适用于极地海底热流调查的低温段泥温传感器低温工作特性分析

发布时间：2021-10-10 02:18

　　本文基于极地海底地热流调查需求,针对在极地严酷的低温环境下泥温测量电路容易出现的失效、温度漂移等问题进行了分析,并采用了恒流源测温方式,有效降低了自发热和引线电阻干扰,并简化电路结构,增强了电路低温状态工作稳定性。本文阐述了低温段泥温传感器工作原理,结合调查实践确定了泥温传感器的主要设计参数;对电路结构进行详细拆解分析,分析各模块在低温条件下存在的失效风险及低温工作性能;对实际电路进行试验验证,利用数据分析传感器的测量精度,并在低温条件下对泥温传感器进行了实测。测试结果表明,低温段泥温传感器在低温条件下工作稳定,数据稳定性和一致性表现良好。 

【文章来源】：海洋技术学报. 2020,39(03)

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

恒流源测温电路原理框图

图2可见，电池随着温度下降，其放电电压出现了明显的下降，最低接近了3.0 V，对电路运行产生了很大威胁，极有可能出现失效风险，但是这一问题可以通过增加电池串联数量，提高电路输入端电压的方式解决。本研究中的测温电路功耗较小，能力下降则不会对电路运行产生任何影响。本研究中的测温电路在完成布放前配置后进入待机模式，待到达启动时间通过内部中断启动测量电路。在该模式下，系统内除MCU中的RTC之外的所有模块电路均处于休眠模式，电源管理芯片处于关闭状态，该状态下的静态电流约为0.15 uA，系统待机总电流不超过7 u A，在该模式下，如图2中橙色曲线所示，低温状态（-30℃为例）电池电压不会低于电源管理芯片可允许的最低输入门限，亦即电路不存在低温宕机风险。电路工作电流范围在15～20 mA之间，该电路可通过上位机设定开机时间，在极端低温气候条件下可设置传感器入水后启动电路，此时水温相对气温较高，参考图2蓝色曲线，可知电压输出仍然可满足需要。4 测温电路精度分析及低温工作测试

从本次试验对象中选取是3支传感器，并以0℃标定点为例对传感器测温性能展开分析。由于极地海底沉积物泥温约3℃左右，因此该温度点工作性能具有较好的代表性。截取控温点前5分钟内的测温数据，每20 s一组数据，每个传感器各16个温度点。将其绘制成温度变化曲线，其温度t(℃)与时间t的关系图如图3。由图3可见，3支传感器测温曲线波动具有较好的一致性，曲线之间相同时间点通道差值控制在0.005℃以内，总体误差控制在可接受范围内，优于±0.01℃的设计指标。由相邻值之间的差值的绝对值|xi-xi-1|可观察其相邻数据震荡情况，该数据主要可反映出电路在恒定温度点的流体环境中，基本排除外界环境温度的扰动之后电路自身的系统噪声水平。图4中横坐标为时间，纵坐标为泥温传感器相邻测量值之间差值的绝对值，由图4可知，在总体45个抖动值中，只有43个抖动值在0.003℃以内，占总数据量的95.6%。数据震荡值表现较好，也反映出传感器电路系统噪声性能较为优异，这得益于电路设计阶段确立的最简化设计原则，电路结构最大程度简化，降低了系统噪声，同时也降低了系统的失效风险。


本文编号：3427453