作時(shí)間:2019-04-08 來(lái)源:. 中國(guó)科學(xué)院 太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 作者:霍 鈺,王 功
摘 要: 為了實(shí)現(xiàn)基于金屬鉑材料制作的熱電阻溫度傳感器在高溫測(cè)量環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量,提出一種基于優(yōu)化電路參數(shù)及阻溫方程參數(shù)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)利用恒壓源電路,獲得穩(wěn)定的理想電壓,通過(guò)不平衡電橋差分放大電路和二階有源濾波電路得到理想采集信號(hào); 設(shè)計(jì)優(yōu)化了電路參數(shù),校正了鉑熱電阻因高溫產(chǎn)生的非線性。通過(guò)熔融沉積成型( FDM) 3D 打印噴頭實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性,實(shí)現(xiàn)了在高溫測(cè)量環(huán)境下對(duì)溫度數(shù)據(jù)高精度測(cè)量的目的。khf壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
引 言
鉑熱電阻溫度傳感器被視為#為理想的測(cè)溫元件,因其測(cè)量范圍大,測(cè)量精度高,性能穩(wěn)定性好,抗振性能強(qiáng),機(jī)械強(qiáng)度高,耐高溫耐壓性能好[1]等優(yōu)點(diǎn),被廣泛使用于各種實(shí)際測(cè)量環(huán)境下。然而,在高溫環(huán)境下,外界待測(cè)溫度會(huì)對(duì)測(cè)量電路和溫度傳感器造成一定程度的影響,嚴(yán)重制約了溫度檢測(cè)系統(tǒng)的精度,為了提高基于鉑熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的檢測(cè)精度,本文提出了一種基于優(yōu)化電路參數(shù)及阻溫方程參數(shù)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)溫度測(cè)量區(qū)間的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò) FDM 型 3D 打印噴頭實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的有效性,有效提高了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。
1 檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
Pt100 型鉑熱電阻測(cè)溫原理是金屬鉑的電阻阻值會(huì)隨溫度的增加而增加[2]。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法便是利用鉑
熱電阻的這種特性,測(cè)量在恒定電路中的鉑熱電阻兩端電壓,反推其電阻阻值,#后根據(jù)鉑熱電阻的阻溫特性函數(shù)關(guān)系得到測(cè)量環(huán)境的溫度值。
常用引線接法有兩線制、三線制和四線制。其中,兩線制接法#為簡(jiǎn)單,但因?yàn)橐肓瞬豢煽氐囊電阻,因此會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生較大的影響,一般只使用在對(duì)測(cè)量精度要求不高的簡(jiǎn)單測(cè)試中; 有人提出了恒流源驅(qū)動(dòng)四線制鉑熱電阻測(cè)量方法,四線制接法將電源線與信號(hào)線分離開來(lái),可以較好避免引線電阻引起的測(cè)量誤差,但在獲得高精度測(cè)量結(jié)果的同時(shí),也會(huì)顯著增加設(shè)備成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度; 三線制接法有效兼顧了測(cè)量精度和成本之間的關(guān)系,被廣泛應(yīng)用在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。
通過(guò)研究對(duì)比各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于恒壓源控制的三線制惠斯登差分放大測(cè)量電路,并通過(guò)優(yōu)化電路參數(shù)使得電壓變化范圍#大化,后利用壓控二階低通濾波器有效抑制了電路噪聲對(duì)采樣信號(hào)的影響,得到了準(zhǔn)確性較高的電壓值,從而可以更加精que的計(jì)算出鉑熱電阻的阻值變化。
1. 1 恒壓源驅(qū)動(dòng)電路
恒壓源電路為惠斯登橋差分放大電路提供電壓,其電壓的穩(wěn)定性對(duì)參考電壓與測(cè)量點(diǎn)電壓的準(zhǔn)確度有著直接影響。因此,輸出電壓的穩(wěn)定性是恒壓源電路設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。電阻型溫度傳感器的自熱效應(yīng)是對(duì)測(cè)量精度影響的另一重要因素,使用電阻型溫度傳感器時(shí),其自熱效應(yīng)必須注意[3]。針對(duì)本文所采用的 Pt100 型熱電阻而言,必須保證其耗散功率不超過(guò) 0. 1 mW[4],所以設(shè)計(jì)恒壓源輸出電壓為 0. 3 V,輸入電壓采用低功率、低飄移的 REF3030 芯片產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。恒壓源電路如圖 2 所示。
在該系統(tǒng)中輸入電壓 U0 = 3 V,輸出電壓滿足
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3. 1 實(shí)驗(yàn)步驟
根據(jù)上述電路優(yōu)化原理可以得到對(duì) Pt100 型鉑熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)化方法,其步驟如下:
1) 根據(jù)初始特征參數(shù)函數(shù)關(guān)系,確定在待測(cè)溫度區(qū)間[T1,T2]的邊界阻值 RT1和 RT2 ;
2) 根據(jù)電路優(yōu)化方程計(jì)算惠登通電橋分壓電阻值 R1和儀表差分放大電路反饋電阻值 RG 的優(yōu)化結(jié)果;
3) 利用精密加熱控制系統(tǒng),使得精密溫度傳感器所測(cè)得的真實(shí)邊界溫度達(dá)到 T1 和 T2,并利用本文提出溫度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量得到 T'1和 T'2 ;
4) 判斷是否 T1 - ΔT < T'1 < T1 + ΔT 和 T2 - ΔT < T'2 <T2 + ΔT 同時(shí)成立,其中 ΔT 為允許誤差,如果是,則結(jié)束進(jìn)行步驟( 6) ,否則,進(jìn)行步驟( 5) ;
5) 反向求取 T'1和 T'2所對(duì)應(yīng)的鉑熱電阻阻值 Rd 和 Ru,并與邊界溫度 T1 和 T2 代入標(biāo)準(zhǔn)阻溫函數(shù)關(guān)系式中,修正得到特定溫度區(qū)間內(nèi)的特征參數(shù) A 和 B,并返回步驟( 1) ;
6) 利用端基線線性集合求得在待測(cè)溫度區(qū)間[T1,T2]內(nèi)線性優(yōu)化方程( 式( 9) ) 。
3. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn) 證 本 文 所 提 出 優(yōu) 化 方 法 的有效性,本 文 以STM32F103ZET6 處理器[7]為核心設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)電路,并利用高精度熱電偶溫度采集儀和加熱可控的 FDM 型3D 打印噴頭加熱平臺(tái)對(duì)本文提出的溫度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度測(cè)量驗(yàn)證,設(shè)定目標(biāo)溫度區(qū)間 390 ~ 410 ℃ 以驗(yàn)證本測(cè)溫系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的實(shí)際使用情況。優(yōu)化結(jié)果如表 1 所示。
當(dāng)目標(biāo)溫度區(qū)間設(shè)定為 390 ~ 410 ℃時(shí),因?yàn)楦邷貙?duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響,直接測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,需要對(duì)特征函數(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到如表 2 測(cè)量數(shù)據(jù)
4 結(jié) 論
通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,本文所提出的溫度檢測(cè)系統(tǒng)即使在高溫測(cè)量區(qū)間內(nèi),也可以有效的減少電路干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,測(cè)量誤差在 ± 0. 5 ℃內(nèi),基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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