馮志濤，李國富，楊光兵，秦玉峰

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061）

極地海底熱流調(diào)查是研究海洋地球動力學(xué)、海底熱液活動、大陸邊緣沉積盆地演化及開展海上油氣資源評價的重要基礎(chǔ)，對于維護(hù)極地海洋環(huán)境、服務(wù)國家極地戰(zhàn)略、參與國際極地資源開發(fā)等具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。海底泥溫場是海洋工程設(shè)計建造與運(yùn)行管理所需的重要環(huán)境條件，對海底結(jié)構(gòu)物的保溫、載流、疲勞、腐蝕和生物附著等都有一定的影響[1]。眾所周知，極地氣候惡劣，受洋流和反氣旋影響，常年溫度偏低，平均氣溫介于-40～-20℃間。在極地?zé)崃髡{(diào)查實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，某些極地海域海床溫度超出量程，例如特拉諾瓦海盆底質(zhì)的溫度接近-2℃[2]。因此，針對極地?zé)崃髡{(diào)查的工作環(huán)境及特點(diǎn)，研究有效的低溫段沉積物溫度測量技術(shù)必要性很強(qiáng)。

極地?zé)崃髡{(diào)查通常采用的是我國臺灣大學(xué)海洋研究所研制的OR-166 型附著式小型溫度計固定于重力柱狀采樣器的方式。另外，德國ANTARES 公司生產(chǎn)的MTL 溫度記錄儀和法國NKE 公司生產(chǎn)的THP 海底泥溫儀也是國際上較為成熟的海底溫度場探測設(shè)備。我國開展南、北極熱流調(diào)查工作相對較晚，數(shù)據(jù)相對匱乏。近年來，我國在熱流探測領(lǐng)域進(jìn)行了大量工作，研制開發(fā)了多款泥溫傳感器，關(guān)鍵性能指標(biāo)與市場成熟產(chǎn)品基本持平，代表性的研發(fā)機(jī)構(gòu)有國家海洋技術(shù)中心、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、廣東工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院南海海洋研究所等。但是，這些技術(shù)成果在實(shí)踐中應(yīng)用較少，海底熱流探測技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)科研機(jī)構(gòu)依然需要投入更大力量[3-6]。伴隨“建設(shè)海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實(shí)施，國內(nèi)海洋技術(shù)裝備的設(shè)計研發(fā)能力得到了極大提升，與世界先進(jìn)技術(shù)間的差距逐步縮小、甚至反超。因此，國內(nèi)熱流調(diào)查領(lǐng)域相關(guān)單位能使用國產(chǎn)泥溫傳感器，為其技術(shù)產(chǎn)業(yè)化提供應(yīng)用實(shí)踐平臺。

1 測溫電路工作原理

鉑（Pt）電阻傳感器是利用金屬鉑電阻值隨著溫度變化而變化的物理特性制成的溫度測量裝置[7]。鉑電阻自身線性度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特性決定了它在高精度測溫領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢。按照IEC751 國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的Pt1000（R0=1 000 Ω）是以溫度系數(shù)TCR=0.003 851 為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計的鉑電阻，其溫度電阻特性是：

當(dāng)T∈[-200℃，0℃]時

當(dāng)T∈[0℃，850℃]時

式中：RT為T℃時鉑（Pt1000）的電阻值；R0為其0℃時的電阻值；TCR=0.003 581 時的系數(shù)值為：A=3.908 3×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-2，C=-4.183×10-12℃-4。

恒流源測溫電路原理框圖如圖1 所示[8]。首先將恒流源電流加到精密電阻和Pt1000 電阻兩端，分別在高精電阻和Pt 電阻兩端得到兩個電壓信號，而后將兩個電壓信號進(jìn)行恰當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理。信號調(diào)理電路的性能直接關(guān)系到前端電阻與后端AD 轉(zhuǎn)換器輸入的電壓信號之間轉(zhuǎn)換的相關(guān)性。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，鉑電阻值發(fā)生變化，而高精電阻值保持不變，由于在其兩端加恒定電流，可得到與溫度變化相對應(yīng)的電壓信號，將鉑電阻兩端電壓信號輸入AD轉(zhuǎn)換器的輸入端，精密電阻兩端電壓作為基準(zhǔn)電壓，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后主控芯片進(jìn)行計算換算為溫度值。

圖1 恒流源測溫電路原理框圖

2 測溫電路關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)論證

2.1 測溫范圍

由于海洋表層受太陽輻射影響較大，而海洋深處受太陽輻射和表層熱量的傳導(dǎo)、對流影響較小。因此，從表層海水到1 000 m，水溫隨深度增加而迅速遞減，1 000 m 以下，水溫下降則變慢。全球海洋的水溫變化一般在-2～30℃間，其中年平均水溫超過20℃的區(qū)域占整個海洋面積的一半以上。海水溫度日變化較小，日溫度變化水深范圍從海表面深入到水下30 m 處，而年變化可到達(dá)水深350 m 左右處。在水深350 m 左右處，有一恒溫層。但隨深度增加，水溫逐漸下降，在水深3 000～4 000 m 處，溫度達(dá)到-1～2℃。在極地實(shí)際的調(diào)查作業(yè)過程，探測到海底泥溫最小值在-3℃以右。曾信等[4]研究表明海底的底層水溫往往波動較大，影響表層沉積物的溫度梯度，非常有必要對海洋水體溫度剖面以及海底沉積物—海水界面水層溫度進(jìn)行探測，通過熱傳導(dǎo)方程方式分析泥溫梯度。因此泥溫傳感器的溫度范圍上限應(yīng)涵蓋海水表層海水溫度，其下限應(yīng)涵蓋極地泥溫極小值，最終確定低溫段泥溫傳感器測溫范圍為-5～35℃，據(jù)此為保證在極地環(huán)境中布放階段電路正常工作，不出現(xiàn)宕機(jī)現(xiàn)象，電路工作溫度下限應(yīng)不高于-40℃[9-10]。

2.2 測溫精度

安永寧[1]研究提出，海底泥溫設(shè)計參數(shù)的推算方法主要分為2 種：一維熱傳導(dǎo)方程法和回歸分析方法，其中一維熱傳導(dǎo)方程無需水溫和泥溫實(shí)測支持，可基于海水底層與海底表層界面的同一性，僅借助水溫數(shù)據(jù)推算泥溫值。

一維熱傳導(dǎo)方程的微分形式為：

式中：T為泥溫；t為時間；k為沉積物導(dǎo)熱系數(shù)；d為測溫點(diǎn)深度。

其中，沉積物導(dǎo)熱系數(shù)可由經(jīng)驗數(shù)值給出，也可以通過實(shí)測數(shù)據(jù)計算得到，

式中：d1和d2為測溫點(diǎn)深度；T1和T2為兩測溫點(diǎn)溫度；t為溫度變化周期值。研究表明在3 350 m深的部分海域季節(jié)溫度變化依然會對海底沉積物產(chǎn)生一定的溫度波動影響[4]。由實(shí)測數(shù)據(jù)表明，底層水溫極大值出現(xiàn)在夏秋季節(jié)，而極小值出現(xiàn)在秋冬季節(jié)[9]，因此底層水溫變化是以年為周期的，不妨設(shè)定t為 365 d。

分析之前泥溫調(diào)查實(shí)測值，并依據(jù)上述公式加以計算驗證，泥—水界面隨著深度增加逐漸減小，結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐，本研究設(shè)定測溫精度不低于±0.01℃，可滿足沉積物溫度梯度測量。

3 電路的低溫工作特性分析

對測溫電路進(jìn)行低溫工作特性分析，需首先對測溫電路系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行分解。本研究設(shè)計電路為達(dá)到低溫可靠性要求，在設(shè)計之初，即確定在完成功能基礎(chǔ)上采用最簡化設(shè)計原則，實(shí)現(xiàn)芯片功能的兼并復(fù)用，電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了最簡。電路設(shè)計中，如何在保證性能的前提下精簡外圍電路是本研究中難度最高的工作。

電路按照功能分為MCU 主控單元、存儲單元、AD 轉(zhuǎn)換單元、電源管理單元和鋰電池主要核心器件，以及電阻、電容、晶振等外圍器件。下面將逐一對電容電阻低溫特性及失效風(fēng)險進(jìn)行分析。

（1）AD 轉(zhuǎn)換芯片

本研究AD 轉(zhuǎn)換芯片選用的是TI 公司制造的ADS1248 芯片，它是整個測溫電路的核心，該芯片可24 位采樣，內(nèi)置可編程增益放大器，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓溫漂為10 ppm/℃，且其工作溫度范圍為-40～125℃，儲藏溫度范圍-60～150℃。在接近-40～0℃降溫過程中，其放大器增益誤差（Gain Error）會逐步減弱，最大僅0.04%；輸入基準(zhǔn)補(bǔ)償在增益值最大時僅為6 uV；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率誤差（Data Rate Error）也會隨著溫度降低其性能會有改善，最大僅0.6%。此外，-40℃的低溫環(huán)境中，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓會下降0.003 V，約占標(biāo)稱幅值2.048 V 的0.15%，為避免引入該誤差本研究沒有采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。綜上，在-40℃低溫環(huán)境中，作為測溫電路的最核心器件，排除安裝焊接環(huán)節(jié)出現(xiàn)的虛焊風(fēng)險，ADS1248 幾乎不會對電路采樣性能形成任何威脅。

（2）MCU 主控芯片、電源芯片和存儲芯片

在低溫環(huán)境中，芯片的響應(yīng)速度(Response)、開始時間（Start-up）和建立時間(Set-up)等性能均會產(chǎn)生一定程度的遲滯，但是遲滯時間非常有限，不會造成芯片功能性的失效。電源芯片的輸出電平（Output Voltage）也會略有降低，但是依然在系統(tǒng)工作電平范圍之內(nèi)。因此，電路中主控芯片、電源芯片及存儲芯片不存在失效風(fēng)險。

（3）貼片電阻、電容元件

貼片電阻、電容均存在溫度系數(shù)，溫度變化時，其阻容值也會隨之變化。一般來說，電容值會伴隨溫度降低而升高，而電阻則相反。電容在-40℃條件下，其電容升高僅5%，這一誤差在可接受范圍內(nèi)，不會對電路運(yùn)行產(chǎn)生影響。本研究選用的貼片電阻溫度系數(shù)均為±50 ppm/℃，在從室溫（27℃）降至-40℃時，其溫度跨度約67℃，相應(yīng)電阻值變化約為：

這與其動輒1%至5%的阻值誤差相比，已經(jīng)在可接受范圍內(nèi)了。

（4）晶振

晶振是電子電路的心臟，它產(chǎn)生的時鐘信號是整個系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)拍，關(guān)系著整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究采用的FC-12M 晶振工作最低溫度極值可達(dá)到-40℃，在極地低溫條件下仍可正常工作。但在低溫環(huán)境下晶振確實(shí)存在著停振或者不起振的風(fēng)險，究其原因，是電路自身在低溫環(huán)境中激勵能力下降或晶振起振激勵需求增加造成的，亦即激勵不匹配造成的。針對此種情況，可選用容值略小一點(diǎn)的匹配電容，將有效降低激勵起振難度，降低時鐘停振風(fēng)險。

在解決掉晶振低溫環(huán)境正常工作的問題后，本文重點(diǎn)關(guān)注了其低溫條件下工作性能。低溫環(huán)境中晶振存在一定的頻率偏移，其工作性能直接關(guān)系到電路中的軟件延時、定時器計時、計數(shù)器、日歷等模塊的正常運(yùn)行，無源晶振FC-12M 的頻率溫度系數(shù)為-0.04×10-6/℃MAX，在從室溫（27℃）降至-40℃的極限情況下，其頻率變化為

這一誤差與晶振固有的頻率穩(wěn)定度誤差20 ppm 相比，可基本忽略其影響。

（5）電池

鋰電池在低溫條件下，由于電解液傳輸性能變差、金屬鋰沉積以及擴(kuò)散速度變慢等因素綜合影響，其放電能力及容量均會出現(xiàn)下滑，在極地低溫環(huán)境使用，對電池的要求也相對更加苛刻[11]。本研究采用的是ER4250 型一次鋰亞硫酰氯高能量型電池，其標(biāo)稱電壓為3.6 V，標(biāo)稱容量1.2 AH，最大連續(xù)放點(diǎn)電流40 mA，工作溫度范圍為-55～85℃，其電壓—溫度曲線圖見圖2。

圖2 可見，電池隨著溫度下降，其放電電壓出現(xiàn)了明顯的下降，最低接近了3.0 V，對電路運(yùn)行產(chǎn)生了很大威脅，極有可能出現(xiàn)失效風(fēng)險，但是這一問題可以通過增加電池串聯(lián)數(shù)量，提高電路輸入端電壓的方式解決。本研究中的測溫電路功耗較小，能力下降則不會對電路運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。本研究中的測溫電路在完成布放前配置后進(jìn)入待機(jī)模式，待到達(dá)啟動時間通過內(nèi)部中斷啟動測量電路。在該模式下，系統(tǒng)內(nèi)除MCU 中的RTC 之外的所有模塊電路均處于休眠模式，電源管理芯片處于關(guān)閉狀態(tài)，該狀態(tài)下的靜態(tài)電流約為0.15 uA，系統(tǒng)待機(jī)總電流不超過7 uA，在該模式下，如圖2 中橙色曲線所示，低溫狀態(tài)（-30℃為例）電池電壓不會低于電源管理芯片可允許的最低輸入門限，亦即電路不存在低溫宕機(jī)風(fēng)險。電路工作電流范圍在15～20 mA 之間，該電路可通過上位機(jī)設(shè)定開機(jī)時間，在極端低溫氣候條件下可設(shè)置傳感器入水后啟動電路，此時水溫相對氣溫較高，參考圖2 藍(lán)色曲線，可知電壓輸出仍然可滿足需要。

圖2 ER14250 電池電壓-溫度曲線圖

4 測溫電路精度分析及低溫工作測試

在國家海洋技術(shù)中心恒溫標(biāo)定水槽完成了0℃以上溫度段的標(biāo)定試驗。

圖3 0℃溫度點(diǎn)溫度變化曲線

從本次試驗對象中選取是3 支傳感器，并以0℃標(biāo)定點(diǎn)為例對傳感器測溫性能展開分析。由于極地海底沉積物泥溫約3℃左右，因此該溫度點(diǎn)工作性能具有較好的代表性。截取控溫點(diǎn)前5 分鐘內(nèi)的測溫數(shù)據(jù)，每20 s 一組數(shù)據(jù)，每個傳感器各16 個溫度點(diǎn)。將其繪制成溫度變化曲線，其溫度t(℃)與時間t的關(guān)系圖如圖3。由圖3 可見，3 支傳感器測溫曲線波動具有較好的一致性，曲線之間相同時間點(diǎn)通道差值控制在0.005℃以內(nèi)，總體誤差控制在可接受范圍內(nèi)，優(yōu)于±0.01℃的設(shè)計指標(biāo)。

由相鄰值之間的差值的絕對值|xi-xi-1|可觀察其相鄰數(shù)據(jù)震蕩情況，該數(shù)據(jù)主要可反映出電路在恒定溫度點(diǎn)的流體環(huán)境中，基本排除外界環(huán)境溫度的擾動之后電路自身的系統(tǒng)噪聲水平。圖4 中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為泥溫傳感器相鄰測量值之間差值的絕對值，由圖4 可知，在總體45 個抖動值中，只有43 個抖動值在0.003℃以內(nèi)，占總數(shù)據(jù)量的95.6%。數(shù)據(jù)震蕩值表現(xiàn)較好，也反映出傳感器電路系統(tǒng)噪聲性能較為優(yōu)異，這得益于電路設(shè)計階段確立的最簡化設(shè)計原則，電路結(jié)構(gòu)最大程度簡化，降低了系統(tǒng)噪聲，同時也降低了系統(tǒng)的失效風(fēng)險。

圖4 相鄰值震蕩特性曲線

最后將測量值與標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)值（0.206℃）相減，并取其絕對值，可獲取其測溫的正偏差柱狀統(tǒng)計圖，見圖5。通過柱狀統(tǒng)計圖，可清晰的看到偏差分布的區(qū)間，約有74%的樣本數(shù)據(jù)偏差位于0～1.25×10-3℃區(qū)間，大約98%的樣本偏差位于0～2.5×10-3℃區(qū)間內(nèi)，最大偏不超過4×10-3℃，且僅占總樣本數(shù)的2%。

圖5 測量值與標(biāo)準(zhǔn)值正偏差統(tǒng)計

2018 年12 月3 日，在國家海洋技術(shù)中心實(shí)驗室完成了-5℃溫度點(diǎn)的溫度標(biāo)定試驗，試驗步驟與前述相同。試驗歷時1 h，獲取了傳感器在低溫段下測溫數(shù)據(jù)。

圖6 -5℃溫度標(biāo)定試驗與RBR 溫度傳感器比測曲線

試驗恒溫水槽采用FLUKE7381 恒溫標(biāo)定水槽，標(biāo)準(zhǔn)溫度采用加拿大RBR 溫深傳感器溫度測量值。獲取的數(shù)據(jù)溫度曲線如圖6 所示。通過觀察，紅色曲線為RBR 傳感器測定值，藍(lán)色和綠色曲線分別為泥溫傳感器測定值，可見3 條曲線之間偏差較小，數(shù)據(jù)一致性較好，數(shù)據(jù)偏差值控制在±0.003℃以內(nèi)。

由于水槽控溫精度略有欠缺，可采用控溫時間段內(nèi)數(shù)據(jù)求均值的方法來消除波動誤差，將三者溫度求取平均值，可得表1。

表1 傳感器與RBR 溫傳感器數(shù)據(jù)均值對比

可見在低溫段其平均測溫誤差基本控制在0.000 7℃，其測溫精度性能已達(dá)到設(shè)計參數(shù)。

圖7 冰箱冷凍室低溫環(huán)境測試溫度變化曲線

隨機(jī)選取2 支泥溫傳感器在冰箱冷凍室進(jìn)行低溫工作測試，試驗容器采用密封盒，內(nèi)部灌滿無水酒精。經(jīng)測試，泥溫傳感器在冰箱低溫環(huán)境中工作穩(wěn)定，測溫數(shù)據(jù)平滑，一致性較好，最低測試溫度約為-16.32℃。通過測試，印證了泥溫傳感器經(jīng)受住了低溫環(huán)境的考驗，其工作性能穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫段的泥溫高精度測量。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于Pt1000 電阻為感溫元件的高精度泥溫傳感器電路，并針對泥溫傳感器電路低溫環(huán)境中的工作特性進(jìn)行了分析，將電路按模塊進(jìn)行分解，從基礎(chǔ)參數(shù)入手分析各模塊中可能存在的失效風(fēng)險因素，從設(shè)計階段排除導(dǎo)致電路失效的隱患，該電路低溫各模塊工作特性符合低溫環(huán)境中的測量需求。本文還對低溫段測溫電路進(jìn)行了低溫環(huán)境運(yùn)行測試。測試結(jié)果表明，該電路在低溫環(huán)境中運(yùn)行正常，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，未發(fā)現(xiàn)測量值劇烈抖動等現(xiàn)象，電路測溫精度優(yōu)于±0.01℃，可滿足海底淺層底質(zhì)的溫度梯度測量工作需求，準(zhǔn)確獲取沉積物各層間的縱向溫度梯度的分布數(shù)據(jù)。