文/耿毅男

淺層地溫能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/耿毅男

淺層地溫能是由于地表下的巖土體溫度與地表氣溫存在常年溫差而形成的能量，是一種特殊的勢能，具有開發(fā)利用價(jià)值。其主要蘊(yùn)藏在地表以下一定深度（一般小于200m）范圍內(nèi)巖土體以及地下水和地表水中，溫度通常低于25℃。淺層地溫能可利用價(jià)值較高，已探明儲(chǔ)量巨大，且不存在資源枯竭的問題。伴隨著開采技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)利用淺層地溫能已成為可能。在淺層地溫能開發(fā)過程中，準(zhǔn)確地掌握溫度、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)非常必要。一方面，現(xiàn)有的地溫能檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，工程龐大，難以迅速普及。另一方面，淺層地溫能由于其儲(chǔ)量巨大，清潔無污染的優(yōu)點(diǎn)，擁有巨大的市場潛力。

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一套操作簡單、成本低廉、具有推廣價(jià)值的小型化監(jiān)測系統(tǒng)，使其在資源開發(fā)利用中發(fā)揮作用，為國家的節(jié)能減排工作貢獻(xiàn)力量。

一、總體方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用PVC管搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬監(jiān)測淺層地溫能的利用過程。在PVC管底部安裝3個(gè)3通接口，將其順次連接，并在三通接口中部分別接出溫度傳感器、電子溫度計(jì)和透明軟管，最后將壓力變送器置于裝置最底部。通過調(diào)整PVC管內(nèi)水柱的高度和溫度，模擬淺層地溫能在利用過程中管內(nèi)水壓強(qiáng)與溫度波動(dòng)?；谶B通器原理，可通過塑料軟管來觀察PVC管內(nèi)水柱高度，近似計(jì)算出水的壓強(qiáng)。通過安裝的溫度計(jì)可以觀察到管內(nèi)水的真實(shí)溫度，與裝置監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較。

監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件以及軟件兩個(gè)部分，硬件部分包括溫度模塊、壓強(qiáng)模塊、顯示模塊、串口通訊模塊，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及顯示功能。數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)端，通過上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)以及繪制折線圖。

二、模塊設(shè)計(jì)

1.溫度模塊

DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小，價(jià)格低廉，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的優(yōu)點(diǎn)。其測溫范圍在-55℃～+125℃之間，依靠3V直流電驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)將DS18B20溫度傳感器接入到單片機(jī)P2.0引腳，并通過LM2596S降壓模塊提供 3V電壓， 使其正常工作。DS18B20可將檢測到的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號發(fā)送到單片機(jī)，不再需要額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，簡化裝置，增強(qiáng)易用性。

2.顯示模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用5110液晶屏幕在下位機(jī)顯示數(shù)據(jù)。5110液晶屏幕通過LM2596S模塊提供3.3V電壓工作。首先對屏幕進(jìn)行初始化、清屏，然后通過SPI接口寫入數(shù)據(jù)。由于5110屏幕本身沒有字庫，故在單片機(jī)的ROM中建立一個(gè)內(nèi)部小字庫，以顯示所需數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)有多個(gè)時(shí)，可在每個(gè)觀測點(diǎn)分別放置屏幕，方便對每個(gè)觀測點(diǎn)直接進(jìn)行觀測。

3.壓強(qiáng)模塊

對于壓強(qiáng)的測量，系統(tǒng)選用YB-131型壓力變送器，其工作電壓為24V，由配套電源適配器提供。YB-131型壓力變送器測量范圍為0.1～40KPa，輸出信號為 4～20mA直流電流信號。特別注意的是，雖然壓力變送器可測量介質(zhì)的溫度范圍為-40～150℃，但是考慮到系統(tǒng)用于淺層地溫能開發(fā)利用過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測，由于液體結(jié)冰體積增大造成壓力變送器膜片損壞，導(dǎo)致變送器不能正常工作，所以工作環(huán)境不能低于0℃。

壓力變送器輸出信號是電流信號，而MSP430單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換需要輸入電壓信號，因此串聯(lián)一個(gè)125歐姆的接地電阻，將4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換成0.5-2.5V電壓信號，接入MSP430的P6.0引腳。通過內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并利用公式計(jì)算出電壓值。

4.上位機(jī)模塊

上位機(jī)監(jiān)測軟件具有數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)繪圖等功能，具有體積小，兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)?？紤]到本系統(tǒng)需長期持續(xù)運(yùn)行采集數(shù)據(jù)，并將大量存儲(chǔ)記錄，上位機(jī)軟件可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整數(shù)據(jù)接收事件間隔，控制數(shù)據(jù)采集頻率，避免數(shù)據(jù)冗余，并相應(yīng)地在繪圖時(shí)調(diào)整相鄰點(diǎn)的間隔。繪圖區(qū)溫度顯示范圍為0～100℃,精度可達(dá)0.01℃；壓強(qiáng)顯示范圍為0～40KPa,精度可達(dá)0.5KPa。

淺層地溫能監(jiān)測系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過串口線以字符串的形式發(fā)送到上位機(jī)端。上位機(jī)端定義串口接收事件，通過ReadExisting函數(shù)對監(jiān)測裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，上位機(jī)再對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)位校驗(yàn)，將不符合長度要求的丟位數(shù)據(jù)忽略，只讀取具有符合有效長度的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。

將校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)通過split指令進(jìn)行整理，將壓力數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)分別提取出來，對提取出的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)的有效性，防止亂碼的產(chǎn)生。數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，有效的數(shù)據(jù)被分別存儲(chǔ)在數(shù)組中，供其他控件讀取顯示。設(shè)置一個(gè)時(shí)間間隔控制按鈕，可根據(jù)需要，調(diào)整數(shù)據(jù)接收的頻率，并在軟件界面上顯示出來，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)頻的功能。提取出來的溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)分別記錄到表格中，通過 picturebox控件將數(shù)據(jù)繪制成折現(xiàn)圖，方便人們直觀的了解數(shù)據(jù)變化的趨勢，在溫度和壓力過高或過低時(shí)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在僅需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的情況時(shí)，可以關(guān)閉數(shù)據(jù)記錄和圖像繪制，僅接收數(shù)據(jù)，整理后在后臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便查詢研究，觀察一段時(shí)間內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)變化趨勢。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測的精度以及準(zhǔn)確性，進(jìn)行大量的對比實(shí)驗(yàn)。

1.溫度測試

在模擬裝置上加裝電子溫度計(jì)，在PVC管道中加入冰水，再注入熱水，基本加滿整個(gè)管道，讓管道中的水在垂直方向上存在溫度差。固定PVC管，通過塑料軟管進(jìn)行放水操作，使管道內(nèi)的水流動(dòng)，從而測得不同溫度。通過多組實(shí)驗(yàn)，對溫度計(jì)示數(shù)與上位機(jī)軟件示數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明誤差不超過0.1℃。

2.壓強(qiáng)測試

在PVC管底部安裝一個(gè)塑料軟管，構(gòu)成一個(gè)連通器，固定PVC管，保持管道基本垂直。在PVC管道中加滿水，通過塑料軟管放水，從而改變PVC管內(nèi)液面高度，管內(nèi)不同位置的壓強(qiáng)發(fā)生變化，就可以模擬出不同壓強(qiáng)。經(jīng)比較得出，壓強(qiáng)誤差不超過0.4%。

四、結(jié)果分析

通過多組實(shí)驗(yàn)測量，觀察系統(tǒng)測量繪制的溫度曲線和壓強(qiáng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)參數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)曲線基本重合，證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性，符合實(shí)際值。根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電子溫度計(jì)所測得的溫度可精確到 0.1℃，本系統(tǒng)測量的溫度數(shù)據(jù)可以精確到0.01℃。對于壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，壓力變送器輸出為 4mA～20mA電流信號，電流較小，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)可以精確到0.5KPa以內(nèi)。實(shí)踐證明監(jiān)測系統(tǒng)測量的溫度和壓強(qiáng)的準(zhǔn)確度較高，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

五、結(jié)論

淺層地溫能監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測量并顯示淺層地溫能開發(fā)利用過程中管道內(nèi)的溫度及壓強(qiáng)，上位機(jī)監(jiān)測軟件可根據(jù)監(jiān)測的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并將記錄的數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的折線圖，直觀明了地反應(yīng)相關(guān)參數(shù)的變化趨勢。其中溫度精度可以達(dá)到 0.01℃。壓強(qiáng)精度可以達(dá)到0.5KPa以內(nèi)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作方便，初步滿足淺層地溫能利用過程中的監(jiān)測需求。

(作者單位：吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院)

（責(zé)任編輯：周瓊）