基于鉑熱電阻高溫檢測系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

摘要:為了實現(xiàn)基于金屬鉑材料制作的熱電阻溫度傳感器在高溫測量環(huán)境下實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的精度高測量提出一種基于優(yōu)化電路參數(shù)及阻溫方程參數(shù)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計方案。設(shè)計利用恒壓源電路獲得穩(wěn)定的理想電壓通過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;設(shè)計優(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。通過熔融沉積成型(FDM)3D打印噴頭實驗平臺驗證了設(shè)計方案的有效性實現(xiàn)了在高溫測量環(huán)境下對溫度數(shù)據(jù)精度高測量的目的。
0.引言
       鉑熱電阻溫度傳感器被視為理想的測溫元件,因其測量范圍大測量精度高性能穩(wěn)定性好抗振性能強機械強度高耐高溫耐壓性能好等優(yōu)點被廣泛使用于各種實際測量環(huán)境下。然而在高溫環(huán)境下外界待測溫度會對測量電路和溫度傳感器造成一定程度的影響嚴重制約了溫度檢測系統(tǒng)的精度為了提高基于鉑熱電阻測溫系統(tǒng)的檢測精度提出了一種基于優(yōu)化電路參數(shù)及阻溫方程參數(shù)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計基本實現(xiàn)了對待測溫度測量區(qū)間的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計并通過FDM型3D打印噴頭實驗平臺驗證了本設(shè)計方法的有效性有效提高了溫度測量的正確性。
1檢測系統(tǒng)電路設(shè)計
       Pt100型鉑熱電阻測溫原理是金屬鉑的電阻阻值會隨溫度的增加而增加'21。傳統(tǒng)的溫度測量方法便是利用鉑熱電阻的這種特性測量在恒定電路中的鉑熱電阻兩端電壓反推其電阻阻值最后根據(jù)鉑熱電阻的阻溫特性函數(shù)關(guān)系得到測量環(huán)境的溫度值。
       常用弓|線接法有兩線制、三線制和四線制。其中兩線制接法為簡單但因為引入了不可控的引線電阻,因此會對測量精度產(chǎn)生較大的影響-般只使用在對測量精度要求不高的簡單測試中;有人提出了恒流源驅(qū)動四線制鉑熱電阻測量方法四線制接法將電源線與信號線分離開來可以較好避免引線電阻弓|起的測量誤差,但在獲得精度高測量結(jié)果的同時也會顯著增加設(shè)備成本和設(shè)計復(fù)雜度;三線制接法有效兼顧了測量精度和成本之間的關(guān)系被廣泛應(yīng).用在工業(yè)測量領(lǐng)域。
      通過研究對比各種測量方法的優(yōu)缺點設(shè)計了一種基于恒壓源控制的三線制惠斯登差分放大測量電路并通過優(yōu)化電路參數(shù)使得電壓變化范圍最大化后利用壓控二階低通濾波器有效抑制了電路噪聲對采樣信號的影響得到了正確性較高的電壓值，從而可以更加正確的計算出鉑熱電阻的阻值變化。

1.1恒壓源驅(qū)動電路
       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)定性對參考電壓與測量點電壓的精度有著直接影響。因此輸出電壓的穩(wěn)定性是恒壓源電路設(shè)計的重要標準。
電阻型溫度傳感器的自熱效應(yīng)是對測量精度影響的另-重要因素使用電阻型溫度傳感器時其自熱效應(yīng)必須注意['1。針對所采用的P100型熱電阻而言，必須保證其耗散功率不超過0.1mW[4]所以設(shè)計恒壓源輸出電壓為0.3V輸入電壓采用低功率、低飄移的REF3030芯片產(chǎn)生的基準電壓。恒壓源電路如圖2所示。

1.2惠斯登橋差分放大電路
       通過三線制接法將鉑熱電阻接入到惠斯登橋電路(如圖3)中并測量兩橋臂的電壓差進而通過計算得出鉑熱電阻的變化值,由于兩橋臂都有引|線電阻值所以引線電阻值所產(chǎn)生的誤差相互抵消不會對壓差產(chǎn)生影響。

       放大電路部分選取儀表放大器AD623其電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定且共模抑制較大性能優(yōu)越。
1.3二階壓控濾波電路
       電路數(shù)據(jù)采集過程中,不可避免地會混入干擾信號。常見的電路干擾信號有頻率在50Hz或60Hz的工頻噪聲以及其他高頻設(shè)備產(chǎn)生的噪聲等[5]。
一階低通濾波器的幅頻特性下降速率為-20dB/十倍頻不能很好地將電路中的噪聲頻率濾除為了提高濾波效率采用二階有源濾波電路使得噪聲的衰減率可以達到-40dB/十倍頻并且在有效抑制電路噪聲的同時避免了因為濾波電路電阻消耗產(chǎn)生的放大倍數(shù)降低。
2檢測系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
2.1電路參數(shù)優(yōu)化
       為了提高獲取信號的信噪比需要通過配置不同的電橋電阻使得電壓輸出變化范圍最大化從而進一步得到更加正確溫度變化測量結(jié)果。
惠斯登橋輸出的電壓滿足式(2)設(shè)待測溫度區(qū)間為[T1T2]則根據(jù)鉑熱電阻阻溫特性方程可以得到的其阻值單調(diào)變化區(qū)間為[RtrRt2,,]則


式中Ro=100ΩA=3.9083×10^-3,B=-5.775×10^-7,C=-4.27350×10¹²,為工業(yè)鉑電阻的特征參數(shù)。
       由阻溫特征曲線知隨著外界溫度的升高鉑熱電阻的非線性越來越嚴重”使得高溫環(huán)境直接計算會對處理器產(chǎn)生較大的計算量在嚴重制約測量系統(tǒng)的實時性的同時,普通嵌入式處理器對多位浮點數(shù)的計算精度也會嚴重影響溫度的真實值。因此有必要對其特征參數(shù)進行適當?shù)男Ｕ途€性化處理以提高器測量的精度。
      設(shè)待測溫度區(qū)間為[T1,T2]將其邊界溫度T1和T2(均大于零)分別與此時測量所得的鉑熱電阻阻值R:和Ru代入到式(6)中得到

3實驗驗證
3.1實驗步驟
根據(jù)上述電路優(yōu)化原理可以得到對Pt100型鉑熱電阻測溫系統(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)化方程計算惠登通電橋分壓電阻值R和儀表差分放大電路反饋電阻值Rc的優(yōu)化結(jié)果;
3)利用加熱控制系統(tǒng)使得溫度傳感器所測得的真實邊界溫度達到T1和T2,并利用提出溫度檢測系統(tǒng)對加熱系統(tǒng)進行測量得到T?1和T?2;
4)判斷是否T1-△T<T?1<T1+ΔT和T2-ΔT<T?2<T2+△T同時成立其中△T為允許誤差如果是則結(jié)束進行步驟(6)否則進行步驟(5);
5)反向求取T?1;和T?2所對應(yīng)的鉑熱電阻阻值Rd和Ru,并與邊界溫度T1和T2代入標準阻溫函數(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)Ã和B?并返回步驟(1);
6)利用端基線線性集合求得在待測溫度區(qū)間[T1;T2]內(nèi)線性優(yōu)化方程(式(9))。
3.2實驗結(jié)果
       為了驗證所提出優(yōu)化方法的有效性,以STM32F103ZET6處理器[7]為核心設(shè)計了溫度檢測電路并利用精度高熱電偶溫度采集儀和加熱可控的FDM型3D打印噴頭加熱平臺對提出的溫度檢測系統(tǒng)進行了溫度測量驗證設(shè)定目標溫度區(qū)間390~410℃以驗證本測溫系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的實際使用情況。優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

       當目標溫度區(qū)間設(shè)定為390~410C時因為高溫對測量系統(tǒng)的影響.直接測量會產(chǎn)生較大的誤差需要對特征函數(shù)參數(shù)進行優(yōu)化得到如表2測量數(shù)據(jù)。

4結(jié)論
       通過實驗表明,所提出的溫度檢測系統(tǒng)即使在高溫測量區(qū)間內(nèi)也可以有效的減少電路干擾信號對測量結(jié)果的影響得到較為正確的測量結(jié)果測量誤差在±0.5℃內(nèi)基本達到了設(shè)計要求。