基于鉑熱電阻高溫檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

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)的精度高測(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)精度高測(cè)量的目的。
0.引言
       鉑熱電阻溫度傳感器被視為理想的測(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)量的正確性。
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'21。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最后根據(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。
       常用弓|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-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)線分離開來可以較好避免引線電阻弓|起的測(cè)量誤差,但在獲得精度高測(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(duì)采樣信號(hào)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(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(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-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['1。針對(duì)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(jì)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(zhǔn)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(cè)量?jī)蓸虮鄣碾妷翰钸M(jìn)而通過計(jì)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(huì)對(duì)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(jiǎn)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(huì)混入干擾信號(hào)。常見的電路干擾信號(hào)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(dá)到-40dB/十倍頻并且在有效抑制電路噪聲的同時(shí)避免了因?yàn)闉V波電路電阻消耗產(chǎn)生的放大倍數(shù)降低。
2檢測(cè)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(hào)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(jìn)一步得到更加正確溫度變化測(cè)量結(jié)果。
惠斯登橋輸出的電壓滿足式(2)設(shè)待測(cè)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(yán)重”使得高溫環(huán)境直接計(jì)算會(huì)對(duì)處理器產(chǎn)生較大的計(jì)算量在嚴(yán)重制約測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的同時(shí),普通嵌入式處理器對(duì)多位浮點(diǎn)數(shù)的計(jì)算精度也會(huì)嚴(yán)重影響溫度的真實(shí)值。因此有必要對(duì)其特征參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ途€性化處理以提高器測(cè)量的精度。
      設(shè)待測(cè)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(shí)測(cè)量所得的鉑熱電阻阻值R:和Ru代入到式(6)中得到

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(cè)得的真實(shí)邊界溫度達(dá)到T1和T2,并利用提出溫度檢測(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-△T<T?1<T1+ΔT和T2-ΔT<T?2<T2+△T同時(shí)成立其中△T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)Ã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)證所提出優(yōu)化方法的有效性,以STM32F103ZET6處理器[7]為核心設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)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(tái)對(duì)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390~410C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
       通過實(shí)驗(yàn)表明,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)果的影響得到較為正確的測(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。