。
其中，温度链采用RS485通讯方式，各个从机只能与主机进行通讯。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度海冰温度链的测温方法，使用如前述技术方案的高精度海冰温度链进行测温，测温方法包括：主机开通向从机供电的电源，稳定1s后发出广播测温指令，收到该指令后所有的从机立即同时测取温度；主机与从机逐个通讯，从地址为0的从机开始，逐个读出从机测取的温度值，到最后一个地址为n的从机结束，n为系统中的从机个数减1；读取结束后，主机关断对从机的供电电源；主机读取此时实时时钟时间和系统电压，将时间、电压和所有温度值保存至EXCEL表的一行中；当安装显示屏显示“是”，主机会控制显示屏显示EXCEL中的温度数据，然后主机进入休眠低功耗状态；按照定时需求，重复前述步骤，实现温度场的自动测量；应用铱星无线通讯模块定期将存储的数据结果发送到国内岸基服务器。
区别于现有技术，本发明的一种高精度海冰温度链及其测温方法不仅具有较高测量精度、较低的功耗，而且使用RS485总线通讯的方式，理论上可以链接数百个温度传感器，每个传感器均具有各自可以更改的16位地址。测温单元测温范围为-100~100℃，理论分辨率为0.00033℃，使用电阻箱实测其最大测量误差为0.0069℃。采用的24位模数转换芯片模数S1232，用其直接测量电桥输出电压与电桥输入电压比值的方法，使测量精度不受外部供电电压波动的影响。通过温度补偿，降低了桥臂电阻精度和模数S1232模数转换精度影响。经过实验室低温柜低温实验表明温度链在-70℃的环境下可以正常工作，工作范围和精度已超过一般半导体温度传感器，适用于在极地环境下对冰川冰雪的温度场剖面检测。
附图说明
图1是本发明提供的一种高精度海冰温度链整体结构示意图；
图2是本发明提供的一种高精度海冰温度链从机结构示意图；
图3是本发明提供的一种高精度海冰温度链主机结构示意图；
图4是本发明提供的一种高精度海冰温度链的测温方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的一种高精度海冰温度链整体结构示意图。其目的是提高极地冰盖低温环境下温度测量的精度，为极地环境下冰川冰雪温度场剖面检测提供可靠的数据支持。
本发明所涉及的温度链包括从机1、主机2、柔性电路板3、含胶热缩管4、铱星无线传输模块5及大容量蓄电池16。主机2由单片机11、SD存储卡模块12、显示屏13、串口电平转换芯片14、高精度实时时钟芯片15、大容量蓄电池16连接至主机2进行供电；从机1由铂电阻6、信号调理电路7、高精度模数转换芯片8、低功耗单片机9、串口电平转换芯片10组成，单片机9是从机1的核心，它负责信息的交互、温度数据的读取与计算；
铂电阻测温工作原理为：铂金属材料在不同的温度下电导率不同，铂丝的电导率与温度之间成正比的关系，其测量的温度范围在-200~600℃；Pt1000温度传感器具有抗振动、稳定、测温精度高、耐高压、寿命较长等优点；从机1之间的链接采用柔性电路板3，柔性电路板3上仅布有4根线分别用于供电和通讯，通过提前预留的焊盘将从机1与柔性电路板3焊接到一起。这样的设计方式使温度链既可以弯曲有一定的柔韧性还可以抗拒一定的外力影响。
本发明所涉及的温度链中从机1为PCB长度25mm、宽度17mm、厚度0.4mm或0.8mm的硬质电路板。从机1的硬质PCB电路板长度为2.5 cm，考虑到柔性电路板3有足够的弯曲空间，所以各个温度点之间的最小间距设定为3 cm。温度链经过防水处理后，宽度为22 mm。
测量时主机2开通向从机1供电的大容量蓄电池16，稳定1s后发出广播测温指令，收到该指令后所有的从机1立即同测取温度；主机2与从机1逐个通讯，从地址为0的从机1开始，逐个读出从机1测取的温度值，到最后一个地址为n的从机1结束，n为系统中的从机1个数减1，读取结束后，主机2关断对从机1的供电电源16；主机2读取此时实时时钟时间和系统电压，将时间、电压和所有温度值保存至EXCEL表的一行中。当安装显示屏显示“是”，主机2会控制显示屏显示EXCEL中的温度数据。然后主机进入休眠低功耗状态；按照定时需求，重复前述步骤，实现温度场自动测量；应用铱星无线通讯模块5，定期将存储的数据结果发送到国内岸基服务器，实现极地海冰自动化多参数的远程监测。克服了现有测温技术测量精度低的缺点，从而公开一种主要应用在极地科考领域的高精度海冰温度链。
使用这种通讯结构，总线中的主机发送指令，所有的从机均能收到指令，因此主机可以进行广播通讯，发出指令使所有的从机在同一时刻采集温度，主机再分别在所述从机处逐一读取回温度数据。采用这种方式可以保证温度链能同时采得所有温度点的温度值。
本发明一种高精度海冰温度链。每个单点铂电阻温度测量单元都采用软件校正，单点测温误差不超过0.0069℃。该温度链对低温环境下多点同时测温整体可靠性较高，适用于在极地环境下对冰川冰雪的温度场剖面检测。
本发明一种高精度海冰温度链，适用于冰层或冰水层温度场测量。安装时，选定观测点，在冰面钻取一冰洞，把温度链100垂直插入冰洞并要用一个横杆把传感器架住，以免从冰洞掉下。温度链主机2安装在仪器箱内，仪器箱壳装有航空插头用连通内外，仪器箱内装有大容量蓄电池16，为整套系统提供电源。
图4是本发明提供的一种高精度海冰温度链测温的流程示意图。该 方法的步骤包括：
S110：主机2开通向从机1供电的大容量蓄电池电源16，稳定1s后 发出广播测温指令，收到该指令后所有的从机1立即同时测取温度。
在本实施方式中，从机1主要任务是精确测量当前温度点的温度，当没有任务时处于待机休眠状态，接收到主机2发送的指令就立刻退出休眠，判断要执行的任务，即刻进行处理并回复消息。
S120：主机2与从机1逐个通讯，从地址为0的从机1开始，逐个读出从机1测取的温度值，到最后一个地址为n的从机1结束，n为系统中的从机1个数减1。读取结束后，主机2关断对从机1的供电电源16。
在本实施方式中，从机1电路主要考虑的是测温精度高，体积小，功耗低，方便集成至柔性电路板3，为减小从机1体积，模数转换芯片8 模数S1232使用内部振荡器。由于模数模块与铂电阻6距离极短，线路电阻可以忽略，所以信号调理电路7使用非平衡电桥法，可以获取较高精度的铂电阻阻值。
S130：主机2读取此时实时时钟时间和系统电压，将时间、电压和所有温度值保存至EXCEL表的一行中。当安装显示屏显示“是”，主机2会控制显示屏显示EXCEL中的温度数据。然后主机2进入休眠低功耗状态。
S140：按照定时需求，重复步骤一、步骤二和步骤三，实现温度场的自动测量。
S150：应用铱星无线通讯模块5，定期将存储的数据结果发送到国内岸基服务器。
温度链100采用RS485通讯方式，一主多从的通讯结构，即各个从机1只能与主机2进行通讯，从机1之间不能通讯。使用这种通讯结构，总线中的主机2发送指令，所有的从机1均能收到指令，因此主机2可以进行广播通讯，发出指令使所有的从机1在同一时刻采集温度，主机2再分别在从机1处逐一读取回温度数据。采用这种方式可以保证温度链100能同时采得所有温度点的温度值。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种高精度海冰温度链，其特征在于，包括：多个串联的从机（1）、主机(2)、柔性电路板(3)、含胶热缩管(4)、铱星无线传输模块(5)及大容量蓄电池(6)；所述多个从机(1)与主机（2焊接在柔性电路板（3）上，以实现所述从机（1）之间的相互连接；所述主机（2）连接与其最近的第一个从机；所述铱星无线传输模块（3）连接所述主机（2），所述含胶热缩管（4）包覆于所述柔性电路板（3）外部；所述从机（1）、主机（2）、柔性电路板（3）及铱星无线传输模块（5）均连接到大容量蓄电池（16）来供电；
其中，所述每一从机（1）包括依序连接的铂电阻（6）、信号调理电路（7）、高精度模数转换芯片（8）、低功耗单片机（9）及串口电平转换芯片（10），用于精确测量当前温度点的温度，在接收到主机（2）发送的指令后退出休眠，判断解析指令内容，按照指令内容进行处理并回复消息；
所述主机（2）包括单片机（11）、SD存储卡模块（12）、显示屏（13）、串口电平转换芯片（14）及高精度实时时钟芯片（15），SD存储卡模块（12）、显示屏（13）、串口电平转换芯片（14）及高精度实时时钟芯片（15）均连接至单片机（11），所述主机（2）根据接收的指令执行相应的命令，并把必要的消息传达给相应的所述从机（1）；
所述含胶热缩管（4）将所述柔性电路板（3）内套，进行一次热缩，将热缩完成的半成品再次套入所述热缩管（4），共热缩两层，以增强所述温度链的机械强度和抗腐蚀能力；
所述铱星无线通讯模块（5）定期将存储的数据结果发送到国内岸基服务器。
2.根据权利要求1所述的高精度海冰温度链，其特征在于，所述主机（2）的单片机选用STC15W4K56S4，主频30MHz，具有四个串口；所述高精度实时时钟芯片（15）用于为所述主机（2）提供实时时钟时间，所述SD存储卡模块（12）用于实时存储所述温度链的温度、系统时间数据；所述显示屏（13）用于实时显示所述温度链温度值、系统电压、测试时间参数，以便在需要时直接读取数据；所述串口电平转换芯片（14）采用具有1/8负载阻抗的MAX1483ESA芯片，通讯传输距离为1.2km，数据传输速率达2.5Mbps，能够满足千米级温度链的需求。
3.根据权利要求1所述的高精度海冰温度链，其特征在于，所述从机（1）的低功耗单片机主控芯片为MSP430G2553单片机，正常运行时主频设置为1 MHz、2.2 V供电情况下电流为230μA，待机模式下电流为0.5μA，从待机模式中唤醒时间小于1μs；所述高精度模数转换芯片用于计算所述温度链测点的温度值，所述铂电阻为用于测温的敏感元件。
4.根据权利要求1所述的高精度海冰温度链，其特征在于，所述铂电阻为Pt1000铂电阻，作为敏感元件进行精确的单点温度测量。
5.根据权利要求1所述的高精度海冰温度链，其特征在于，所述柔性电路板上布有4根线分别用于供电和通讯，通过提前预留的焊盘将所述从机与所述柔性电路板焊接到一起。
6.根据权利要求1所述的高精度海冰温度链，其特征在于，所述温度链各从机之间采用RS485通讯方式，各个所述从机与所述主机进行通讯。
7.一种高精度海冰温度链测温方法，使用如权利要求1-6任意一项所述的的高精度海冰温度链进行测温，其特征在于，包括：
主机开通向从机供电的电源，稳定1s后发出广播测温指令，收到该指令后所有的从机立即同时测量温度；
对所有从机按排列顺序，赋予从0-n的编号，主机与从机逐个通讯，从地址为0的从机开始，逐个读出从机测取的温度值，到最后一个地址为n的从机结束；其中，设定从机个数为n+1；
读取结束后，主机关断对从机的供电电源；主机读取此时实时时钟时间和系统电压，将时间、电压和所有温度值保存至EXCEL表的一行中；
当安装显示屏显示“是”，主机控制显示屏显示EXCEL中的温度数据，然后主机进入休眠低功耗状态；
按照定时需求，重复前述步骤，实现温度场的自动测量；主机通过铱星无线通讯模块定期将存储的数据结果发送到国内岸基服务器。
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