投棄式溫深測量儀高精度測溫電路設計

雷卓，賀海靖，曲君樂，劉杰

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001)

投棄式溫深測量儀(expendable bathythermograph，XBT)是一種測量海水溫度剖面的儀器，每一次測量過程消耗一個測量探體，所以稱為投棄式或消耗式。與一般常見的船載式溫鹽深儀(CTD)相比，XBT具有方便、靈活和快速等優(yōu)點，適合于大面積海域的測量調(diào)查。XBT結(jié)構(gòu)如圖1所示，探體安裝在發(fā)射筒中，探體中搭載溫度傳感器，探體釋放入水后溫度傳感器開始測溫，測量數(shù)據(jù)通過上下線軸上纏繞的漆包線傳回甲板單元進行處理，并通過上位機顯示。

目前，美、日等國的XBT技術最成熟，已形成產(chǎn)品化。中國的XBT技術則剛起步，只有少數(shù)科研機構(gòu)處于研制階段，而且在溫度測量精度方面與國外產(chǎn)品存在較大差距［1］。本文設計的XBT系統(tǒng)使用熱敏電阻作為測溫元件，在用高性能低功耗的16位單片機和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心組建測溫電路，通過多點校準插值計算使系統(tǒng)測溫精度滿足要求。另外，針對XBT入水開始工作的特點，設計了可靠的入水觸發(fā)工作電路。

圖1 XBT探體及發(fā)射筒結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure illustration of XBT probe and launcher tube

1 測溫電路設計與校準

1.1 測溫電路設計

針對XBT探體在海水中下落速度較快的特點，本系統(tǒng)選用高精度、高分辨率的熱敏電阻作為測溫傳感器。熱敏電阻相對于其他溫度傳感器，具有響應速度快、體積小且精度高等優(yōu)點。如圖2所示熱敏電阻 RT，其測量精度為±0.1℃，分辨率為0.02℃，響應速度為0.2 s。

系統(tǒng)測溫電路采用16位超低功耗的MSP430單片機為主控制器，與其他單片機相比，其超低功耗的特點更適合本儀器在海上靈活應用。使用了24位Δ-∑型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)整體的精度及測溫分辨率起到至關重要的作用［2］。電路工作原理圖如圖2所示。

圖2 測溫電路工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of the temperature measurement circuit

熱敏電阻(RT)與其余3個固定電阻組成單元件變化電橋，RT阻值隨溫度的變化而變化，阻值變化引起電橋輸出電壓變化，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過SPI串行接口與單片機連接，單片機經(jīng)過RS485傳送至計算機實時顯示溫度測量值?；鶞孰妷耗K為電橋提供激勵并為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供參考電壓［3］。

AD模塊的參數(shù)設置中，轉(zhuǎn)換頻率過高會影響器件精度，而增益倍數(shù)過大也影響AD的穩(wěn)定位數(shù)。本系統(tǒng)根據(jù)時間響應的要求以及傳感器輸出信號的計算，配置AD轉(zhuǎn)換頻率為50 Hz、放大倍數(shù)為2。經(jīng)測試，最終精度可達20位RMS(root mean square)以上。

1.2 溫度校準

熱敏電阻的阻值R和對應的溫度T是非線性關系，在實際使用中采用何種方法對溫度值校準也影響系統(tǒng)的測溫精度。應用較多的分段擬合、B值法等得到的測量精度不能滿足本系統(tǒng)的精度要求。

本系統(tǒng)使用的方法是測量電路與熱敏電阻共同校準。在測量電路與熱敏電阻連接完好、正常工作的情況下，利用恒溫試驗箱在－10～40℃范圍內(nèi)均勻選取n個溫度點，記錄每個溫度點熱敏電阻值對應的ADC數(shù)值，使用插值法便可計算所有ADC值對應的溫度值。相對于孤立地對熱敏電阻進行校準，此方法可將電子元件溫漂、電橋電阻容差等電子元件所帶來的誤差最大限度地縮小［4－5］。

經(jīng)過溫度校準后利用恒溫箱對系統(tǒng)進行測試，表1為部分溫度點的測試數(shù)據(jù)，試驗表明系統(tǒng)的溫度測量精度可達±0.02℃，達到了預期目標。

表1 系統(tǒng)測溫值精度驗證數(shù)據(jù)Table 1 Accuracy verification data of system temperature measurement value

2 探體入水檢測模塊設計

XBT是探體入水后測溫電路開始工作的，工作前系統(tǒng)一直處于休眠狀態(tài)。為避免測溫電路入水前提前或入水后延遲工作，必須設計準確的入水檢測電路，使探體在入水的瞬間觸發(fā)測溫電路開始工作。

一般檢測電路多使用繼電器等開關元件控制電路通斷，但這種方法容易形成誤觸發(fā)或者電路的入水檢測部分對測溫部分產(chǎn)生信號干擾［6］。本設計采用光耦隔離的方法使電路的入水檢測與測溫部分隔離開，避免了信號的干擾，并在軟件設計中加入延遲程序來避免誤觸發(fā)現(xiàn)象。電路設計原理圖如圖3所示，A點為接地線聯(lián)通海水，B點為安裝在探體內(nèi)的金屬觸點，探體入水前A、B兩點斷開，測溫電路處于休眠狀態(tài)，探體入水時海水作為導體使A、B兩點導通，光電耦合器發(fā)出脈沖信號送入單片機，單片機控制測溫電路開始工作。

在實際的使用中發(fā)現(xiàn)經(jīng)常存在誤觸發(fā)現(xiàn)象，即探體尚未入水的情況下測溫電路開始工作，其原因是單片機將抖動、干擾信號等誤認為脈沖信號，本設計使用軟件延遲的方法來消除誤觸發(fā)［7］。軟件設計如圖4所示，單片機收到脈沖信號后，延時10 ms重新檢測脈沖信號，確認無誤后測溫電路開始工作，軟件延時能有效地濾除誤觸發(fā)信號。

圖3 入水檢測電路工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of water immersion detection circuit

圖4 消除誤觸發(fā)軟件設計Fig.4 Software design of false triggering elimination

3 測溫電路整體軟件設計

系統(tǒng)軟件設計是通過對單片機寄存器編程實現(xiàn)的，本系統(tǒng)軟件設計的核心是判斷探體入水以及通過AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換［8］。軟件設計流程如圖5所示。

圖5 整體軟件設計Fig.5 Design of the whole software

單片機和模數(shù)轉(zhuǎn)換器初始化后等待探體入水信號，探體入水時單片機收到脈沖信號并發(fā)出指令，模數(shù)轉(zhuǎn)換開始工作，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過R-T對照表換算為溫度值由上位機實時顯示。當探體達到預定測量深度時模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，整個測量過程結(jié)束。

4 海試數(shù)據(jù)對比

為驗證溫度測量的準確性，在南海水深1 km以上的水域進行大量的XBT投放試驗，同時用標準CTD為參考，對XBT測出的溫度剖面進行對比，圖6為一組對比曲線。

經(jīng)過對比，XBT測量的溫度剖面與標準CTD剖面曲線相似度在0.9以上，溫度平均誤差小于0.2℃，在允許誤差范圍內(nèi)，說明XBT測量溫度剖面在準確性方面已達預期目標，測溫精度能夠滿足要求。兩條曲線的偏差與操作的一致性以及當時的海況、船速等因素有關［9］。

圖6 XBT與CTD海試數(shù)據(jù)對比Fig.6 Ocean experiment data comparison between XBT and CTD

5 結(jié)語

經(jīng)過海試驗證，本系統(tǒng)的溫度測量精度達到了預期目標，高精度的溫度測量電路和可靠的入水檢測模塊使本系統(tǒng)在測量海水溫度剖面的準確性上取得了突破，但與國外成熟產(chǎn)品相比在測溫精度方面仍有可提升空間。在后續(xù)的工作中還要進行更深入的研究，優(yōu)化測溫電路和配套軟件，進一步提高XBT的測溫精度和溫度剖面測量的準確性。

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