自返式微型地熱探針溫度測量電路設計與實現(xiàn)

馮志濤，李家軍，李 墨，賈立雙，關宏韜

（國家海洋技術中心，天津 300112）

地球物理學界一般將海域的大地熱流稱為海底熱流（submarine heat flow），探測海底熱流是研究板塊構造、地球動力學、海底熱液活動、大陸邊緣沉積盆地演化及開展海上油氣資源評價的重要基礎[1]。同時，溫度梯度與熱流數(shù)據(jù)對了解天然氣水合物的地熱場條件，了解其宏觀分布規(guī)律有很強的理論支撐作用。

海底地熱探針是目前普遍采用的熱流調查手段，它具有操作簡便、價格低廉、方便高效等特點[2]。本文在國家自然科學基金的支持下，研制出一種自返式微型地熱探針。該探針采用微型化設計，可進行機載和艦載投放。海底熱流的測量是一種間接測量方式，它可以轉換為地溫梯度及海底沉積物熱導率的測量，溫度測量單元的精度、響應時間等性能直接影響到熱流測量數(shù)據(jù)的有效性。因此，探針系統(tǒng)中的溫度測量單元的工作性能是實現(xiàn)精確測量海底熱流的關鍵。本文結合自返式微型地熱探針熱流原位測量的工作特點，設計了一套高精度多通道的測溫電路，并實現(xiàn)了海底沉積物熱流的精確測量。

1 溫度測量單元設計方案

本文中的溫度測量電路是依據(jù)自返式微型探針的實際應用特點設計并開發(fā)的。首先，從原理角度降低引線電阻干擾，可用于長導線的遠距離溫度測量；其次，外擴多個溫度信號輸入通道，可進行沉積物溫度梯度測量。由于鉑（Pt）電阻在精度、穩(wěn)定性、響應速度等方面性能優(yōu)異，并且在測溫范圍內，其電阻-溫度線性關系理想，溫漂性能比較好，本文著重研究基于鉑（Pt）電阻的高精度測溫技術。為提高電壓靈敏度，決定采用PT1000鉑電阻作為感溫元件，AD芯片選用24位高分辨率模數(shù)轉換器，從而達到高精度、快速沉積物溫度測量。四線制連接方式中的電路回路與電壓測量回路相互獨立，互不干擾，可有效屏蔽旁路噪聲。

針對海底沉積物及海洋水文環(huán)境溫度分布特點，確定微型探針的測溫范圍為-2～35℃。電路采用PT1000電阻作為感溫元件，電路集成7個測溫通道，采用四線制接法，恒流源測溫方式，有效消除引線電阻引入的測量誤差，較好保持阻值與電壓間的線性關系。使用多路開關在通道間切換，通道1-7間循環(huán)異步采集，7通道全部循環(huán)1次視為1組數(shù)據(jù)，設計采樣率2組/s。測溫電路主要技術指標見表1。

表1 測溫電路技術指標表

2 探針測溫電路工作原理

鉑電阻Pt1000測溫是首先將恒流源電流與參考電阻和感溫元件相串聯(lián)，分別在參考電阻和溫度傳感器兩端得到兩個電壓信號，參考電阻選用溫漂極低的高精電阻，而后將兩個電壓信號進行恰當?shù)男盘栒{理。信號調理電路的性能直接關系到前端電阻與后端AD轉換器輸入的電壓信號之間轉換的相關性。將感溫元件電阻兩端電壓信號輸入AD轉換器的輸入端，參考電阻兩端電壓作為基準電壓，最后通過主控芯片進行計算并通過一定算法轉換為溫度值。探針中恒流源測溫電路原理框圖如圖1所示。

圖1 探針測溫電路原理框圖

相比其他測溫方式，鉑電阻自身線性度、穩(wěn)定性等特性決定了它在高精度測溫領域具有先天優(yōu)勢，而測溫技術中常見的鉑電阻有Pt25，Pt100和Pt1000 3種類型，亦即在0℃時的阻值分別為25 Ω，1 00 Ω及1 000 Ω。恒流源驅動鉑電阻測量溫度時，鉑電阻既是感溫元件，同時又是負載，當電流流經鉑電阻，會產生一定的熱量，功率為：

在精度要求較高的測溫系統(tǒng)中，電阻自發(fā)熱會對測量結果形成干擾。本文選用PT1000電阻，在相同溫度段其特征電阻較高，以0℃為例，Pt1000鉑電阻為Pt100鉑電阻的10倍，同等溫度電壓輸入范圍情況下，其驅動電流約為Pt100鉑電阻的1/10，此時其自發(fā)熱為

其自發(fā)熱變?yōu)樵β实?/10。據(jù)此，選用PT1000鉑電阻可有效降低自發(fā)熱。

傳統(tǒng)的鉑電阻測溫有二線制、三線制和四線制三種接法，四線制連接中電路回路與電壓測量回路相互獨立，互不干擾，可有效屏蔽旁路噪聲。本文在Pt1000鉑電阻兩端各連接2支引線，其中一組用于恒流源電流驅動鉑電阻產生壓降V1，另一組引線連接至信號調理電路用于測量壓降。恒流源電流I流經在Pt1000電阻兩端產生一定壓降，其中包含引線電阻壓降，利用ab端作為測量回路測量壓降，ADC引線因為沒有通過電流，即可達到去除引線電阻壓降干擾的目的，從而提高了精度。由PT電阻兩端電壓V1為AD輸入信號，參考電阻兩端電壓Vref做為基準電壓，進行AD轉換，通過一定的算法即可獲取當前溫度值。

圖2 四線制連接方式

3 硬件電路設計

恒流源部分的穩(wěn)定性和精度關系到系統(tǒng)測溫精度，恒流源電路設計階段應考慮到其抗干擾能力。本文選用REF200芯片為測溫電路提供恒流源驅動，其內部由2個100 μA的電流源和鏡像電流源組成，三者相互獨立，抗干擾能力強，且具有優(yōu)良的溫漂特性。

ADS1248為高度集成24 bit精密ADC芯片，集成低噪音可編程增益放大器（PGA），集成2路恒流源，可采樣4組差分或7組單端輸入，還具有50/60 Hz同步抑制模式；ADS1248數(shù)據(jù)速率高達2 ksps，功耗僅為2．56 mW，芯片集成度高，可有效簡化設計。本文ADS1248模數(shù)轉換電路原理見圖3。

圖3 模數(shù)轉換電路原理圖

ADS1248芯片集成了編程增益放大器（PGA），為有效降低功耗，將微弱電壓信號的調理電路替代為ADC芯片中的PGA模塊。然后進行ADC，獲取電壓值，從而間接得到電阻值。

4 探針測溫電路控制軟件設計

電路控制流程如圖4所示。

圖4 控制軟件流程圖

在探針系統(tǒng)中測溫電路與數(shù)據(jù)采集控制電路相互獨立，控制電路是數(shù)據(jù)采集電路的核心，測溫電路接受控制電路指揮，負責采集溫度并記錄階段狀態(tài)并向控制電路上傳測溫數(shù)據(jù)。測溫電路采用串口中斷方式接收上位機指令，電路上電之后，會首先待命，一旦收到開始測溫命令，立即開始測溫操作。而后，單片機繼續(xù)等待進一步命令，若命令接收標志符為0，則代表無串口指令，繼續(xù)等待；若命令接受標識符為1，則代表接收到串口指令，進而判斷命令類型，執(zhí)行相應操作。測溫電路共設置4種命令類型，分別代表上傳數(shù)據(jù)、停止測溫、更改階段狀態(tài)字和其他等4種操作。舉例說明，若判斷命令類型為1，則首先更改狀態(tài)字（狀態(tài)字分為3種：0x00代表為開始測溫狀態(tài)，0x01代表開始加熱狀態(tài)，0x10代表加熱結束狀態(tài)）。待狀態(tài)字修改成功，繼續(xù)進行測溫、存儲然后查詢串口命令。

5 提高測溫精度措施分析

5.1 排除自熱效應和引線電阻干擾

鉑電阻測溫中，Pt1000鉑電阻可在保證輸入電壓閾值的前提下，有效降低激勵電流從而達到負載功率的目的，從原理設計階段將自熱效應的影響降到最低，為高精度測溫提供保證。

經過第2節(jié)分析，四線制恒流源測溫方法中，恒流源驅動回路和測量回路相互獨立，去除了引線電阻的干擾，這種方法測量電阻阻值其精度可接近100%，因此其電阻誤差可忽略。

5.2 降低ADC芯片采樣誤差

系統(tǒng)采用24 bit的高精度ADC芯片，測量最大誤差可控制在0．001%范圍內。電路采用恒流源方式，將傳統(tǒng)的基準電壓芯片設計進行簡化設計，采用參考電阻兩端電壓作為基準電壓，鉑電阻兩端電壓與之對比進行采樣，二者間同時輸入ADC芯片，且驅動電流源相同，這種比例法測電阻巧妙的簡化電路的同時，消除了基準電壓芯片引入的誤差，從而達到了提高精度的目的[3]。

采樣精度與參考電阻精度關系密切，參考電阻的精度和溫漂特性直接影響到電路的測溫精度。本文選用高精度電阻作為參考電阻，其溫漂值為5 ppm，亦即溫度值變化1℃，其阻值變化幅度為0．000 01 Ω。

5.3 溫度補償算法設計

在測溫電路實際應用中，單純依靠硬件設計是無法實現(xiàn)高精度目標的。而測溫補償算法可在不增加硬件成本和設計難度的情況下，采用最小二乘線性擬合的溫度標校，然后通過滑動均值濾波對測溫信號中存在的高頻噪聲進行有效濾波，達到進一步降低系統(tǒng)噪聲提高精度的目的[5]。

感溫元件電阻與兩端電壓在溫度變化范圍內并非嚴格的線性關系，不過如果在溫度范圍進一步細分，可近似為線性關系，因此溫度的擬合實際是分段線性擬合。測溫范圍分段越細，擬合曲線越接近真實溫度-電阻曲線，溫度補償效果越好。滑動均值濾波是一種低通濾波器，具有較好的高頻抑制特性，而且操作簡單，濾波算法容易實現(xiàn)。

6 測溫電路誤差分析

2016年11月，測溫電路在恒溫水槽內進行了標定試驗，通過試驗對電路的工作性能進行評估，同時利用office軟件對低通濾波效果通過圖表形式進行了對比，如圖5～圖6。

首先已參考電阻兩端電壓為基準電壓采集到的電壓原始值進行分析，對比可分析可知溫度補償算法的工作性能。

圖5 濾波前采樣相鄰值抖動

圖6 濾波后采樣相鄰值抖動

試驗結果來看，經過濾波后，濾除了一些數(shù)值高頻區(qū)的抖動，曲線更加平緩，溫度數(shù)據(jù)輸出更加穩(wěn)定。可以看到，濾波前其抖動值可達±60，經過濾波后迅速降低至±10。原有的抖動約為全量程的0．09%，經過濾波后性能得到明顯提升，抖動比范圍降為全量程的0．015 9%，測溫精度、穩(wěn)定度得到明顯改善。電路標定值與恒溫槽標準值對比見表2。

表2 測溫電路與恒溫槽標準值對比表

7 結論

本文通過對測溫原理的深入研究，結合自返式微型探針的實際需求，設計并實現(xiàn)了1套多通道高精度的測溫電路，通過硬件電路設計和內部溫度補償算法設計，最大限度降低了系統(tǒng)噪聲，提高精度。最后，經過溫度標定試驗，其測溫精度優(yōu)于±0．01℃。測溫電路2016年12月在自返式微型地熱探針海上試驗中得到了實際應用，經試驗，測溫電路工作穩(wěn)定，測溫準確。在渤海某海域進行的海上試驗中，成功獲取到1組海底熱流測量數(shù)據(jù)，測溫曲線平滑，通道間一致性良好，無畸變。衛(wèi)星地熱探針多通道高精測溫電路的研制成功，可大大提高海底熱流的測量精度，為更好地研究海底熱流，從而更加精確地為海洋地質學研究、海底資源調查提供基礎數(shù)據(jù)支持具有很強的科學意義。

[1] 汪集旸 ，等.地熱學及其應用[M].北京：科學出版社，2015:123.

[2]羅玉璽，鄭國芝，孫牽宇.深海地熱探針的設計及應用[J].海洋技術，2012,1(1):62-66.

[3]張樹青，李妍，王步洲.基于ADS1248高精度測溫裝置的設計[J].河北工業(yè)科技，2013,30(4):249-252.

[4]秦洋陽，楊小秋，吳保珍.海底熱流探測中的高分辨率測溫技術[J].中國科學，2013,43(7):816-821.

[5]程建華，羅立成，王鑫哲.高精度溫度測量系統(tǒng)的溫度補償算法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010,9(11):36-39.