金屬熱電阻溫度傳感器在多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的

摘要:熱電阻具有測溫范圍大.穩(wěn)定性好和耐氧化等特點(diǎn)，在溫度測量中占有重要的地位。分析了金屬熱電阻溫度傳感器的工作原理。以鉑金屬溫度傳感器PT100為例給出了其在多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)由溫度傳感器PT100.觸摸屏、可編程控制器、溫度模塊等組成，由于溫度模塊、觸摸屏、可編程控制器可對輸入量同時采用硬件和軟件的非線形補(bǔ)償,故具有精度高、可靠性較好、電路簡單、成本低、體積小、生產(chǎn)調(diào)試方便等特點(diǎn)。
一、鉑熱電阻傳感器
　　熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化來測量溫度的一種溫度敏感元件,它的特點(diǎn)是精度高，靈敏度高，測量范圍大，無需參考點(diǎn)。金屬熱電阻傳感器的感溫元件是由純金屬制成。當(dāng)溫度變化時，感溫元件的電阻值隨溫度而變化，這樣就可將變化的電阻值作為電信號輸入測量儀表,通過測量電路的轉(zhuǎn)換，即可得到被測溫度。
1、工作原理
　　實(shí)驗(yàn)表明，許多純金屬的電阻率在很寬的溫度范圍內(nèi)可以用布洛赫格林愛森公式描述，即:
 
　　由(2)式可見，在德拜溫度附近的“高溫”下，金屬的電阻率與溫度成正比。制作熱電阻的理想材料有鉑、銅、鎳等。金屬熱電阻根據(jù)感溫元件的材料及適用溫度范圍一般可分為鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻和低溫用熱電阻等。
2、鉑熱電阻傳感器
　　鉑熱電阻由以金屬鉑作為感溫元件。它的特點(diǎn)是:線性度好、測量準(zhǔn)確、互換性好、抗振動沖擊的性能好。鉑熱電阻的使用溫度范圍是-200C~850℃，其電阻與溫度的關(guān)系為:
 
　　鉑熱電阻由于易于提純，在氧化介質(zhì)和高溫下的物理化學(xué)性能及其穩(wěn)定，工藝性好，可拉成極細(xì)的絲，因此，除用作一般的工業(yè)測溫外，在國際實(shí)用溫標(biāo)中，作為從-259.34C~630.74℃溫度范圍內(nèi)的溫度基準(zhǔn)。
二、鉑熱電阻溫度傳感器在多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
1、系統(tǒng)構(gòu)成
　　本系統(tǒng)為32路溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其中溫度傳感器采用三線式鉑熱電阻溫度傳感器PT100，溫度模塊DVP-04PT作為信號采集單元，一個溫度模塊可采集4路溫度信號，共采用8個溫度模塊,溫度模塊不占用PLC系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)。可編程控制器采用臺達(dá)DVP-SS系列PLC,人機(jī)界面采用DOPA57CSTD型256色液晶顯示觸摸屏，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
2、觸摸屏及其在系統(tǒng)中的作用
　　采用中達(dá)電通DOPA57CSTD型256色液晶顯示觸摸屏，用以實(shí)現(xiàn)各控制點(diǎn)參數(shù)的動態(tài)顯示、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、故障診斷提示等功能、各裝置工藝流程圖等。具有畫面中元件使用權(quán)限等級設(shè)定功能。其中觸摸屏畫面首頁如圖2所示，具體某一路溫度的監(jiān)控畫面(含溫度實(shí)時曲線和數(shù)字顯示)如圖3所示。溫度集中.監(jiān)控是指32路溫度數(shù)據(jù)在同一畫面上集中顯示，分區(qū)監(jiān)控是根據(jù)工藝需要將一部分(如某幾個監(jiān)控點(diǎn))溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)(如報警值、適時曲線等)進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)資料的組合式集中監(jiān)控，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定可進(jìn)行時間設(shè)定、亮度調(diào)整、相關(guān)參數(shù)的初始化等，溫度報警范圍設(shè)定主要用以設(shè)定報警上下限溫度值，系統(tǒng)故障提示畫面主要用來顯示溫度模塊、電源模塊、PLC程序、傳感器等可能出現(xiàn)的故障狀態(tài)，以便于在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時維護(hù)人員能及時處理，縮短故障排除時間，提高系統(tǒng)維護(hù)效率。通道開啟設(shè)定用來開啟或關(guān)閉32個通道的部分或全體，用以配合進(jìn)行傳感器故障診斷、避免傳感器非工作狀態(tài)下不必要的溫度顯示等，系統(tǒng)操作使用說明可幫助操作人員掌握整個系統(tǒng)的操作要領(lǐng)，操作等級權(quán)限設(shè)定主要用于驗(yàn)證、設(shè)定相關(guān)操作的權(quán)限級別，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
 
3、PLC與測溫模塊
　　本控制系統(tǒng)采用臺達(dá)DVP-SS系列PLC,可編程控制器的主要作用是從溫度模塊讀取相應(yīng)的各通道溫度數(shù)據(jù)，接收來自觸摸屏的相關(guān)參數(shù)設(shè)定，并通過繼電器輸出控制相關(guān)溫控設(shè)備的起停進(jìn)而達(dá)到多路溫度自動控制的目的。系統(tǒng)所用溫度模塊的具體型號為DVP04PT-S.一個溫度模塊可接受外部4點(diǎn)鉑金屬溫度傳感器，將之轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字信號。通過DVP-PLC主機(jī)程序的FROM/TO指令來讀寫模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，模塊內(nèi)具有49個CR(ControlledRegister)緩存器，每個緩存器有l(wèi)6Bits.可選擇攝氏溫度或華氏溫度，攝氏溫度輸入解析度為0.1℃，華氏溫度輸入解析度為0.18下。
　　在鉑電阻溫度測控系統(tǒng)中，一般的做法是將鉑電阻經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成電壓,再經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入微機(jī),經(jīng)計(jì)算獲得測量值。在某些場合下要求很高的測量精度,這時要求A/D轉(zhuǎn)換器、變送器都應(yīng)有較高的精度。鉑電阻器自身的非線性，對變送器的設(shè)計(jì)有一定的要求，否則不能保證測量精度，另外在工業(yè)現(xiàn)場中，存在電源波動以及大量的電磁和噪干擾,設(shè)計(jì)變送器時要充分地考慮這些影響，才能保證測量精度。溫度模塊DVP04PT-S成功地解決了以上問題，測試結(jié)果表明，在-200℃~600℃范圍內(nèi)，輸入電阻值與溫度的對應(yīng)關(guān)系完全符合鉑100熱電阻分度表。
4、鉑熱電阻傳感器的選擇.及偏差補(bǔ)償
(1)選用兩線式鉑電阻溫度傳感器PT100
　　從測溫點(diǎn)到測量變換電路之間的布線長度少則幾米，多則幾十米甚至上百米，這樣長的連接導(dǎo)線，即使不計(jì)熱噪電阻，它自身的引線電阻也是相當(dāng)可觀的。如50~100m長的連接導(dǎo)線，引線電阻--般為4~10Ω。而對常用的Pt100鉑電阻來說，溫度的變化率約為0.39Ω/℃，與該變化率相比，引線電阻對測量精度的影響不容忽視。
　　針對熱電阻測量中引起誤差的主要原因，提出一種通過觸摸屏進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ梢杂行€電阻的影響，由于導(dǎo)線阻值擊其他因素所造成的現(xiàn)場實(shí)際溫度與觸摸屏顯示溫度的偏差可方便地進(jìn)行補(bǔ)償校正，操作方便直觀，其中1-8通道溫度偏差補(bǔ)償畫面如圖4所示。圖中溫度值顯示在系統(tǒng)調(diào)試校準(zhǔn)時，可方便于溫度偏差的獲取。
 
(2)選用三線式鉑電阻溫度傳感器PT100
　　一般熱電阻的阻值在幾十至幾百歐范圍內(nèi)變化。熱電阻的引線常處于被測溫度環(huán)境,溫度波動較大,其阻值隨溫度的變化難以估計(jì)和修正。為了消除導(dǎo)線電阻影響,引線常采用三線制,使測量誤差得到了-定的補(bǔ)償,但導(dǎo)線的影響依然存在。由于引線電阻的大小隨現(xiàn)場施工條件而變化,測量和補(bǔ)償都比較困難。本系統(tǒng)采用偏差和增益兩種補(bǔ)償方式，由于鉑電阻器自身的非線性所造成的數(shù)值誤差已通過溫度模塊解決，而由于導(dǎo)線電阻帶來的影響可通過觸摸屏偏差、增益設(shè)定和相關(guān)PLC程序解決，因而系統(tǒng)具有較高的測溫精度。
三、結(jié)語
　　利用鉑熱電阻溫度傳感器線性度好、測量準(zhǔn)確、互換性好、抗振動沖擊的性能好的特點(diǎn)。采用觸摸屏、溫度模塊、PLC組成多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)了溫度模塊組、PLC程序、傳感器工作狀態(tài)等軟、硬件比較綜合的故障適時診斷功能，縮短了故障診斷的時間，提高了工程技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)的效率。該控制系統(tǒng)具有可靠性高、操作方便、易于維護(hù)等特點(diǎn)。將溫度模塊調(diào)整為DVP-04AD模擬信號輸入模塊、DVP-04TC溫度量測模塊(J/K熱電耦)、DVP-06XA模擬輸入輸出混合模塊,配合不同的傳感器和變送器，可進(jìn)行溫度、濕度、壓力、流量等多種參數(shù)的集中監(jiān)控，成熟的模塊化電路、靈活可靠的PLC技術(shù)、直觀方便的觸摸屏人機(jī)畫面、多種模塊與PLC主機(jī)的積木化安裝，使得整個控制系統(tǒng)安裝、調(diào)試、操作、維護(hù)方便，具有精度高、可靠性好、體積小、生產(chǎn)調(diào)試方便等特點(diǎn)，具有一定的推廣價值。