寒区河流冰盖剖面高精度温度检测系统的设计与应用

发布时间：2020-06-19 16:26

【摘要】：我国高寒地区的河流凌汛灾害频发,对当地居民的生命财产安全构成了严重威胁。针对凌汛等自然灾害的预防研究,国内外采用各种传感器实现了对河流冰水情的监测,但检测方法需要改善,检测精度有待提高。河流冰盖剖面温度是分析冰层热力学参数和搭建冰厚预测模型的重要物理参量,采用基于河流冰盖剖面内不同介质温度特性差异的原理设计的冰情检测温度链被广泛应用于冰情检测领域并取得了良好的测量效果。目前国内外采用的冰情检测温度链在低温环境下的测量精度有限,在面对宽温区范围内的检测仍有很大误差,逐渐无法满足于实际数据分析的要求。因此研发出一种适用于宽温区的冰盖剖面高精度温度检测设备对当地的凌汛灾害预防研究和水文研究具有重要意义。课题通过研究热敏电阻的阻温关系、传感器的结构等,设计出了一款新型的、检测精度较高的、可靠性稳定的冰盖剖面高精度温度检测传感器,并研制配套了检测系统。本次课题研究主要开展了以下四方面工作:(1)通过查阅资料选择了热敏电阻作为传感器温度检测单元,并对热敏电阻的检测和标定方法进行了研究。选用LTC2983作为检测电路核心器件,并通过研究热敏电阻的阻温特性,提出了基于热敏电阻标定经验公式的温度残差补偿法和阻值残差补偿法,取得了良好的标定效果,获取了低温环境下宽温区(-50℃~+30℃)范围内0.1℃的单点传感器温度检测准确度。(2)基于河流冰盖剖面垂直方向上空气、雪、冰、水不同介质的温度特性差异,设计了冰盖剖面高精度温度检测传感器。通过对ADG732内阻的分析,确定了传感器多点温度检测的可行性。传感器采用链式结构,其主体采用PCB板并封装于环氧树脂中,有效提高了传感器的可靠性。(3)设计了较为完善的检测系统,包括硬件和软件的设计。硬件主要是数据采集仪的设计,包括主控CPU模块、数据存储模块以及数据传输模块的设计;软件主要为温度采集程序、数据存储程序、数据传输程序的设计等。通过采取MSP430低功耗单片机作为CPU、采用双路电源等措施,有效的减小了系统的整体功耗。(4)冰盖剖面高精度温度检测系统于2017年12月中旬在黑龙江漠河江段进行了安装并完成了三个多月的现场采集实验,监测期间获得了较为完整的江心位置的河流冰盖剖面温度数据。通过分析几个典型时期的河流冰盖剖面温度曲线,了解了冰盖内部的热力学变化情况。借鉴现有的大量冰水情数据分析结论,使用冰盖剖面温度数据得到了监测期间内的河流冰厚变化情况,并对冰内热通量进行了计算和分析。利用冰盖剖面温度数据,通过a值分段拟合优化了斯蒂芬冰厚计算公式,提高了斯蒂芬公式冰厚估算精度,为寒区凌汛灾害的预防提供了重要参数。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH811

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本文编号：2721051