插管式多層地溫測量傳感器設(shè)計(jì)

陳 濤， 冶林茂， 陳海波， 韓振宇， 李 鵬， 張振強(qiáng)

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州 450003)

0 引 言

目前，對于地溫的觀測，多采用DS18B20溫度傳感器[1]或者直接地埋多只Pt電阻器[2]，實(shí)現(xiàn)不同土層土壤溫度的測量，通過比較，DS18B20測溫精度低于Pt電阻器，而且存在比較大的溫度延時(shí)，而直接地埋多只Pt電阻器的方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，它的直接填埋法，使后期的維護(hù)維修極為不便，必須進(jìn)行開挖才能進(jìn)行維修。本文介紹一種插管式地溫測量方法，該方法采用四線制Pt電阻器[3]，與目前的測量方法具有相同的精度，但其最大的特點(diǎn)在于維護(hù)簡便，便于后期標(biāo)定。

1 測溫原理和測溫電路

通過研究發(fā)現(xiàn)， Pt的阻值隨溫度的變化而變化，并具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用Pt的此種物理特性可制成Pt熱敏電阻器，通常使用的Pt電阻器零度阻值為100 Ω，電阻變化率為1.3851Ω/ ℃。這種傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用[4]。

Pt電阻器測溫，從接線方式上分為二線制、三線制和四線制，二線制和三線制具有引線誤差，且無法消除[2]，從提高精度考慮，本文采用四線制[3]Pt100，利用AD7793內(nèi)部恒流源結(jié)合一個(gè)高精度電阻器，實(shí)現(xiàn)電壓比值等于電阻比值，從而計(jì)算出當(dāng)前Pt電阻器的阻值，具體電路如圖1。

圖1 溫度測量電路

圖1中，AD7793內(nèi)部恒流源通過IOUT1引腳輸出210 μA電流，電流流經(jīng)Pt100和5.9 kΩ精密電阻器，而5.9 kΩ電阻器一端接地，一端接AD的參考端REFIN+，Pt100兩端分別接AD的AIN1+和AIN1-，設(shè)5.9 kΩ電阻器兩段電壓VR，電阻值為R，Pt電阻器兩段電壓VP，Pt電阻器當(dāng)前電阻值為RP，由歐姆定律可推出公式(1)成立

(1)

公式變形，推出公式(2)

(2)

式中VR為AD的參考電壓，VP為AD通道1測量的電壓值，因此,只須通過以上電路測量出AD通道1的電壓值。AD7793為24位AD，根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:該器件完全滿足測量需要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法

2.1 插管式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對比之前通用的填埋方式，本文采用插管式結(jié)構(gòu)。該方式采用一個(gè)下端密閉管套，緊密地插入在土壤中預(yù)先做好的孔洞中。傳感器芯材外徑與管套內(nèi)徑相同，可以插入管套中。傳感器芯材為2片裝，通過卡槽可以組裝成一根圓柱型芯材。在一片芯材上等間距開孔，放入Pt電阻器，孔的外部包裹導(dǎo)熱金屬片，Pt電阻器與金屬片緊密接觸，Pt電阻器引線通過芯材中心開槽引出至傳感器頂端。另一片芯材通過卡槽與前一片拼接，并壓住引線。至此，組裝成一根圓柱型芯材，引線從頂部取出，測量時(shí)插入預(yù)置好的管套中，維修時(shí)把傳感器拔出，打開拼接的芯材，即可維修相應(yīng)的Pt電阻器。

2.2 多路切換測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1中顯示的電路為單個(gè)Pt電阻器測量的電路，如果需要測量多只Pt電阻器就需要設(shè)計(jì)多路切換電路。在這里使用4051單路8選1模擬電子開關(guān)和4052雙路4選1模擬電子開關(guān)，兩者配合使用，實(shí)現(xiàn)多路切換電路。電路圖如圖2。

測量Pt電阻器1時(shí)，D2(4051)選中Y0通道，從D2的COM輸出，形成恒流源從AD7793的IOUT1經(jīng)Pt電阻器1，通過D2的COM口輸出，經(jīng)精密電阻器后接地，形成回路，而D1(4052)選中1Y0和2Y0經(jīng)D1的COM1和COM2分別接入AD7793的AIN1+和AIN1-，實(shí)現(xiàn)Pt電阻器1兩端電壓的測量。

圖2 多路切換電路

測量Pt電阻器2時(shí)，D2(4051)選中Y1通道，從D2的COM輸出，形成恒流源從AD7793的IOUT1經(jīng)Pt電阻器2，通過D2的COM口輸出，經(jīng)精密電阻器后接地，形成回路，而D1(4052)選中1Y1和2Y1經(jīng)D1的COM1和COM2接入AD7793的AIN1+和AIN1-，實(shí)現(xiàn)Pt電阻器2兩端電壓的測量。

根據(jù)需要，可以增加4051和4052的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)更多Pt電阻器的測量，在這里就不再詳細(xì)描述。

2.3 牛頓迭代法計(jì)算溫度值

利用Pt電阻器的阻值隨溫度變化而變化的特性，通過Pt電阻器阻值計(jì)算當(dāng)前溫度，按照IEC 751國際標(biāo)準(zhǔn)，Pt100(R0=100Ω)的電阻溫度系數(shù)(TCR)為0.003 851/℃。Pt電阻器的溫度—電阻曲線如圖3。

圖3 Pt電阻器溫度—電阻曲線

溫度—電阻特性對應(yīng)的計(jì)算方法如下[5]

-200

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3].

(3)

0

Rt=R0(1+At+Bt2).

(4)

其中,Rt表示Pt電阻器在t℃時(shí)的電阻值；R0表示Pt電阻器在0 ℃時(shí)的電阻值，采用Pt100，所以，R0=100 Ω，當(dāng)TCR=0.003 851/℃時(shí)，公式中A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。

通過測量原理可以計(jì)算出Pt電阻器的當(dāng)前電阻值Rt，通過上面的公式要得出當(dāng)前溫度t，則需要分別求出公式(3)一元四次方程的解和公式(4)一元二次方程的解，在這里采用牛頓迭代法[6]求解這2個(gè)方程的解，就可以得到當(dāng)前的溫度值。具體求解過程轉(zhuǎn)化為程序語言如下：

float RTOW(floatRt)

{

doubleA=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，

C=-4.183×10-12，T，T0；

u8i;

T0=(Rt/ 100-1) /A;

if(Rt>=18.52 &&Rt< 100) ∥-200 ℃～0 ℃

{

for(i=0 ;i< 50 ;i++)

{

if(fabs(T-T0) < 0.001)

{break ;}

else

{T0=T;}

}

}

else if(Rt>=100 &&Rt<=175.86) ∥0～200 ℃

{

for(i=0 ;i<50 ;i++)

{

(100(A+2BT0)) ;

if(fabs(T-T0) < 0.001)

{break ;}

else

{T0=T;}

}

}

else

{T=-1 000;}

returnT;

}

采用該程序通過電阻值計(jì)算溫度值與查表法對比，如表1。

通過對比表明:程序計(jì)算的溫度值與查表法得到的溫度值最大誤差在0.015 ℃以內(nèi)，完全滿足實(shí)際需要。

3 測試結(jié)果與分析

使用本文中的設(shè)計(jì)方案，研制出來的傳感器，其Pt電阻器測溫結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室對比結(jié)果見表2，通過對比表明，設(shè)備測量的溫度值和標(biāo)準(zhǔn)值之間最大誤差在0.2 ℃以內(nèi)，完全滿足目前氣象部門對地溫測量的實(shí)際需要。

表1 程序計(jì)算溫度與查表法溫度對比

表2 測量值與標(biāo)準(zhǔn)值對比

4 結(jié) 論

通過測試表明:采用四線制Pt電阻器、多路切換測量電路及牛頓迭代法計(jì)算溫度值的插管式多層地溫測量傳感器，其實(shí)際測量溫度值與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)值誤差在0.2 ℃以內(nèi)，能夠完全滿足當(dāng)前對地溫測量的業(yè)務(wù)要求(誤差在0.4 ℃以內(nèi))。本文中采用插管式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多層地溫測量傳感器，測量精度高、安裝使用方便、便于傳感器后期維護(hù)和檢定，需要注意的是該方式對結(jié)構(gòu)加工工藝要求較高，一旦得到合適尺寸，可以制作模具批量生產(chǎn)。綜上，基于四線制Pt電阻器的插管式多層地溫測量傳感器，設(shè)計(jì)合理、易于實(shí)現(xiàn)、便于維護(hù)。

參考文獻(xiàn):

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