【摘要】：我國高寒地區(qū)的河流凌汛災害頻發(fā),對當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全構(gòu)成了嚴重威脅。針對凌汛等自然災害的預防研究,國內(nèi)外采用各種傳感器實現(xiàn)了對河流冰水情的監(jiān)測,但檢測方法需要改善,檢測精度有待提高。河流冰蓋剖面溫度是分析冰層熱力學參數(shù)和搭建冰厚預測模型的重要物理參量,采用基于河流冰蓋剖面內(nèi)不同介質(zhì)溫度特性差異的原理設(shè)計的冰情檢測溫度鏈被廣泛應(yīng)用于冰情檢測領(lǐng)域并取得了良好的測量效果。目前國內(nèi)外采用的冰情檢測溫度鏈在低溫環(huán)境下的測量精度有限,在面對寬溫區(qū)范圍內(nèi)的檢測仍有很大誤差,逐漸無法滿足于實際數(shù)據(jù)分析的要求。因此研發(fā)出一種適用于寬溫區(qū)的冰蓋剖面高精度溫度檢測設(shè)備對當?shù)氐牧柩礊暮︻A防研究和水文研究具有重要意義。課題通過研究熱敏電阻的阻溫關(guān)系、傳感器的結(jié)構(gòu)等,設(shè)計出了一款新型的、檢測精度較高的、可靠性穩(wěn)定的冰蓋剖面高精度溫度檢測傳感器,并研制配套了檢測系統(tǒng)。本次課題研究主要開展了以下四方面工作:(1)通過查閱資料選擇了熱敏電阻作為傳感器溫度檢測單元,并對熱敏電阻的檢測和標定方法進行了研究。選用LTC2983作為檢測電路核心器件,并通過研究熱敏電阻的阻溫特性,提出了基于熱敏電阻標定經(jīng)驗公式的溫度殘差補償法和阻值殘差補償法,取得了良好的標定效果,獲取了低溫環(huán)境下寬溫區(qū)(-50℃~+30℃)范圍內(nèi)0.1℃的單點傳感器溫度檢測準確度。(2)基于河流冰蓋剖面垂直方向上空氣、雪、冰、水不同介質(zhì)的溫度特性差異,設(shè)計了冰蓋剖面高精度溫度檢測傳感器。通過對ADG732內(nèi)阻的分析,確定了傳感器多點溫度檢測的可行性。傳感器采用鏈式結(jié)構(gòu),其主體采用PCB板并封裝于環(huán)氧樹脂中,有效提高了傳感器的可靠性。(3)設(shè)計了較為完善的檢測系統(tǒng),包括硬件和軟件的設(shè)計。硬件主要是數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計,包括主控CPU模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計;軟件主要為溫度采集程序、數(shù)據(jù)存儲程序、數(shù)據(jù)傳輸程序的設(shè)計等。通過采取MSP430低功耗單片機作為CPU、采用雙路電源等措施,有效的減小了系統(tǒng)的整體功耗。(4)冰蓋剖面高精度溫度檢測系統(tǒng)于2017年12月中旬在黑龍江漠河江段進行了安裝并完成了三個多月的現(xiàn)場采集實驗,監(jiān)測期間獲得了較為完整的江心位置的河流冰蓋剖面溫度數(shù)據(jù)。通過分析幾個典型時期的河流冰蓋剖面溫度曲線,了解了冰蓋內(nèi)部的熱力學變化情況。借鑒現(xiàn)有的大量冰水情數(shù)據(jù)分析結(jié)論,使用冰蓋剖面溫度數(shù)據(jù)得到了監(jiān)測期間內(nèi)的河流冰厚變化情況,并對冰內(nèi)熱通量進行了計算和分析。利用冰蓋剖面溫度數(shù)據(jù),通過a值分段擬合優(yōu)化了斯蒂芬冰厚計算公式,提高了斯蒂芬公式冰厚估算精度,為寒區(qū)凌汛災害的預防提供了重要參數(shù)。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH811

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本文編號：2721051