一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置及测量方法
阅读说明：本技术 一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置及测量方法 (Remote temperature measuring device and measuring method applied to marine environment ) 是由 杜立彬 孟祥谦 陈光源 吕婧 李正宝 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置及测量方法,该测量装置包括电阻式温度传感器、电极A、电极B、信号处理模块,所述电极B与信号处理模块的电源地连接；所述电阻式温度传感器一端通过导线A连接信号处理模块,另一端通过导线B连接信号处理模块,所述电阻式温度传感器与导线B的连接点处连接电极A；所述信号处理模块包括恒流源A、恒流源B、仪表放大器、模数转换芯片和处理器,所述导线A与恒流源A连接,所述导线B与恒流源B连接,所述导线A和导线B均依次连接仪表放大器、模数转换芯片和处理器。本发明所公开的装置简化结构,降低成本,可以实现海水温度的精确测量。(The invention discloses a remote temperature measuring device and a measuring method applied to a marine environment, wherein the measuring device comprises a resistance-type temperature sensor, an electrode A, an electrode B and a signal processing module, wherein the electrode B is connected with a power supply ground of the signal processing module; one end of the resistance-type temperature sensor is connected with the signal processing module through a lead A, the other end of the resistance-type temperature sensor is connected with the signal processing module through a lead B, and the connection point of the resistance-type temperature sensor and the lead B is connected with an electrode A; the signal processing module comprises a constant current source A, a constant current source B, an instrument amplifier, an analog-to-digital conversion chip and a processor, wherein the wire A is connected with the constant current source A, the wire B is connected with the constant current source B, and the wire A and the wire B are sequentially connected with the instrument amplifier, the analog-to-digital conversion chip and the processor. The device disclosed by the invention has the advantages of simplified structure, reduced cost and capability of realizing accurate measurement of the temperature of the seawater.)
技术领域
本发明涉及海水检测技术领域，特别涉及一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置及测量方法。
背景技术
海洋科研调查中常用到热敏电阻、铂电阻等电阻式传感器来测量海水温度，一般通过电桥或恒流源激励的方式，测量热敏电阻、铂电阻等的电阻值，再通过标定公式或数据表将电阻值转换成对应的温度值。
如果这类温度传感器的导线较长，则测量出的电阻值也包含了导线电阻，这会严重影响温度测量的精度。在陆地应用中，常用三线或四线制的方法，补偿导线电阻，以得到准确的温度传感器电阻。但在海水温度测量中，需要严格考虑密封、应用便捷等因素，采用增加导线数量的方法来补偿导线电阻，除了增加成本，也会增加结构设计和现场布放的难度。例如在投弃式温度测量中，数千米导线缠绕在线轴上，测量时顺序展开，每增加一根导线，对测量仪器的整体结构、重量都会带来极大的改变。
为了解决海洋环境中温度测量的上述问题，有必要采用一种简便方法，补偿导线电阻误差，精确测量电阻式温度传感器的阻值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置及测量方法，以达到简化结构，降低成本，实现海水温度的精确测量的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置，包括电阻式温度传感器、电极A、电极B、信号处理模块，所述电极B与信号处理模块的电源地连接；所述电阻式温度传感器一端通过导线A连接信号处理模块，另一端通过导线B连接信号处理模块，所述电阻式温度传感器与导线B的连接点处连接电极A；
所述信号处理模块包括恒流源A、恒流源B、仪表放大器、模数转换芯片和处理器，所述导线A与恒流源A连接，所述导线B与恒流源B连接，所述导线A和导线B均依次连接仪表放大器、模数转换芯片和处理器。
进一步的技术方案，所述恒流源A与导线A之间设置单刀双掷继电器K1，所述恒流源B与导线B之间设置单刀双掷继电器K2，所述单刀双掷继电器K1的触点一和触点三分别连接恒流源A和导线A，触点二通过导线连接单刀双掷继电器K3的触点一，所述单刀双掷继电器K3的触点二和触点三分别连接标定电阻Rc1和标定电阻Rc2，所述标定电阻Rc1和标定电阻Rc2并联后接地，所述单刀双掷继电器K2的触点一和触点三分别连接恒流源B和导线B，触点二接地。
上述方案中，所述标定电阻Rc1取值大于所述电阻式温度传感器在所测温度范围内的最大阻值，标定电阻Rc2取值小于所述电阻式温度传感器在所测温度范围内的最小阻值。
进一步的技术方案中，所述导线A和恒流源A之间串联电阻R1，所述导线B和恒流源B之间串联电阻R2。
进一步的技术方案中，所述恒流源A和单刀双掷继电器K1之间串联电阻R1，所述恒流源B和单刀双掷继电器K2之间串联电阻R2。
一种应用于海洋环境的远距离温度测量方法，采用上述的应用于海洋环境的远距离温度测量装置，包括如下步骤：
步骤一，将信号处理模块安放在测量船上或耐压舱内，将电极B置于海水中，且通过导线或金属耐压舱壁与信号处理模块的电源地连接；将电阻式温度传感器以及其与导线A的连接点采用耐压防腐外壳封装，将电阻式温度传感器与导线B的连接点通过电极A外露在海水中；导线A和导线B选用相同型号和长度的导线，并行布放；
步骤二，恒流源A和恒流源B输出相同的激励电流，仪表放大器将差分输入信号转换成单端信号输出，再经过模数转换芯片输出到处理器；
步骤三，由处理器计算电阻式温度传感器的阻值Rt：
Rt＝V0/I
式中，V0表示仪表放大器的输出电压；I为恒流源A和恒流源B输出的激励电流；
步骤四，查找电阻式温度传感器的电阻-温度对照表，或带入温度计算公式，将电阻值Rt转换为对应的温度值，即可完成对电阻式温度传感器所处海水温度的测量。
优选地，一种应用于海洋环境的远距离温度测量方法，采用上述的应用于海洋环境的远距离温度测量装置，包括如下步骤：
步骤一，将信号处理模块安放在测量船上或耐压舱内，将电极B置于海水中，且通过导线或金属耐压舱壁与信号处理模块的电源地连接；将电阻式温度传感器以及其与导线A的连接点采用耐压防腐外壳封装，将电阻式温度传感器与导线B的连接点通过电极A外露在海水中；导线A和导线B选用相同型号和长度的导线，并行布放；
步骤二，测量前进行电路标定，单刀双掷继电器K1的触点一和触点二导通，单刀双掷继电器K2的触点一和触点二导通，通过测得仪表放大器的输出电压，确定标定系数a1和a0；
步骤三，标定后进行阻值测量，单刀双掷继电器K1的触点一和触点三导通，单刀双掷继电器K2的触点一和触点三导通，恒流源A和恒流源B输出相同的激励电流，仪表放大器将差分输入信号转换成单端信号输出，再经过模数转换芯片输出到处理器；
步骤四，由处理器计算电阻式温度传感器的阻值Rt：
Rt＝a1×V0+a0
式中，V0表示仪表放大器的输出电压；
步骤五，查找电阻式温度传感器的电阻-温度对照表，或带入温度计算公式，将电阻值Rt转换为对应的温度值，即可完成对电阻式温度传感器所处海水温度的测量。
上述方案中，电路标定方法如下：
(1)恒流源A和恒流源B输出相同的激励电流，将单刀双掷继电器K3的触点一和触点二导通，测得仪表放大器的输出电压VO1；
(2)然后将单刀双掷继电器K3的触点一和触点三导通，测得仪表放大器的输出电压VO2；
(3)根据如下公式确定标定系数a1和a0：
Rc1＝a1×VO1+a0
Rc2＝a1×VO2+a0
式中，Rc1为标定电阻Rc1的阻值，Rc2为标定电阻Rc2的阻值；
由此确定标定系数a1＝(Rc1-Rc2)/(VO1-VO2)，a0＝Rc1-a1×VO1。
通过上述技术方案，本发明提供的应用于海洋环境的远距离温度测量装置及测量方法采用两根导线连接电阻式温度传感器，利用海水的导电特性补偿导线电阻。除了用于定点观测也可应用到投弃式等快速海水剖面温度测量中，显著降低了成本，简化了结构，可以实现海水温度的精确测量。并且，本发明还可以实现电路标定，避免因环境温度等因素对恒流源输出的激励电流产生漂移而带来的误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置示意图；
图2为本发明的信号处理电路组成结构图；
图3为本发明的测量电路基础原理图；
图4为本发明的测量电路优化原理图。
图中；1、海水；2、导线A；3、电阻式温度传感器；4、电极A；5、导线B；6、电极B；7、信号处理模块；8、电阻R1；9、电阻R2；10、恒流源A；11、恒流源B；12、处理器；13、模数转换芯片；14、仪表放大器；15、单刀双掷继电器K1；16、单刀双掷继电器K2；17、单刀双掷继电器K3；18、标定电阻Rc1；19、标定电阻Rc2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种应用于海洋环境的远距离温度测量装置，如图1所示，包括电阻式温度传感器3、电极A 4、电极B 6、信号处理模块7，电极B 6与信号处理模块7的电源地连接；电阻式温度传感器3一端通过导线A 2连接信号处理模块7，另一端通过导线B 5连接信号处理模块7，电阻式温度传感器3与导线B 5的连接点处连接电极A 4。
如图2所示，信号处理模块7包括恒流源A 10、恒流源B 11、电阻R18、电阻R2 9、仪表放大器14、模数转换芯片13和处理器12，导线A 2串联电阻R1 8后与恒流源A 10连接，导线B5串联电阻R2 9后与恒流源B 11连接，导线A 2和导线B 5均依次连接仪表放大器14、模数转换芯片13和处理器12。恒流源A 10和恒流源B 11可选择相同的恒流源，在使用前调解其输出的激励电流相同，使用过程中不再调节。
本发明中，电阻R1 8和电阻R2 9可选用阻值相同的电阻，电阻R1 8和电阻R2 9可以避免负载大范围变化，提高恒流源的稳定输出。
一种应用于海洋环境的远距离温度测量方法，采用上述的应用于海洋环境的远距离温度测量装置，包括如下步骤：
步骤一，将信号处理模块7安放在测量船上或耐压舱内，将电极B 6置于海水1中，且通过导线或金属耐压舱壁与信号处理模块7的电源地连接；将电阻式温度传感器3以及其与导线A 2的连接点采用耐压防腐外壳封装，将电阻式温度传感器3与导线B 5的连接点通过电极A 4外露在海水1中。
步骤二，恒流源A 10和恒流源B 11输出相同的激励电流，仪表放大器14将差分输入信号转换成单端信号输出，再经过模数转换芯片13输出到处理器12；
本发明的测量方法原理如图3所示，恒流源A 10、恒流源B 11输出的激励电流均为I，导线A 2及导线B 5的电阻分别表示为Rwa、Rwb，电阻式温度传感器3的阻值表示为Rt，海水1回路的电阻表示为Rs。仪表放大器14可以将差分输入信号转换成单端信号输出，当增益为1时。其输出
V0＝(Vin+-Vin-)；
其中：
Vin+＝I×(Rwa+Rt+Rs)；
Vin-＝I×(Rwb+Rs)；
导线A 2和导线B 5选用相同型号和长度的导线，并行布放；其所处外部环境相同，因温度引起的线阻变化也完全相同，所以可以认为Rwa＝Rwb。为了进一步提高测量精度，可以在线阻偏小的导线上串联一个修正电阻，补偿两者的微小区别。
如此则仪表放大器14的输出为：
V0＝I×Rt
因此，导线电阻引入的测量误差被完全消除。
步骤三，由处理器12计算电阻式温度传感器3的阻值Rt：
Rt＝V0/I
式中，V0表示仪表放大器14的输出电压；I为恒流源A10和恒流源B11输出的激励电流。
步骤四，查找电阻式温度传感器3的电阻-温度对照表，或带入温度计算公式，将电阻值Rt转换为对应的温度值，即可完成对电阻式温度传感器3所处海水1温度的测量。
恒流源输出的激励电流也会因环境温度等因素而产生漂移，若长期使用固定参数计算，也会产生较显著的误差。本发明通过采用增加K1、K2、K3三个单刀双掷继电器，由处理器12控制触点切换，以解决这一问题。具体如下：如图4所示，电阻R1与导线A 2之间设置单刀双掷继电器K1 15，电阻R2与导线B 5之间设置单刀双掷继电器K2 16，单刀双掷继电器K115的触点一和触点三分别连接电阻R1 8和导线A 2，触点二通过导线连接单刀双掷继电器K317的触点一，单刀双掷继电器K3 17的触点二和触点三分别连接标定电阻Rc1 18和标定电阻Rc2 19，标定电阻Rc1 18和标定电阻Rc2 19并联后接地，单刀双掷继电器K2 16的触点一和触点三分别连接电阻R2 9和导线B 5，触点二接地。
标定电阻Rc1 19取值大于电阻式温度传感器3在所测温度范围内的最大阻值，标定电阻Rc2取值小于电阻式温度传感器3在所测温度范围内的最小阻值。
测量方法如下：
步骤一，将信号处理模块7安放在测量船上或耐压舱内，将电极B 6置于海水1中，且通过导线或金属耐压舱壁与信号处理模块7的电源地连接；将电阻式温度传感器3以及其与导线A 2的连接点采用耐压防腐外壳封装，将电阻式温度传感器3与导线B 5的连接点通过电极A 4外露在海水1中；导线A 2和导线B 5选用相同型号和长度的导线，并行布放；
步骤二，测量前进行电路标定，或定期对电路进行标定；单刀双掷继电器K1 15的触点一和触点二导通，单刀双掷继电器K2 16的触点一和触点二导通，通过测得仪表放大器14的输出电压，确定标定系数a1和a0；电路标定方法如下：
(1)恒流源A 10和恒流源B 11输出相同的激励电流，将单刀双掷继电器K3 17的触点一和触点二导通，测得仪表放大器14的输出电压VO1；
(2)然后将单刀双掷继电器K3 17的触点一和触点三导通，测得仪表放大器14的输出电压VO2；
(3)根据如下公式确定标定系数a1和a0：
Rc1＝a1×VO1+a0
Rc2＝a1×VO2+a0
式中，Rc1为标定电阻Rc1 18的阻值，Rc2为标定电阻Rc2 19的阻值；
由此确定标定系数a1＝(Rc1-Rc2)/(VO1-VO2)，a0＝Rc1-a1×VO1。
步骤三，标定后进行阻值测量，单刀双掷继电器K1 15的触点一和触点三导通，单刀双掷继电器K2 16的触点一和触点三导通，恒流源A 10和恒流源B 11输出相同的激励电流，仪表放大器14将差分输入信号转换成单端信号输出，再经过模数转换芯片13输出到处理器12；
步骤四，由处理器12计算电阻式温度传感器3的阻值Rt：
Rt＝a1×V0+a0
式中，V0表示仪表放大器14的输出电压。
步骤五，查找电阻式温度传感器3的电阻-温度对照表，或带入温度计算公式，将电阻值Rt转换为对应的温度值，即可完成对电阻式温度传感器3所处海水1温度的测量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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