专利名称：河工温排放物理模型试验水温采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种河工温排放物理模型试验水温采集装置，本实用新型主要涉 及多点同步水温测量方式、485通讯网络组建、DS18B20温度传感器的应用、DS18B20新型防 水封装方式。
二背景技术：
近年急速增长的核电场建设中的温排水问题河工物理模型试验的温度采集需要。 核能已成为人类使用的重要能源，核电是电力工业的重要组成部分。由于核电不造成对大 气的污染排放，在人们越来越重视地球温室效应、气候变化的形势下，积极推进核电建设。核电厂循环冷却水排放对水域的影响是多方面、长时效的，最为重要的影响是温 排水的热影响，主要表现在水温、溶解氧等指标的影响以及对水生生物产生的影响等。装 机容量大的电站，有时还会引起大范围水域内生物的消失。为保证工程后取水安全可靠， 减少取水工程的建设投资，需要对各取水方案进行必选和优化。通过物理模型试验研究， 目的在于分析温排水随潮流运动的规律以及在各种装机组合工况条件下，不同取、排水方 案温升分布特性、取水温升的变化规律，寻求电厂取水温升低、对环境影响小及工程投资省 的最佳取排水工程布置方案，为设计单位及环保部门提供科学依据。模型按照水工模型相 似条件进行设计，模型设计成正态或者变态，由于模拟区域范围大，一般几何比尺设计都在 1 500以上。按较大比尺模拟电厂取排水口附近潮汐涨落过程，一个完整的涨落潮过程 一般仅需要十几或者二十来分钟即可完成，而天然状况下潮汐变化缓慢，一般分为半日潮 (约12小时一个潮涨落过程)或全日潮(约24小时一个潮涨落过程)。这样在试验过程 中，由于快速的潮汐变化而带来温排放温水扩散效应加快，整个模拟水域的温度场变化迅 速。温排放温度采集需要解决以下几个问题1)快速响应水域温度变化；2)模型区域范围较大，水域的面积一般超过(30m*30m)，测温点布置超过200点， 对温度传感器的选择必须考虑试验成本；3)温度传感器必须考虑防水设计。由于市面上没有专门针对河工温排放物理模型试验生产的温度采集仪，所以，一 般的做法是直接使用工业用多点温度检测系统，该系统主要由微机、单片机、485或者232 通讯模块、以及DS18B20温度传感器组成。如图1所示。DS18B20是DALLAS公司生产的一线 式数字温度传感器，具有3引脚T0-92小体积封装形式；温度测量范围为_55°C +125°C， 可编程为9位 12位A/D转换精度，测温分辨率可达0. 0625°C，被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；CPU只 需一根端口线就能与DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑 电路。其购置费用单价不超过7元钱，使用成本低。由于多个DS18B20可以并联到3根或 2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，以上特点使DS18B20非常适用于 远距离多点温度检测系统。[0008]该系统的主要特点就是开发费用低，成本也低，量测精度高，缺点是测点较多的情 况下，对环境温度变化的同步反映性较差。DS18B20和单片机的连接通过一个I/O 口，如果 要控制多个DS18B20进行温度采集，只要将所有DS18B20全部连接在一起，在具体操作时， 通过读取每个DS18B20内部芯片的序列号来识别，这样的情况下，在传感器9位分辨率时， 完成一次温度采集过程约需要90ms左右，在传感器12位分辨率时，完成一次温度采集过程 约需要700ms左右。如果一个I/O 口串接的DS18B20过多，从第一个点到最后一个点，中间 至少也要间隔数秒的时间，势必不能同步反映各点的温度情况。这样的量测方式其应用范 围主要集中在包括粮仓、储罐、机房等温度变化幅度较小的测温和控制领域。另外，考虑到水温测量的防水要求，DS18B20温度传感器还需要采用防水封装。市 场上能采购到的均是在DS18B20外套一个专门设计的不锈钢外壳，一般0. 2mm的壁厚，采 用导热性高的密封胶密封，其采购单价在20 50元之间。另外，这种封装方式下，如果 DS18B20与不锈钢内壁不能充分接触，以及密封胶的导热性不高，直接影响到温度传感器的 灵敏性，以及造成温度延迟。
三、发明内容1、实用新型目的本实用新型主要解决温排放模型水域多点水温测量的问题，设计的水温采集装置 能快速响应水温变化以及制作成本低的要求。2、技术解决方案本实用新型的河工温排放物理模型试验水温采集装置，它主要由微机、采集温度 的采集仪和485总线组成，其特征是所述采集仪分为多组，每组又包括多台采集仪，每组 的采集仪通过485总线连接到微机的一个工业多串口卡上，每组的多台采集仪间互相串 接；每台采集仪包括一个单片机和若干温度传感器，若干个温度传感受器的引脚分别接在 该单片机的不同I/O接口上。微机的每个工业串口最多串接3个采集仪；每台采集仪连接16个温度传感器；温 度传感器的型号为DS18B20 ；单片机的型号选用AT89S52。DS18B20温度传感器采用聚氯乙 烯套管防水封装。本实用新型的相比现有技术具有如下优点多串口通讯模式下的温排放试验水温采集仪能满足模型水域温度随潮汐变化较 快的问题，同时新型的防水封装解决了现有不锈钢封装温度测量延迟的弊端。迄今为止， 应用基于多串口通讯模式下的温排放试验水温采集仪，包括广西防城港电厂一期工程温排 水及泥沙物理模型试验研究，宁德核电一期工程温排水取水方案数模计算和物理模型试验 研究。由于温度场测量的结果真实可靠，为电厂的取排水结构和选址的优化设计以及取排 水运行工况的优化设计提供了强有力的科学依据，产生的经济效益并不能完全用金钱来衡 量。DS18B20温度传感器采用不锈钢封装至少成本在20元，200个点光传感器就需要 4000元，而且不锈钢封装隔离了水体和传感器使得DS18B20感温体不直接接触热源而会带 来温度延迟，DS18B20温度传感器与不锈钢内壁脱落更会造成严重的温度测量误差。综上， 采用本实用新型的封装方式，DS18B20温度传感器一部分外露，其余部分以及传感器引角通过胶水密封在直径约5mm的聚氯乙烯套管里，套管一般截取5cm，这种套管可以直接用电源 线外的护套管。新型封装方式的成本不超过10快钱，最重要的是，DS18B20感温体外露可 以直接接触热源而保障热源温度采集的精度。
图1为现有的单总线方式下的工业用多点温度检测系统。图2为本实用新型的组成示意图。图3为单台温度采集仪原理图。图4为微机与任意单台采集仪的通讯流程。
五具体实施方式
如图2所示，本实用新型的温度采集装置，它主要由微机、多台采集温度的采集仪 和485总线组成，采集仪分8组，每组又设有3台采集仪，每组的3台采集仪通过485总线 连接到微机的工业串口卡(为增加微机的串口而安装多串口卡，)上，每组的多台采集仪间 互相串接；每台采集仪包括一个AT89S52单片机和16个DS18B20温度传感器，每个DS18B20 温度传感器的引脚分别接在该单片机的不同I/O接口上。DS18B20温度传感器接到单片机后采用聚氯乙烯套管防水封装。根据实际需要，本实用新型的采集仪可采用1-8组，每组可设置1-3台采集仪，每 台可连接1-16个DS18B20温度传感器。微机的作用通过不同的串口向采集仪器发出温度读取指令，并负责所有各个采 集仪器流场温度数据存储与显示等工作。采集仪的作用每台采集仪器内部固化程序编写的站号不同，电路一样。每台采集 仪器只负责16个通道的温度传感器的数据采集和存储。然后等待微机发出的“读取指令” 后，即刻向微机发送16通道温度的数据序列。485总线的作用是微机和各台采集仪的通讯协议。微机与任意单台采集仪的通 讯流程如图4所示。DS18B20温度传感器的封装过程如下一 准备工作1 :5mm内径的聚氯乙烯套管，或者剥离电线外的护套线管备用，每个套管截取5cm 长；2 准备环氧树脂+固化剂(浙江产的哥俩好胶水，也叫做AB胶。调制在一起，10 分钟后固化，在一般的建材小店都有卖的)；3 绝缘清漆；4 传感器线用0. 2平方毫米的3芯屏蔽电缆，外径4mm左右；5:自粘带。二 操作过程1 把焊接好的DS18B20准备好；2 :DS18B20引脚和焊接处刷绝缘清漆；3 把环氧树脂与固化剂调整好，把焊接好的DS18B20在环氧树脂里蘸一下，使环氧树脂包裹均勻；4 插入聚氯乙烯套管，保持传感器头部感温体露出约2mm ；5 挤压套管，约10分钟后基本固化，再用环氧树脂封底；6 自粘带把传感器线的那一边包严。本实用新型选用的采集需要解决以下几个问题快速响应水域温度变化；测温点布置可超过200点，对温度传感器的选择必须考 虑试验成本；温度传感器必须考虑防水设计。考虑到DS18B20是一线式数字温度传感器， 测温分辨率高，每台采集仪单片机的CPU只需一根端口线就能与DS18B20通信，占用微处理 器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。其购置费用单价不超过7元钱，使用成本 低。所以本实用新型选用DS18B20作为温度传感器。每台采集仪的温度检测模块由16个 DS18B20组成，系统采用通过单引脚单传感器方式，占用单片机的P1和P2共16个I/O端口， 即使用16条引脚，每个引脚只接一个传感器。每台采集仪的单片机B1-B8端口接JP1-JP8 (8 个DS18B20温度传感器)的引脚，单片机的B9-B16端口接JP9-JP16 (8个DS18B20温度传 感器)的引脚。单台温度采集仪的原理图见图3。本实用新型区别于现有的一个单片机I/O 口串接多个DS18B20的做法，如果将所 有DS18B20全部连接在一起，在具体操作时，必须通过读取每个DS18B20内部芯片的序列号 来识别，这样的情况下，在传感器9位分辨率时，完成一次温度采集过程约需要90ms左右， 在传感器12位分辨率时，完成一次温度采集过程约需要700ms左右。本实用新型选用单引脚单传感器方式这种做法的好处是采集仪的单片机与 DS18B20的通讯时，可以不用识别DS18B20内部芯片的序列号，直接进行温度转换操作，其 温度采集时间大大缩短，在传感器12位分辨率时，完成一次温度采集过程约< 10ms。本实 用新型采集仪单片机的型号选用AT89S52。单个采集仪器通过485总线连接到微机不同的 工业多串口卡上(图2)，每个串口卡最多集成有8个串口，每个串口最多串接3个采集仪， 每个采集仪在485总线上按站号区别。采集仪采用开机即按间隔采样时间采集温度，微机 的作用就是通过不同的串口收集各个站点采集仪的16个温度(16个温度数据放在一个字 节数组中一起发送不过给微机)。每个串口执行完3台采集仪器共48个采样点的温度时间 不会超过2秒种，完全满足(添加)温排放物理模型试验的技术要求。由于现代微机的处 理速度极快，可以忽略不同串口通讯带来的时间差，几乎可以认为各个串口处于并行的工 作方式。
权利要求一种河工温排放物理模型试验水温采集装置，它主要由微机、采集温度的采集仪和485总线组成，其特征是所述采集仪分为多组，每组又包括多台采集仪，每组的采集仪通过485总线连接到微机的工业多串口卡上，每组的多台采集仪间互相串接；每台采集仪包括一个单片机和若干温度传感器，若干个温度传感受器的引脚分别接在该单片机的不同I/O接口上。
2.根据权利要求1所述的河工温排放物理模型试验水温采集装置，其特征是所述微 机的每个工业串口串接3台采集仪。
3.根据权利要求1所述的河工温排放物理模型试验水温采集装置，其特征是每台采 集仪设置16个温度传感器。
4.根据权利要求1所述的河工温排放物理模型试验水温采集装置，其特征是所述采 集仪的单片机型号选用AT89S52。
5.根据权利要求1所述的河工温排放物理模型试验水温采集装置，其特征是温度传 感器的型号为DS18B20。
6.根据权利要求5所述的河工温排放物理模型试验水温采集装置，其特征是所述 DS18B20温度传感器采用聚氯乙烯套管防水封装。
专利摘要本实用新型为解决温排放模型水域多点水温测量的问题，设计了一种河工温排放物理模型试验水温采集装置，该装置能快速响应水温变化、温度传感器防水封装以及制作成本低的要求。该装置主要由微机、采集温度的采集仪和485总线组成，所述采集仪分为多组，每组又包括多台采集仪，每组的采集仪通过485总线连接到微机的工业多串口卡上，每组的多台采集仪间互相串接；每台采集仪包括一个单片机和若干温度传感器，若干个温度传感受器的引脚分别接在该单片机的不同I/O接口上。
文档编号G01K1/02GK201555663SQ200920256300
公开日2010年8月18日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者杨星 申请人:杨星