测温电阻

测温电阻（通用4篇）

测温电阻 篇1

1. 问题

MLS3626型生料立磨, 采用WZPK-335/PT100型铠装热电阻, 长度5 m, 直接插入磨辊中心轴承内1 m进行磨辊测温, 热电阻端子引出线由电缆通过磨壁测温孔引出。受磨辊上下移动及磨内负压和物料的双重磨损影响, 设备极易出现热电阻开路、短路和温度波动等故障, 导致立磨温度连锁跳停。参考2009年《水泥》杂志第9期《对立磨辊测温热电阻的改造》一文进行改进, 取得一定效果, 但使用2月左右, 问题复现, 严重影响生料立磨正常运行。

2. 改进

采用AFP氟塑料绝缘及护套铜丝屏蔽高温电缆替代原装普通电缆, 以适应磨内约150℃的温度。分别在3个磨辊热电阻安装处和磨内负压上风处制作防风扫隔离板, 将进入磨辊的线缆用软管穿入, 既防止风扫, 又防止磨内物料的冲刷。先用电缆可靠接入热电阻接线盒接线柱处, 然后使用环氧树脂将接线盒浇灌密封, 防止磨辊移动导致接线柱处接线接触不良或折断。

3. 效果

改进后磨内线缆利用率有效延长, 提高了磨辊温度检测的可靠性, 1年内未出现因磨辊温度连锁跳停主机事故。检修时只需检查防风扫隔离板即可, 极大降低使用成本及检修难度, 确保立磨安全稳定运行。

测温电阻 篇2

关键词：铂电阻,温度测量,线性最小二乘,卡尔曼滤波

0 引言

温度不但是十分重要的物理参数,也是表示工业生产状态的重要参数,它的变化和分布将影响到工业运行的可持续性。

温度测量技术成熟,属于敏感元器件,既包括了热电阻、热敏电阻、热电偶等传统的温度传感器,又包括了数字温度和集成温度传感器,以及光学对高温测量的温度传感器。其中热电阻,尤其是铂电阻的测温方法,以其高精度、高灵敏的特性,长期在中、低温测量中占有重要地位。

1 基于铂电阻测温拟合算法

铂电阻温度精度虽在测量过程中呈线性曲线,但是测量温度精度无法满足期望值,铂电阻温度精度提高的方法有3种:

(1)使用四线制物理接法对测量误差进行补偿。四线制是指在热电阻的根部两端分别连接两根导线,为热电阻提供恒流I,把电阻值R转换成电信号U,再通过另外两根导线把电信号U引至测量端。这种四线制引线方法可以完全消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。

(2)数字滤波器对采样信号滤波,减少随机误差。数字滤波器是通过软件算法对多次采样A/D转换后出现的一些随机误差、结果偏离的真实值进行处理,并得到一个可信度较高的结果。

(3)运用软件算法对铂电阻线性度校正。铂电阻的线性度较好,可是采集温度值和实测温度值有较大的偏离,精确度不高。通常研究人员会采用算法进行标度变换的方式计算温度值,这样不但提高了运算速度,减少了单片机内部资源消耗,而且在一定程度上对铂电阻线性度进行了校正,得到精确的测温数据。

本研究采用卡尔曼滤波器加线性最小二乘法的组合方法进行校正拟合,以提高测温精度。

1.1 卡尔曼滤波器模型

卡尔曼滤波在控制系统工程中应用广泛[1],其利用目标的动态信息,设法消掉噪声的影响,得到一个目标位置估计。在温度测量过程中,卡尔曼滤波采用递归方式解决离散数据线性滤波问题,通过时间更新和测量更新,使滤波收敛,得出温度大概范围。

1.2 线性最小二乘法

本研究选用一次多项式作为拟合公式,即采用线性最小二乘法,它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配,使得测量数据与实际数据之间误差的平方和最小。表达式如下:

式(1)中:Y—拟合后温度数据;X—实测温度数据;A,B—待定系数。

由于实测温度值与测量温度值满足线性关系,采用最小二乘法作为拟合算法,既可以使单片机少占用资源,又可以对铂电阻进行线性化校正,达到非常精确的测温效果。

2 仿真及结果

假设在一段时间内,环境温度选择在15℃ ~25℃ 之间,间隔为1℃的温度点进行升温仿真实验,铂电阻对环境温度变化进行测温,具体步骤见图1。

(1)卡尔曼滤波对估计温度范围误差进行处理,并选取实际测量温度范围内一个值作为中心点,即X数据。滤波后温度中心值数据如表1所示。

卡尔曼滤波后的温度中心值曲线如图2所示。

(2)在卡尔曼滤波后的温度[2]中心值基础上,求得线性最小二乘A,B系数。

求得A= 1.006164,B= 0.062954697。

(3)将X,A,B带入公式Y=AX+B中,可得线性最小二乘公式为:

其中X为滤波后温度中心值变量。拟合后数据如表2所示。

线性最小二乘拟合后的温度曲线如图3所示。

将最小二乘拟合后温度数据[3]与卡尔曼滤波后温度数据进行比较,如图4所示。

3 结语

本文针对铂电阻测温的线性拟合,引入卡尔曼滤波器与最小二乘法组合算法进行测温数据拟合,并利用Mat-lab平台对测温精度进行对比。仿真结果表明,单独使用卡尔曼滤波器虽然可以使测量温度的范围接近实际温度[4],但是与标定测量温度仍存在一定偏差,而同时使用卡尔曼滤波器与最小二乘法组合的算法,改善了铂电阻的线性度[5],提高了测温精度。

参考文献

[1]丁克良,沈云中,欧吉坤.整体最小二乘法直线拟合[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2010(1):125-129.

[2]蔡彬彬,包亚莉.基于铂热电阻PT100的USB测温仪的设计[J].微计算机信息,2008,41(24):186-188.

[3]李志斌.一种新型的热电偶、热电阻自动检定系统[J].微计算机信息,2007,5(1):191-192,204.

[4]才智,范长胜,杨冬霞.PT100铂热电阻温度测量系统的设计[J].现代电子技术,2008(20):172-174,177.

测温电阻 篇3

Pt100铂热电阻是一种精度高、线性度好、测量范围宽的温度传感器[1]。在0℃时Pt100铂热电阻的阻值为100Ω, 且随着温度上升阻值呈近似匀速增长, 阻值-温度曲线趋近于一条直线[2,3,4]。传统的铂热电阻测温方式主要有两线制和三线制2种, 前者存在测量结果受线路阻抗影响大而存在误差的问题, 后者需增设模拟开关频繁切换2个回路, 导致电路寿命降低, 接线复杂。为此, 本文提出以差分方式消除线路阻抗影响的方法, 设计了一种基于Pt100铂热电阻的测温电路。

1 Pt100铂热电阻测温原理

Pt100铂热电阻的工作原理:已知电阻与温度的关系, 用测量电阻的方法来推算出温度。

Pt100铂热电阻的阻值与温度之间的关系可表示为

式中:Rpt为环境温度T下Pt100铂热电阻的阻值;R0为0℃时Pt100铂热电阻的阻值;A=3.908 3×10-3;B=-5.775×10-7;C=-4.183×10-12。

根据式 (1) , 可得到Pt100铂热电阻在各个温度下的阻值。

2 测温电路硬件设计

测温电路的硬件框图如图1所示, 由电源电路、基准电压电路、电流源发生电路以及信号调理电路组成。

2.1 电流源发生电路

电流源发生电路主要由运算放大器和三极管组成, 如图2所示, 其中Vin为输入电压, Iout为输出电流。

由图2可得

式中:β1, β2分别为三极管Q1, Q2的电流放大系数。

实际应用中, Vin为基准电压电路输入的恒定电压, 选取不同的R1即可得到期望输出的恒定电流[5]。由于三极管的电流放大系数远远大于1, 所以。

2.2 信号调理电路

为消除测温电路线路阻抗对输出结果的影响, 采用差分方式将线路阻抗引起的偏差消除[6], 然后放大得到理想的输出电平。信号调理电路如图3所示, 其中Vpt为电流源发生电路输出的恒定电流Iout流经Pt100铂热电阻产生的电压信号;Vref为为了消除线路阻抗而设置的参考电压。

由图3可得

式中:Vo为Vpt经差分放大后的输出信号;。

3 参数计算

在实际应用中, 铂热电阻到接入端距离往往很远, 达到几十米甚至几百米, 这时线路阻抗就不能不考虑在内, 另外设备出线端的接触电阻也是影响温度测量精确性的一个因素, 因此Pt100铂热电阻在回路中的阻抗包含上述2个部分。

设在线路阻抗与出线端的接触电阻上产生的电压为Vline, 则在铂热电阻及其在回路阻抗上产生的电压为Viout=Vpt+Vline。

另设测温时以0℃为调零点, 即在0℃时Vo=0V。通过查Pt100铂热电阻分度表可知, 在0℃时Pt100铂热电阻对应的阻值为100Ω。则

将式 (4) 带入式 (3) 中, 得Vo=K (Viout-Vref) =K (100Iout+Vline-Vref) =0V。

整理得Vref=100Iout+Vline。

由此, 式 (3) 可演化为

因此, 通过调整Vref即可将线路阻抗产生的Vline通过差分方式消除, 如果将Vpt调整至其他温度下Pt100铂热电阻对应阻值产生的电压, 则可以调整电路输出0V时对应的最低温度值, 从而实现测温范围的调节。

4 仿真分析

设线路阻抗为Rline, 输出电流Iout为5mA, 差分放大电路放大倍数为30倍, 通过理论计算得出在不同环境温度、不同线路阻抗时的输出值Vo见表1。

利用Multisim软件对电流源发生电路和信号调理电路进行仿真, 如图4所示。

按表1改变线路阻抗和Pt100铂热电阻的阻值, 读取电压表XMM1 (即Vo) 与XMM3 (即Viout) 的读数见表2。

由表2可知, 采用差分方式可以消除线路阻抗的干扰, 得到一个优化的结果, 进而消除测温误差, 提高测温的精确度。

5 结语

介绍了基于Pt100铂热电阻的测温电路的硬件设计及参数计算, 仿真结果表明, 该测温电路采用差分方式可解决由于线路阻抗产生的测温干扰问题, 并且可以通过改变电路内参考电压的方式调节测温范围, 具有测量精度高、可靠性高的优点。在实际应用中, 因现场线路长度不一致, 单纯依靠在电路中设置调压电位器可能会引起调零校准麻烦, 因此, 建议在设备终端接100Ω电阻, 通过检测调理电路的输出信号来控制输出参考电压, 由此实现自动校准零点, 避免人工操作的繁琐与误差。

参考文献

[1]谭长森.基于PT100型铂热电阻的测温装置设计[J].工矿自动化, 2012, 38 (3) :89-91.

[2]陈德龙, 秦会斌.基于Pt100的电子温度表设计[J].杭州电子科技大学学报, 2005, 25 (4) :42-45.

[3]姜磊, 戴碧君, 赵殿滨.Pt100测温电路:中国, 200820219815[P].2008-11-25.

[4]深圳市铂电科技有限公司.Pt100铂热电阻分度表[EB/OL]. (2012-11-20) [2013-10-10].http://www.18show.cn/share_tech/565484.html.

[5]翟玉文, 艾学忠, 杨潇.实用恒流源电路设计[J].电子测量技术, 2002 (5) :25.

测温电阻 篇4

关键词：PT100,惠斯通电桥,三线制接法,最小二乘法

0 引言

热电阻是中低温常用的一种温度传感器, 其工作原理是基于电阻的热效应, 即电阻的阻值随着温度的变化而变化。因铂热电阻在热电阻中的精度是最高的并且有着抗振动, 稳定性好, 耐高压的特点, 所以被制成各种标准温度计供计量和校准使用。本文选用的铂热电阻为PT100, 0℃的电阻阻值为100Ω, 在0℃~100℃之间变化时, 最大非线性偏差小于0.5℃。

1 调理电路设计

因PT100与热电偶不同, 属于无源传感器, 所以需要设计额外的激励来产生电信号输出。本文设计的PT100测温装置, 利用常用低成本的四路运算放大器LM324完成该装置电源电路和三运放仪表放大器电路的设计。

1.1 电压源电路

图1电路为同相比例运算电路, 根据理想运算放大器工作在线性区时的分析, 依据虚短、虚断原则, 得出, 则此闭环电压放大倍数为2倍, 继而得到V7=10 V, 并作为惠斯通电桥电路的稳定供电电压。

1.2 惠斯通电桥和PT100的三线制接法

根据PT100测温原理, 需要精确知道PT100的电阻值, 但是电阻值并不能直接测量, 因此需要转换电路, 将电阻值变为单片机可以检测的电压信号[1]。惠斯通电桥电路是一种可以精确测量电阻的仪器。如图2所示R1, R2, R3, R4分别是它的桥臂, 当电桥平衡时满足R1×R3=R2×R4。当电桥不平衡时a, b两点会有电压差, 根据a, b两点电压的大小可以求出相应电阻的大小, 这就是不平衡桥测电阻的原理[2]。

实际由于PT100电阻较小, 灵敏度高, 引线的阻值会带来误差, 因此工业上常使用三线制的接法来消除这种误差。如图2虚线部分, 引线电阻值相等且为r, 此时的桥臂变为R1, R2, R3+2r, Rt+2r, 电桥平衡时:R2· (Rt+2r) =R1· (R3+2r) , 整理得:Rt=R1R3/R2+2 R1r/R2-2r, 分析当R1=R2时, 导线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

1.3 三运放仪表放大器电路

当温度从0℃~100℃变化时, PT100的阻值在100Ω~138.51Ω范围内近似线性变化。根据上面电桥桥电路得0℃时电桥是平衡的所以电桥输出电压理论值应为为0 V, 而当温度为100℃时电桥输出Uab=U7X (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ) , 即Uab=10x (138.51/ (10000+138.51) -100/ (10000+100) ) =0.037599 V, 由于这是个毫伏级信号因此需要将此电压放大使其变为能被AD芯片检测的值。如图3所示, 仪表放大器是在有噪声的环境下放大小信号的器件, 其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点, 它利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性, 能够去除共模信号, 而又同时将差分信号放大。标准三运放仪表放大器电路输出电压为, 这里可取R8=R10=20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100 kΩ, 便可将输入的电压信号放大约150倍, 使电桥理论输出电压放大到0~2.34 V之间。但这只是理论值, 实际过程中可导致电阻变化因素很多, 因此可将R3换成一个精密可调电阻器, 方便电路调零。

2 软件设计

2.1 最小二乘法与PT100线性拟合

在0℃≤t≤850℃温度区间中, Pt100阻值与温度的关系为:R=100 (1+At+Bt2) , 其中A=3.90802×10-3;B=-5.80×10-7;C=4.2735×10-12。由此可知PT100的阻值与温度并不是绝对的线性关系而是一条抛物线, 因此如果要将t提取出来需要进行开方运算, 这就引入了比较复杂的函数运算, 大量占用单片机CPU的资源, 为解决这个问题我们可以使用最小二乘法将温度与阻值的关系进行线性拟合[3]。最小二乘法的曲线拟合是试验数据处理的常用方法, 其原理是找出一个多项式函数使其与原数据误差平方和最小。其MATLAB程序语言如下:

需要测量的是0℃~100℃的温度, 如果用100个数据进行线性拟合, 最大偏差量比较大, 为此可以将100个数据分成三段分别进行最小二乘法的线性拟合, 这样便可以大量减少最大偏差量。计算结果如下所示:

模型1:0℃~32℃T=2.5708R-257.0984

最大偏差量:0.0380℃

模型2:34℃~67℃T=2.5973R-260.0952

最大偏差量:

模型3:68℃~100℃T=2.6231R-263.3509

最大偏差量:0.0266℃

2.2 AD数字量转换温度

PT100测温原理是根据其电阻值得到温度值, 因此必须首先确定热电阻的电阻值。根据硬件电路可知, 桥电路的输出电压Uab与运放仪表放大器电路的输出电压Uad的关系为:Uad=Uab·Auf。因系统运用的是12位的AD芯片所以数字量与模拟量的关系为:Uad/AD=5/4096, 联列前面两式子可得电桥输出电压与数字量AD的关系即:Uab=5AD/ (4096Auf) , 再将其带入电桥输出电压表达式Uab=U7X (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ) 中, 可以得到Rt与数字量AD的表达式, 求解得:。知道PT100电阻值后就可以根据3.1节中的线性拟合式子求出相对应的温度值。

2.3 单片机数字滤波

为提高PT100的测温精度可以在软件编程中添加数字滤波程序, 这样既不需要增加硬件电路, 又可以提高系统的稳定性和可靠性。在单片机应用系统中有许多滤波方法, 当具体选择时要对滤波方法的优缺点和适用对象进行分析比较, 从而选择合适的滤波方法。中位值平均滤波法的算法是先连续采集N个数据, 然后去掉一个最小值和一个最大值, 最后求出剩余的数据的算术平均值。这样的滤波方式适用于温度等变化较慢的参数测量, 能有效降低由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码造成的干扰。C语言程序如下:

3 系统的工作过程

当测温对象的温度改变时, PT100的阻值发生变化, 此时惠斯通电桥会输出相应电压信号, 这个信号与PT100的阻值成函数关系。将这个毫伏级信号经过三运放仪表放大器放大后给AD芯片, AD芯片将模拟量变为数字量并被单片机读取。单片机从AD芯片读取芯片后执行滤波程序, 将稳定的数字量通过运算转换为PT100的阻值, 而后单片机会根据这个阻值的大小选择相对应的拟合好线性模型从而算出当前的温度值, 最后将温度数据通过液晶显示器显示出来, 而当测量温度超出范围时, 液晶显示器会显示“00”, 表示超出测温范围。

4 结论

PT100测温装置原理简单使用可靠方便所以被大量运用在工业现场, 本文提出的PT100测温装置方案, 运用了PT100的三线制接法, 稳定可靠的三运放仪表放大器电路, 基于最小二乘法的线性拟合方法, 以及必要数字滤波程序, 从硬件和软件两方面保证了系统测温的精度。通过实测, 用ZX21型电阻箱替代PT100铂热电阻时其测得的温度与PT100铂电阻分度表标定的温度误差在0.1℃以内, 满足设计要求。

参考文献

[1]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1990.

[2]姜忠良, 陈云秀.温度的测量与控制[M].北京:清华大学出版社, 2005.